Unità 1 La biologia molecolare del gene

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1 Unità 1 La biologia molecolare del gene

2 Unità 1 La biologia molecolare del gene Obiettivi Conoscere la struttura delle molecole del DNA e dell RNA Comprendere il meccanismo di duplicazione del DNA Comprendere come viene decodificata l informazione genetica contenuta nel DNA Conoscere le funzioni dei diversi tipi di RNA Comprendere come avviene la sintesi delle proteine all interno delle cellule Conoscere i meccanismi con cui i virus infettano le cellule

3 Prova di competenza A scuola dai virus Perché, per studiare il funzionamento del DNA a livello molecolare, i virus sono stati preferiti ad altri modelli come le drosofile di Morgan? 3

4 Lezione 1 LA STRUTTURA DEL MATERIALE GENETICO 4

5 1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il materiale depositario dell informazione genetica L esperimento di Frederick Griffith Griffith studiava due ceppi di un batterio: uno causava la polmonite nei topi, l altro era innocuo Iniettò nei topi batteri del ceppo patogeno uccisi con il calore e batteri del ceppo innocuo vivi In queste condizioni alcuni batteri innocui diventavano patogeni e trasferivano la caratteristica alla propria prole 5

6 1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il materiale depositario dell informazione genetica Poi fecero infettare dai due gruppi di virus marcati differentemente due diversi gruppi di batteri Proteine radioattive: batteri non radioattivi DNA radioattivo: batteri radioattivi Le proteine, dunque, rimanevano all esterno dei batteri infettati, mentre il DNA veniva inserito al loro interno 6

7 1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il materiale depositario dell informazione genetica Una qualche sostanza presente nei batteri patogeni uccisi doveva essere stata trasferita a quelli innocui causando un cambiamento che poteva essere ereditato dai discendenti Griffith chiamò questa sostanza fattore trasformante 7

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9 1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il materiale depositario dell informazione genetica Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che il DNA è il materiale genetico I virus batterici sono chiamati batteriofagi o, più sinteticamente, fagi Il fago T2 è costituito unicamente da DNA e da un rivestimento di proteine I due biologi crearono due ceppi di T2 Ceppo allevato su zolfo radioattivo: proteine marcate Ceppo allevato su fosforo radioattivo: DNA marcato 9

10 1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il materiale depositario dell informazione genetica Se i batteri infettati con fagi dotati di DNA radioattivo venivano posti in coltura si lisavano liberando nuovi fagi dotati di DNA radioattivo Dunque i fagi avevano inserito soltanto il proprio DNA nei batteri infettati e questo era stato trasferito alla generazione successiva di fagi Il DNA era quindi responsabile del trasferimento dell informazione genetica 10

11 Fago Batterio Proteine radioattive Involucro proteico vuoto Fago DNA Radioattività nel liquido DNA Ceppo 1 Proteine radioattive Centrifuga Precipitato 1 I fagi radioattivi vengono mescolati con i batteri; i fagi infettano le cellule batteriche 2 I fagi che si trovano all esterno dei batteri vengono separati dalle cellule e dal loro contenuto usando un frullatore 3 La miscela viene centrifugata; i batteri formano un precipitato sul fondo della provetta 4 Si misura la radioattività nel precipitato e nel liquido sovrastante DNA radioattivo Ceppo c2 DNA radioattivo Centrifuga Precipitato Radioattività nel precipitato 11

12 Fago Batterio Proteine radioattive DNA Involucro proteico vuoto Fago DNA Ceppo 1 Proteine radioattive 1 I fagi radioattivi vengono mescolati con i batteri; i fagi infettano le cellule batteriche 2 I fagi che si trovano all esterno dei batteri vengono separati dalle cellule e dal loro contenuto usando un frullatore Ceppo 2 DNA radioattivo DNA radioattivo 12

13 Involucro proteico vuoto Fago DNA Radioattività nel liquido Centrifuga Precipitato 3 La miscela viene centrifugata; i batteri formano un precipitato sul fondo della provetta 4 Si misura la radioattività nel precipitato e nel liquido sovrastante Centrifuga Precipitato Radioattività nel precipitato 13

14 1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il DNA è il materiale depositario dell informazione genetica STEP BY STEP Che cosa convinse Hershey e Chase del fatto che il materiale genetico del fago T2 è rappresentato dal DNA e non dalle proteine? 14

15 1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Il DNA e l RNA sono acidi nucleici costituiti da lunghe catene (o polimeri) di unità chimiche (o monomeri) dette nucleotidi Ogni nucleotide include tre componenti Una base azotata Adenina, Citosina, Timina o Guanina nel DNA Uno zucchero Desossiribosio nel DNA Un gruppo fosfato 15

16 1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Lo scheletro zucchero-fosfato I nucleotidi sono uniti da legami covalenti tra lo zucchero di un nucleotide e il gruppo fosfato del nucleotide successivo Questa struttura che si ripete per tutta la lunghezza del polinucleotide All esterno di questo scheletro sporgono le basi azotate 16

