Capitolo 10 La biologia molecolare del gene

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1 apitolo 10 La biologia molecolare del gene opyright 2006 Zanichelli editore

2 La struttura del materiale genetico 10.1 lcuni esperimenti hanno dimostrato che il materiale genetico è formato da DN Nel 1952 gli esperimenti dei biologi lfred Hershey e Martha hase dimostrarono che alcuni virus sono in grado di riprogrammare le cellule ospiti per produrre nuovi virus, iniettando il proprio DN dentro le cellule. esta oda DN Fibre della coda Figura 10.1 opyright 2006 Zanichelli editore

3 L esperimento di Hershey e hase: Batterio Fago Proteina radioattiva Involucri proteici vuoti DN del fago Radioattività nel liquido DN eppo 1 Proteina radioattiva Si centrifuga Precipitato 1 Si mescolano i fagi marcati radioattivamente con i batteri. I fagi infettano le cellule batteriche. 2 Si utilizza un frullatore per separare i fagi esterni ai batteri dalle cellule batteriche e dal loro contenuto. 3 Si centrifuga la miscela. 4 Si misura la radioattività nel precipitato e nel liquido. eppo 2 DN radioattivo Figura 10.1B DN radioattivo Si centrifuga Precipitato Radioattività nel precipitato opyright 2006 Zanichelli editore

4 Il ciclo riproduttivo di un fago: Il fago si attacca alla cellula batterica. Il fago inietta il DN. Il DN induce la cellula ospite a produrre altro DN fagico e proteine. Si riproducono nuovi fagi. La cellula si rompe (lisi) e libera nuovi fagi. Figura 10.1 opyright 2006 Zanichelli editore

5 10.2 DN e RN sono polimeri di nucleotidi Il DN è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi. Scheletro zucchero-fosfato ruppo fosfato Base azotata Zucchero Nucleotide del DN ruppo fosfato P H 2 H H H 3 H Base azotata (,,, o ) H H N H N imina () H Zucchero (deossiribosio) Nucleotide del DN Figura 10.2 opyright 2006 Zanichelli editore Polinucleotide del DN

6 opyright 2006 Zanichelli editore Il DN ha quattro tipi di basi azotate: adenina (), timina (), citosina () e guanina () N H H N H H 3 H H H H N N N H H H N H N N N N H H N N H N H N N H H H imina () itosina () denina () uanina () Purine Pirimidine Figura 10.2B

7 nche l RN è un acido nucleico ma è composto da uno zucchero leggermente differente (il ribosio) e una base azotata chiamata uracile (U) al posto della timina. ruppo fosfato P H 2 H H Base azotata (,,, o U) H N N Legenda Idrogeno arbonio zoto ssigeno Fosforo Uracile (U) H H H H H Figure 10.2, D Zucchero (ribosio) opyright 2006 Zanichelli editore

8 10.3 DN ha la forma di un elica a doppio filamento Nel 1953 James Watson e Francis rick determinarono la struttura tridimensionale del DN, basandosi anche sul lavoro di Rosalind Franklin. Figure 10.3, B opyright 2006 Zanichelli editore

9 La struttura del DN consiste di due filamenti di polinucleotidi attorcigliati l uno sull altro in una doppia elica. Si può immaginare questa struttura come una scala di corda dotata di rigidi pioli in legno e arrotolata in spire. Figura 10.3 opyright 2006 Zanichelli editore orsione

10 I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i filamenti. gni base è appaiata con una base complementare: con, e con Figura 10.3D oppie di basi appaiate opyright 2006 Zanichelli editore H P H 2 P H 2 P H 2 P H 2 H Legame idrogeno H H 2 P H 2 P H 2 P H 2 P H Modello a nastro Struttura chimica Modello computerizzato

11 La duplicazione del DN 10.4 La duplicazione del DN dipende dall accoppiamento di specifiche basi azotate La duplicazione del DN comincia con i due filamenti del DN di partenza che si separano. gni filamento funziona da stampo per formare un filamento complementare. I nucleotidi si allineano lungo il filamento stampo. li enzimi legano tra loro i nucleotidi per formare un nuovo filamento. Nucleotidi Figura 10.4 opyright 2006 Zanichelli editore Molecola originaria del DN. Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DN identiche.