17 1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Le differenze tra RNA e DNA DNA: desossiribosio, RNA: ribosio DNA: timina, RNA: uracile 17

18 Gruppo fosfato Base azotata Zucchero Scheletro zucchero-fosfato Nucleotide di DNA Gruppo fosfato Nbase azotata (A, G, C, o T) Timina (T) Nucleotide di DNA Zucchero (desossiribosio) Polinucleotide di DNA 18

19 Gruppo fosfato Base azotata (A, G, C, o T) Timina (T) Zucchero (desossiribosio) 19

20 Timina(T) Pirimidine Citosina (C) Adenina (A) Purine Guanina (G) 20

21 Gruppo fosfato Base azotata (A, G, C, o U) Uracile (U) Zucchero (ribosio) 21

22 Uracile Guanina Adenina Citosina Fosfato Ribosio 22

23 1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi STEP BY STEP Quali sono le analogie e le differenze tra la struttura del DNA e quella dell RNA? 23

24 1.3 Il DNA ha la struttura di un elica a doppio filamento James D. Watson e Francis Crick ricostruirono la struttura tridimensionale del DNA utilizzando i dati ottenuti con la cristallografia raggi X da Rosalind Franklin e Maurice Wilkins 24

25 1.3 Il DNA ha la struttura di un elica a doppio filamento Il modello a doppia elica La molecola di DNA può essere immaginata come come una scala di corda con rigidi pioli di legno avvolta su se stessa Le due corde laterali sono equivalenti agli scheletri zucchero-fosfato I pioli rappresentano le coppie di basi azotate unite da legami idrogeno Ogni base si appaia con la sua base complementare A - T G - C 25

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28 Avvolgimento 28

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30 Coppia di basi appaiate Modello a nastro 30

31 Legame idrogeno Particolare della struttura chimica 31

32 Modello computerizzato 32

33 1.3 Il DNA ha la struttura di un elica a doppio filamento STEP BY STEP Se lungo un filamento della doppia elica troviamo la sequenza nucleotidica GGCATAGGT, qual è la sequenza complementare sull altro filamento di DNA? 33

34 Lezione 2 LA DUPLICAZIONE DEL DNA 34

35 1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo specifico appaiamento delle basi azotate Il modello semiconservativo I due filamenti di DNA originario si separano Ognuno di essi diventa uno stampo per l assemblaggio di un filamento complementare a partire da una riserva di nucleotidi liberi disponibili nell ambiente I nucleotidi si allineano uno alla volta lungo il filamento stampo, seguendo la regola dell appaiamento delle basi 35

36 1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo specifico appaiamento delle basi azotate Appositi enzimi uniscono i nucleotidi formando il nuovo filamento di DNA Per ogni molecola di DNA originaria si ottengono due molecole figlie identiche, ognuna formata da un nuovo filamento e un filamento della molecola originaria 36

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38 Molecola originaria di DNA 38

39 Nucleotidi Molecola originaria di DNA I due filameni originari agiscono da stampo 39

40 Molecola originaria di DNA Nucleotidi I due filameni originari agiscono da stampo Due molecole figlie di DNA identiche 40

41 1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo specifico appaiamento delle basi azotate STEP BY STEP In che modo l appaiamento complementare delle basi rende possibile la duplicazione del DNA? 41

42 1.5 La duplicazione del DNA ha inizio simultaneamente in molti punti e procede grazie alla DNA polimerasi La duplicazione del DNA inizia in particolari punti di origine della duplicazione I filamenti di DNA si separano origine a bolle di duplicazione La duplicazione procede quindi in entrambe le direzioni allargando le bolle di duplicazione Tutte le bolle che si aprono su un cromosoma finiscono poi per fondersi una con l altra generando due nuove molecole complete di DNA 42

43 1.5 La duplicazione del DNA ha inizio simultaneamente in molti punti e procede grazie alla DNA polimerasi Gli enzimi DNA polimerasi sono responsabili della sintesi dei nuovi filamenti di DNA, legando i nucleotidi che si appaiano spontaneamente al filamento stampo 43

44 1.5 La duplicazione del DNA ha inizio simultaneamente in molti punti e procede grazie alla DNA polimerasi La DNA polimerasi può soltanto allungare un filamento presente, ma non partire da zero L enzima primasi sintetizza il primer, breve molecola di RNA da cui la DNA polimerasi può far partire la sintesi I primer vengono eliminati e sostituiti da DNA al termine della duplicazione 44

45 1.5 La duplicazione del DNA ha inizio simultaneamente in molti punti e procede grazie alla DNA polimerasi Un filamento di DNA di nuova sintesi può crescere esclusivamente nella direzione

46 Origine della duplicazione Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla Due molecole figlie di DNA 46

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48 1.5 La duplicazione del DNA ha inizio simultaneamente in molti punti e procede grazie alla DNA polimerasi STEP BY STEP Quali sono le caratteristiche della DNA polimerasi? 48

49 Lezione 3 IL PASSAGGIO DELL INFORMAZIONE GENETICA DAL DNA ALL RNA ALLE PROTEINE 49

50 1.6 La duplicazione del DNA procede in modo discontinuo sul filamento antiparallelo Dato che la DNA polimerasi può allungare il filamento in una sola direzione la sintesi procede in modo differente sui due filamenti Per ogni forcella di duplicazione Filamento veloce: dopo il primo innesco è assemblato in modo continuo Filamento lento: viene sintetizzato un frammento alla volta (frammenti di Okazaki), via via che la forcella si apre Successivamente i frammenti di Okazaki vengono saldati tra loro dall enzima DNA ligasi 50

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57 1.6 La duplicazione del DNA procede in modo discontinuo sul filamento antiparallelo STEP BY STEP Perché la duplicazione del DNA non procede alla stessa velocità sui due filamenti? 57

58 1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti grazie alla DNA polimerasi e ad altri meccanismi di riparazione Raramente accade che venga inserito un nucleotide errato durante la duplicazione Nella maggior parte dei casi la stessa DNA polimerasi sostituisce il nucleotide con quello giusto Quando ciò non accade intervengono altri enzimi e correggono l errore Una piccola percentuale di casi sfugge a entrambi i controlli 58

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60 1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti grazie alla DNA polimerasi e ad altri meccanismi di riparazione STEP BY STEP Quali saranno le conseguenze per una persona portatrice di una mutazione che riduce la funzionalità di un enzima coinvolto nella riparazione del DNA? 60

61 1.8 Le estremità 5 dei filamenti di DNA non vengono duplicate Una volta rimosso il primer all estremità 5 di un filamento la DNA polimerasi non è in grado di sostituirlo con DNA Per questo i filamenti si accorciano a ogni ciclo di duplicazione 61

62 1.8 Le estremità 5 dei filamenti di DNA non vengono duplicate Alle estremità di ogni cromosoma si trovano sequenze non codificanti ripetute chiamate telomeri Per impedire che i telomeri si accorcino troppo passando da una generazione all altra, nelle cellule della linea germinale è presente l enzima telomerasi, che ripristina la lunghezza dei telomeri fino al valore massimo 62

63 1.8 Le estremità 5 dei filamenti di DNA non vengono duplicate STEP BY STEP Che cosa succederà in una coltura cellulare nella quale le cellule presenti non esprimono l enzima telomerasi? 63

64 1.9 L informazione genetica codificata nel DNA viene tradotta nella sequenza delle proteine Il dogma centrale della biologia molecolare: un gene non sintetizza direttamente una proteina, ma fornisce le istruzioni sotto forma di RNA, che a sua volta programma la sintesi proteica 64

65 DNA Nucleo Citoplasma 65

66 DNA Trascrizione Nucleo RNA Citoplasma 66

67 DNA Trascrizione Nucleo RNA Ctoplasma Traduzione Proteina 67

68 1.9 L informazione genetica codificata nel DNA viene tradotta nella sequenza delle proteine L ipotesi un gene-un polipeptide Beadle e Tatum dimostrarono l ipotesi un gene-un enzima attraverso studi su ceppi di Neurospora Crassa, nei quali all assenza di un gene corrispondeva quella di un enzima metabolico L ipotesi è stata confermata e ampliata a un gene-una proteina È stato poi dimostrato che alcune proteine sono composte da più polipeptidi ciascuno codificato da un gene diverso: l ipotesi è dunque diventata un gene-un polipeptide 68

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70 1.9 L informazione genetica codificata nel DNA viene tradotta nella sequenza delle proteine STEP BY STEP A che cosa servono la trascrizione e la traduzione? 70

71 1.10 L informazione genetica è codificata nel DNA in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali corrisponde a un amminoacido nella proteina corrispondente Una sequenza di nucleotidi nel DNA contiene le informazioni per sintetizzare una proteina Per sintetizzare una proteina è necessario convertire la sequenza di nucleotidi in una sequenza di amminoacidi Durante la trascrizione l informazione presente nel DNA viene trasferita all RNA utilizzando il linguaggio degli acidi nucleici 71

72 1.10 L informazione genetica è codificata nel DNA in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali corrisponde a un amminoacido nella proteina corrispondente Una sequenza di nucleotidi nel DNA contiene le informazioni per sintetizzare una proteinanella traduzione il linguaggio degli acidi nucleici viene convertito nel linguaggio dei polipeptidi A ciascuna possibile sequenza di tre nucleotidi (chiamata codone) corrisponde uno specifico amminoacido I codoni possibili sono 64, gli amminoacidi 20 A ogni amminoacido corrisponde più di un codone 72

73 Molecola di DNA Gene 1 Gene 2 Gene 3 Filamento di DNA Trascrizione RNA Traduzione Codone Polipeptide Amminoacido 73

74 Filamento di DNA Trascrizione RNA Traduzione Codone Polipeptide Amminoacido 74

75 1.10 L informazione genetica è codificata nel DNA in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali corrisponde a un amminoacido nella proteina corrispondente STEP BY STEP Una particolare proteina ha una lunghezza pari a 100 amminoacidi Quanti nucleotidi sono necessari per codificarla? 75

76 1.11 Il codice genetico è la stele di Rosetta della vita Il codice genetico consiste di una serie di regole che stabiliscono la corrispondenza tra i codoni dell RNA e gli amminoacidi delle proteine Soltanto 61 dei 64 codoni codificano per amminoacidi Gli altri sono codoni di arresto e segnalano la fine della traduzione La tripletta AUG codifica per la metionina e può indicare l inizio di una catena polipeptidica 76

77 1.11 Il codice genetico è la stele di Rosetta della vita Ridondanza: più di un codone codifica per lo stesso amminoacido Non ambiguità: nessun codone codifica per più di un amminoacido Non c è punteggiatura: i codoni sono uno di seguito all altro senza intervalli Il codice genetico è praticamente universale perché è condiviso da tutti gli organismi, dai più semplici batteri fino alle piante e agli animali più complessi 77

78 Prima base azotata Terza base azotata Seconda base azotata 78

79 Filamento da trascrivere DNA 79

80 Filamento da trascrivere DNA Trascrizione RNA Codone di inizio Codone di stop 80

81 Filamento da trascrivere DNA Trascrizione RNA Codone di inizio Codone di stop Traduzione Polipeptide Met Lys Phe 81

82 1.11 Il codice genetico è la stele di Rosetta della vita STEP BY STEP Qual è la sequenza di amminoacidi che corrisponde alla sequenza CCAUUUACG di nucleotidi dell RNA? 82

83 1.12 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA L RNA viene trascritto a partire dal DNA, attraverso un processo simile alla duplicazione del DNA I due filamenti di DNA si separano Solo uno dei due fa da stampo per la nuova molecola I nucleotidi di RNA si posizionano uno alla volta lungo il filamento stampo di DNA, formando legami idrogeno con le sue basi nucleotidiche Seguono la stessa regola di appaiamento delle basi complementari che vige nella duplicazione del DNA, solo che l uracile prende il posto dell adenina La RNA polimerasi catalizza la reazione 83

84 1.12 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA Le fasi della trascrizione Inizio: l RNA polimerasi si unisce al promotore sul DNA e incomincia la sintesi dell RNA Allungamento Terminazione: l RNA polimerasi raggiunge la sequenza di terminazione, che segnala la fine del gene, e si stacca sia dall RNA sia dal gene 84

85 RNA polimerasi Nucleotidi di RNA Direzione della trascrizione RNA di nuova sintesi Filamento stampo di DNA 85

86 1 Inizio Dopo che l RNA polimerasi si è legata al promotore, i filamenti di DNA si svolgono e la polimerasi comincia la sintesi dell RNA a partire dal punto di inizio sul filamento stampo 86

87 2 Allungamento La polimerasi si muove verso valle, svolgendo la molecola di DNA e allungando il trascritto di RNA in direzione

88 2 Allungamento Sulla scia della trascrizione, i filamenti di DNA riformano la doppia elica 88

89 3 Terminazione Alla fine, il trascritto di RNA viene liberato e la polimerasi si stacca dal DNA 89

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91 1.12 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA STEP BY STEP Che cos è un promotore? Qual è la sua funzione? 91

92 1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula eucariote l RNA messaggero viene modificato L RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi delle proteine è chiamato RNA messaggero (mrna) Nei procarioti trascrizione e traduzione avvengono entrambe nel citoplasma Negli eucarioti l RNA subisce alcune modifiche nel nucleo prima di essere trasferito nel citoplasma dove avviene la traduzione 92

93 1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula eucariote l RNA messaggero viene modificato Modifiche dell RNA Aggiunta di un breve cappuccio a un estremità (un unico nucleotide G) Aggiunta di una lunga coda all altra estremità (una catena che contiene da 50 a 250 nucleotidi di adenina) RNA splicing: gli introni sono rimossi mentre gli esoni si uniscono producendo una molecola di mrna Introni: regioni non codificanti presenti nei geni di piante e animali Esoni: regioni del gene che saranno poi espresse come amminoacidi 93

94 DNA Cap Trascritto di RNA con cappuccio e coda Esone Introne Esone Introne Esone Trascrizione, aggiunta del cappuccio e della coda Rimozione degli introni Coda mrna Splicing degli esoni Sequenza codificante Nucleo Citoplasma 94

95 1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula eucariote l RNA messaggero viene modificato STEP BY STEP Perché molti geni degli eucarioti sono più lunghi del trascritto di mrna che esce dal nucleo? 95

96 1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da interpreti durante la traduzione Le molecole di RNA di trasporto (trna) sono gli interpreti molecolari che traducono i codoni in amminoacidi I trna assumono una conformazione tridimensionale che permette loro di svolgere questa funzione Anticodone: è una tripletta di nucleotidi complementare a un codone dell mrna Sito di legame per l amminoacido: all estremità opposta all anticodone è presente un sito di legame specifico per un singolo amminoacido 96

97 1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da interpreti durante la traduzione Le molecole di RNA di trasporto (trna) sono gli interpreti molecolari che traducono i codoni in amminoacidi I trna assumono una conformazione tridimensionale che permette loro di svolgere questa funzione Anticodone: è una tripletta di nucleotidi complementare a un codone dell mrna Sito di legame per l amminoacido: all estremità opposta all anticodone è presente un sito di legame specifico per un singolo amminoacido 97

98 Sito di legame per l amminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Anticodone 98

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100 1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da interpreti durante la traduzione STEP BY STEP Che cos è un anticodone e qual è la sua funzione? 100

101 1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi I ribosomi coordinano il funzionamento di mrna e trna ed eseguono materialmente l assemblaggio dei polipeptidi Un ribosoma consiste di due subunità, ognuna formata da proteine e da un tipo di RNA detto RNA ribosomiale (rrna) Ogni ribosoma ha un sito di legame per l mrna e due siti di legame per il trna 101

102 Molecole di trna Polipeptide in formazione Subunità maggiore mrna Subunità minore 102

103 Siti di legame per il trna Subunità maggiore Sito di legame per l mrna Subunità minore 103

104 Polipeptide in formazione Amminoacido seguente da aggiungere al polipeptide mrna trna Codoni 104

105 1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi STEP BY STEP Qual è il compito del ribosoma durante la sintesi proteica? 105

106 1.16 L inizio del messaggio portato dall mrna è indicato da uno speciale codone Il processo di traduzione può essere diviso in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione Durante la fase di inizio l mrna entra in contatto con un trna che porta il primo amminoacido e avviene l attacco delle due subunità del ribosoma 106

107 1.16 L inizio del messaggio portato dall mrna è indicato da uno speciale codone La fase di inizio avviene in due tappe 1. Una molecola di mrna si lega alla subunità ribosomiale più piccola e uno speciale trna di partenza si lega al codone di inizio AUG - Il trna di partenza possiede l anticodone UAC e trasporta l amminoacido metionina (Met) 2. La subunità ribosomiale più grande si unisce a quella più piccola, formando un ribosoma funzionale - Il trna di partenza si colloca in uno dei due siti di legame per il trna (detto sito P, cioè sito peptidico) - L altro sito del ribosoma, chiamato sito A (sito amminoacidico), ancora vuoto, è pronto per accogliere il successivo trna 107

108 Inizio del messaggio genetico Fine 108

109 trna di partenza Sito P Subunità maggiore del ribosoma Sito A mrna 1 Codone di inizio Subunità minore del ribosoma 2 109

110 1.16 L inizio del messaggio portato dall mrna è indicato da uno speciale codone STEP BY STEP Che cosa può accadere se per un errore il codone di inizio viene sostituito da un altro codone? 110

111 1.17 Nella fase di allungamento la catena polipeptidica si accresce finché il codone di arresto termina la traduzione L allungamento è il processo con cui nuovi amminoacidi sono aggiunti al primo della sequenza, uno alla volta 111

112 1.17 Nella fase di allungamento la catena polipeptidica si accresce finché il codone di arresto termina la traduzione L aggiunta di un amminoacido avviene in tre fasi 1. Riconoscimento del codone: l anticodone di una molecola di trna (unita all amminoacido corrispondente) si appaia con il codone dell mrna nel sito A 2. Formazione del legame peptidico: il polipeptide si separa dal trna al quale era legato (nel sito P) e si attacca mediante un legame peptidico all amminoacido trasportato dal trna nel sito A 3. Traslocazione: il trna del sito P lascia il ribosoma e il trna che si trovava nel sito A viene spostato, insieme al polipeptide, dal sito A al sito P 112

113 Polipeptide mrna Sito P Codoni A site Amminoacido Anticodone 1 Riconoscimento del codone 113

114 Polipeptide mrna Sito P Codoni A site Amminoacido Anticodone 1 Riconoscimento del codone 2 Formazione del legame peptidico 114

115 Polipeptide mrna Sito P Codoni A site Amminoacido Anticodone 1 Riconoscimento del codone 2 Nuovo legame peptidico Formazione del legame peptidico 3 Traslocazione 115

116 Polipeptide mrna Sito P Codoni A site Amminoacido Anticodone 1 Riconoscimento del codone Spostamento dell mrna Codone di arresto 2 Nuovo legame peptidico Formazione del legame peptidico 3 Traslocazione 116

117 1.17 Nella fase di allungamento la catena polipeptidica si accresce finché il codone di arresto termina la traduzione La terminazione L allungamento continua finché nel sito A del ribosoma giunge un codone di arresto (UAA, UAG o UGA) che interrompe la traduzione Il polipeptide completo si stacca dall ultimo trna e abbandona il ribosoma, le cui subunità si separano di nuovo 117

118 1.17 Nella fase di allungamento la catena polipeptidica si accresce finché il codone di arresto termina la traduzione STEP BY STEP Che cosa accade al trna nel sito A e nel sito P del ribosoma durante la fase di allungamento? 118

119 1.18 In sintesi: il flusso dell informazione genetica procede dal DNA all RNA e dall RNA alle proteine Il flusso dell informazione genetica - Trascrizione: DNA RNA - Traduzione: RNA proteine Qual è il significato generale dei processi di trascrizione e traduzione? - Attraverso questi processi il genotipo specifica il fenotipo 119

120 DNA Trascrizione mrna Amminoacido trna ATP RNA polimerasi Traduzione Enzima 1 L mrna è trascritto a partire da un DNA stampo 2 Ogni amminoacido si lega al rispettivo trna grazie all aiuto di uno specifico enzima e dell ATP Anticodone trna di partenza mrna Codone di inizio Subunità maggiore del ribosoma Subunità minore del ribosoma 3 Inizio della sintesi polipeptidica L mrna, il primo trna e le subunità ribosomiali si uniscono Polipeptide in formazione mrna Codoni Si forma un nuovo legame peptidico 4 Allungamento Molecole di trna aggiungono in successione gli amminoacidi alla catena polipeptidica mentre l mrna si sposta lungo il ribosoma, un codone alla volta Polipeptide Codone di arresto 5 Terminazione Il ribosoma riconosce un codone di arresto; il polipeptide è terminato e viene liberato 120

121 DNA Trascrizione mrna Amminoacido trna ATP Traduzione Enzima RNA polimerasi 1 L mrna è trascritto a partire da un DNA stampo 2 Ogni amminoacido si lega al rispettivo trna grazie all aiuto di uno specifico enzima e dell ATP Anticodone trna di partenza mrna Codone di inizio Subunità maggiore del ribosoma Subunità minore del ribosoma 3 Inizio della sintesi polipeptidica L mrna, il primo trna e le subunità ribosomiali si uniscono 121

122 Polipeptide in formazione mrna Codoni Si forma un nuovo legame peptidico 4 Allungamento Molecole di trna aggiungono in successione gli amminoacidi alla catena polipeptidica mentre l mrna si sposta lungo il ribosoma, un codone alla volta Polipeptide Codone di arresto 5 Terminazione Il ribosoma riconosce un codone di arresto; il polipeptide è terminato e viene liberato 122

123 1.18 In sintesi: il flusso dell informazione genetica procede dal DNA all RNA e dall RNA alle proteine STEP BY STEP Quale tra le molecole e le strutture elencate sotto non partecipa direttamente alla traduzione? ribosomi trna mrna DNA ATP enzimi 123

124 1.19 Le mutazioni possono modificare il significato dei geni Ogni variazione nella sequenza nucleotidica del DNA è chiamata mutazione Sostituzione di basi: un nucleotide viene scambiato con un altro Questa mutazione causa effetti sul fenotipo solo quando determina la sostituzione di un amminoacido rilevante per l attività della proteina Inserzione e delezione di basi Possono alterare il quadro di lettura dell mrna Tutti i nucleotidi a valle della mutazione vengono infatti raggruppati in codoni diversi da quelli originali Solitamente causa la sintesi di un polipeptide non funzionale 124

125 1.19 Le mutazioni possono modificare il significato dei geni I meccanismi della mutagenesi Errori durante la duplicazione o la ricombinazione del DNA causano mutazioni spontanee Le mutazioni possono essere indotte dall esposizione a particolari agenti mutageni Mutageni fisici, come radiazioni ad alta energia (UV, raggi X) Mutageni chimici: particolari composti in grado di interagire con il DNA 125

126 DNA dell emoglobulina normale DNA dell emoglobulina mutante mrna mrna Emoglobulina normale Glu Emoglobulina dell anemia falciforme Val 126

127 Gene normale mrna Proteina Met Lys Phe Gly Ala Sostituzione di una base Met Lys Phe Ser Ala Delezione di una base Base mancante Met Lys Leu Ala His 127

128 1.19 Le mutazioni possono modificare il significato dei geni STEP BY STEP In che modo la sostituzione di una singola base nel DNA può dar luogo alla formazione di una catena polipeptidica più breve? 128

129 Lezione 4 LA GENETICA DEI VIRUS E DEI BATTERI 129

130 1.20 Le mutazioni possono modificare il significato dei geni I fagi hanno due tipi di ciclo riproduttivo Ciclo litico: comporta la rottura (lisi) della cellula ospite con conseguente liberazione dei virus che si sono formati al suo interno Ciclo lisogenico: la duplicazione del DNA virale si verifica senza la distruzione della cellula ospite Il DNA del fago si integra con il cromosoma batterico formando il profago Ogni volta che la cellula si divide, duplica il DNA del fago insieme al proprio e ne trasmette una copia alle cellule figlie In particolari condizioni un profago può separarsi dal cromosoma batterico trasformando il ciclo lisogeno in litico 130

131 Fago Si ancora alla cellula DNA del fago 1 Cromosoma batterico La cellula scoppia liberando i fagi 4 Il fago inietta il proprio DNA 2 Ciclo litico Assemblaggio dei fagi Il DNA del fago assume una forma circolare 3 Vangono sintetizzati il DNA e le proteine dei fagi 131

132 Fago Si ancora alla cellula DNA del fago 1 Cromosoma batterico La cellula scoppia liberando i fagi Il fago inietta il proprio DNA Molte divisioni cellulari Ciclo litico Ciclo lisogeno Assemblaggio dei fagi Il DNA del fago assume una forma circolare 3 5 Profago Il batterio lisogeno si riproduce normalmente, duplicando il profago a ogni divisione 6 Vangono sintetizzati il DNA e le proteine dei fagi Il DNA del fago si integra con il cromosoma batterico 132

133 Fago Si ancora alla cellula Dna del fago 1 Cromosoma batterico Assemblaggio dei fagi 4 Il fago inietta il proprio DNA 2 Ciclo litico Assemblaggio dei fagi 3 Il DNA del fago assume una forma circolare Vengono sintetizzati il DNA e le proteine del fago 133

134 Fago Si ancora alla cellula DNA del fago 1 Cromosoma batterico Il fago inietta il proprio DNA 2 7 Molte divisioni cellulari Il DNA del fago assume una forma circolare 5 Ciclo lisogenico Profago Il batterio lisogeno si riproduce normalmente, duplicando il profago a ogni divisione 6 Il DNA del fago si integra con il cromosoma batterico 134

135 1.20 Il DNA virale può diventare parte del cromosoma dell ospite STEP BY STEP In che modo un virus può perpetuare i propri geni senza distruggere la cellula ospite? 135

136 Un armata invisibile COLLEGAMENTO salute I virus possono provocare malattie negli animali e nelle piante Solitamente i virus che attaccano le cellule animali hanno un involucro membranoso esterno ed estroflessioni simili a spine, costituite da glicoproteine 136

137 Un armata invisibile COLLEGAMENTO salute Il ciclo riproduttivo di un virus a RNA Ingresso: l involucro del virus si fonde allora con la membrana cellulare Alcuni enzimi rimuovono poi il rivestimento proteico Un enzima usa il genoma virale a RNA come stampo per sintetizzare filamenti complementari di RNA mrna per la sintesi di nuove proteine virali Stampi per sintetizzare nuovo RNA virale Le nuove proteine di rivestimento si assemblano intorno al nuovo RNA virale Le particelle virali lasciano la cellula utilizzando parte della sua membrana plasmatica come involucro 137

138 Un armata invisibile COLLEGAMENTO salute Alcuni virus si riproducono nel nucleo della cellula ospite La maggior parte dei virus che attaccano le cellule vegetali è costituita da virus a RNA Per infettare una pianta, un virus deve riuscire a oltrepassare lo strato protettivo esterno delle cellule Una volta all interno, il virus può riprodursi e propagarsi in tutta la pianta facilmente, sfruttando i plasmodesmi 138

139 RNA virale (genoma) VIRUS Membrana plasmatica della cellula ospite 1 Ingresso Estroflessione glicoproteica Rivestimento proteico Involucro membranoso RNA virale (genoma) 2 3 Rimozione del rivestimento Sintesi di RNA veicolata da un enzima virale mrna Sintesi proteica 4 5 Nuove proteine virali 6 Sintesi di RNA Filamento stampo Nuovo genoma virale Assemblaggio Uscita 7 139

140 RNA virale (genoma) VIRUS Estroflessione glicoproteica Rivestimento proteico Involucro membranoso Membrana plasmatica della cellula ospite 1 Ingresso RNA virale (genoma) 2 3 Rimozione del rivestimento Sintesi di RNA veicolata da un enzima virale 140

141 mrna sintesi proteica 4 5 Nuove proteine virali 6 Sintesi di RNA Filamento stampo Nnuovo genoma virale Assemblaggio Uscita 7 141

142 1.21 La salute delle popolazioni umane è minacciata dalla comparsa di nuovi virus I virus che compaiono improvvisamente o quelli i cui effetti sono ancora sconosciuti alla scienza medica vengono chiamati virus emergenti Da dove vengono tutti questi virus? Mutazione di virus esistenti I virus a RNA mutano molto rapidamente Trasmissione da una specia all altra Circa tre quarti delle nuove malattie che colpiscono gli esseri umani siano nati in altri animali Diffusione a partire da una piccola popolazione isolata 142

143 143

144 144

145 1.21 La salute delle popolazioni umane è minacciata dalla comparsa di nuovi virus STEP BY STEP Se contrai l influenza in un dato anno, perché non risulti immune all attacco dei virus influenzali degli anni successivi? 145

146 1.22 Il virus dell AIDS sintetizza il DNA utilizzando l RNA come stampo L AIDS è cusata dall HIV un virus a RNA con alcune caratteristiche peculiari L HIV è un retrovirus Inverte il normale flusso di informazioni genetiche (dal DNA all RNA) grazie all azione della trascrittasi inversa 146

147 1.22 Il virus dell AIDS sintetizza il DNA utilizzando l RNA come stampo Il ciclo riproduttivo dei retrovirus 1. La trascrittasi inversa usa l RNA virale come stampo per sintetizzare un filamento di DNA 2. L enzima aggiunge quindi un secondo filamento complementare di DNA 3. Il doppio filamento di DNA entra nel nucleo della cellula ospite e si integra con il DNA cromosomico, diventando un provirus 4. Occasionalmente il provirus viene trascritto per formare nuovi RNA virali 147

148 1.22 Il virus dell AIDS sintetizza il DNA utilizzando l RNA come stampo 5. Questi vengono tradotti nelle proteine virali 6. Le nuove particelle virali assemblate a partire da questi componenti fuoriescono dalla cellula e possono quindi infettarne altre 148

149 Involucro Glicoproteina Rivestimento proteico RNA (due filamenti identici) Trascrittasi inversa 149

150 RNA virale Filamento di DNA DNA a doppio filamento RNA virale e proteine CITOPLASMA NUCLEO DNA cromosomico DNA del provirus 4 RNA 6 150

151 1.22 Il virus dell AIDS sintetizza il DNA utilizzando l RNA come stampo STEP BY STEP Perché l HIV è classificato tra i retrovirus? 151

152 1.23 Viroidi e prioni sono agenti patogeni diffusi nelle piante e negli animali Alcuni agenti patogeni sono costituiti da una singola molecola proteica o di RNA Viroidi: piccole molecole circolari di RNA che infettano le piante Non codificano per alcuna proteina ma possono duplicarsi nelle cellule vegetali ospiti utilizzando gli enzimi cellulari Interferiscono con la crescita della pianta Prioni: proteine infettive che possano causare in varie specie animali gravi malattie degenerative del cervello Proteine presenti normalmente nelle cellule cerebrali, ma ripiegate in modo difettoso Convertono le molecole normali nella versione difettosa 152

153 1.23 Viroidi e prioni sono agenti patogeni diffusi nelle piante e negli animali STEP BY STEP Che cosa rende i prioni diversi da tutti gli altri agenti infettivi conosciuti? 153

154 1.24 I batteri possono ricombinare i propri geni in tre modi Nei batteri, esistono tre meccanismi attraverso i quali i geni possono spostarsi da una cellula all altra Trasformazione: è la captazione di DNA estraneo dall ambiente circostante Trasduzione: è il trasferimento di geni batterici mediante un fago Coniugazione: il DNA della cellula donatrice passa nella cellula ricevente attraverso un ponte citoplasmatico Quando nuovo DNA penetra in una cellula batterica, parte di esso può integrarsi nel suo genoma 154

155 Il DNA entra nella cellula Frammento di DNA proveniente da un altra cellula batterica Cromosoma batterico (DNA) 155

156 Fago Frammento di DNA proveniente da un altra cellula batterica (precedente cellula ospite del fago) 156

157 Ponte citoplasmatico Pili sessuali Cellula donatrice ( maschio ) Cellula ricevente ( femmina ) 157

158 DNA trasferito Intersezioni DNA demolito Cromosoma della cellula ricevente Cromosoma ricombinante 158

159 1.24 I batteri possono ricombinare i propri geni in tre modi STEP BY STEP Quale meccanismo di trasferimento dei geni da un batterio all altro somiglia al crossing over tra cromosomi di una cellula eucariote? Perché? 159

160 1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati per trasferire i geni La capacità di una cellula donatrice di E. coli di compiere la coniugazione è dovuta a un segmento specifico di DNA, chiamato fattore F Quando è integrato nel cromosoma, permette il trasferimento di geni dal batterio donatore al ricevente durante la coniugazione Quando è presente sotto forma di plasmide durante la coniugazione viene duplicato completamente e trasferito dalla cellula donatore alla cellula ricevente 160

161 1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati per trasferire i geni Il plasmide è una piccola molecola circolare di DNA separata dal cromosoma batterico Include un punto di origine della duplicazione, in grado di innescare la propria duplicazione nella cellula I plasmidi R (cioè resistenti ) contengono geni che rendono i batteri che li contengono resistenti all azione di antibiotici 161

162 Fattore F (integrato) Cellula maschile (donatore) Origine della duplicazione di F Cromosoma batterico Il fattore F avvia la duplicazione e il trasferimento del DNA Cellula ricevente Soltanto una parte del cromosoma viene trasferita Può avvenire la ricombinazione 162

163 Fattore F (plasmide) Cellula maschile (donatore) Cromosoma batterico Il fattore F avvia la duplicazione e il trasferimento Il plasmide completa il trasferimento e assume di nuovo la forma circolare La cellula è ora diventata maschile 163

164 Cromosoma Plasmidi 164

165 1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati per trasferire i geni STEP BY STEP Quale problema causano, in medicina, i plasmidi R? 165