12 opyright 2006 Zanichelli editore La duplicazione del DN è un processo complesso. Parte della complessità nasce dal fatto che, quando si duplica, la molecola elicoidale di DN deve srotolarsi. Figura 10.4B

13 10.5 I particolari della duplicazione del DN La duplicazione del DN inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica. Punto di origine della duplicazione Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla di duplicazione Due molecole figlie di DN Figura 10.5 opyright 2006 Zanichelli editore

14 gni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto all altro. Estremità 5 Estremità 3 P 4 3 P H 3 4 P P P P P H P Figura 10.5B Estremità 3 Estremità 5 opyright 2006 Zanichelli editore

15 La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando l enzima DN-polimerasi. L altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento dall enzima DN-ligasi. Molecola di DN-polimerasi DN originario Filamento sintetizzato senza interruzioni Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi 5 3 opyright 2006 Zanichelli editore Figura 10.5 DN-ligasi Direzione complessiva della duplicazione

16 Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DN all RN e alle proteine 10.6 Il genotipo presente a livello di DN si esprime nelle proteine, che determinano il fenotipo Il genotipo di un organismo è l informazione ereditaria contenuta nel suo DN (nella sequenza delle sue basi). Le proteine sono sintetizzate sulla base di informazioni contenute in sequenze di DN dette geni. Un particolare gene, una sequenza lineare di molti nucleotidi, codifica un polipeptide (fornisce cioè le istruzioni per la sintesi proteica). opyright 2006 Zanichelli editore

17 Le informazioni genetiche sono prima trasferite dal DN a una molecola di RN (trascrizione) e poi dall RN a una proteina (traduzione). DN rascrizione RN raduzione Proteina Figura 10.6 opyright 2006 Zanichelli editore

18 Il maggior contributo nel determinare la relazione tra geni ed enzimi venne fornita negli anni Quaranta dalle ricerche condotte su alcuni ceppi della muffa del pane definiti «mutanti nutrizionali». Figura 10.6B opyright 2006 Zanichelli editore

19 10.7 L informazione genetica viene scritta sotto forma di codoni e tradotta in sequenze di amminoacidi Le «parole» del linguaggio chimico del DN sono triplette di basi chiamate codoni. I codoni di un gene contengono le informazioni per la sequenza di amminoacidi di una catena polipeptidica. opyright 2006 Zanichelli editore

20 rascrizione e traduzione dei codoni Molecola di DN ene 1 ene 2 ene 3 Filamento di DN rascrizione RN raduzione U U U U U U U odone Figura 10.7 Polipeptide mminoacido opyright 2006 Zanichelli editore

21 10.8 Il codice genetico è «la stele di Rosetta» della vita Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico. Figura 10.8 Prima base azotata U UUU UU UU UU UU U U U UU U U U UU U U U Seconda base azotata U Phe Leu Leu Ile Met o inizio Val UU U U U U U U Ser Pro hr la UU U U Stop U Stop U U U yr His ln sn Lys sp lu UU U U Stop U rp U U U ys rg Ser rg ly U U U U erza base azotata opyright 2006 Zanichelli editore

22 Processo per decifrare l informazione genetica del DN: Filamento da trascrivere DN rascrizione mrn U U U U U odone di inizio raduzione odone di arresto Figura 10.8B Polipeptide Met Lys Phe opyright 2006 Zanichelli editore

23 10.9 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RN Una rappresentazione dettagliata della trascrizione: RN-polimerasi Nucleotidi dell RN U U U Direzione della trascrizione Filamento stampo di DN Figura 10.9 RN appena sintetizzato opyright 2006 Zanichelli editore

24 Nelle cellule eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo. I due filamenti di DN si separano, nel punto in cui ha inizio la trascrizione, e uno dei due funziona da stampo. I nucleotidi che costituiscono la nuova molecola di RN prendono posto una alla volta lungo il filamento stampo del DN, seguendo la stessa regola dell appaiamento delle basi della duplicazione del DN (tranne per il fatto che si appaia con U invece che con ). opyright 2006 Zanichelli editore

25 rascrizione di un gene: RN-polimerasi DN del gene DN della sequenza promotore 1 Inizio DN della sequenza di terminazione 2 llungamento rea mostrata nella figura erminazione RN in crescita RN completato RN-polimerasi Figura 10.9B opyright 2006 Zanichelli editore

26 10.10 L RN eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo Il tipo di RN che codifica per le sequenze di amminoacidi è detto RN messaggero (mrn). Le regioni di geni non codificanti, chiamate introni (cioè «sequenze che interrompono»), vengono rimosse. li esoni (le regioni codificanti) si uniscono per produrre una singola molecola codificante di mrn. Questo processo è chiamato splicing. opyright 2006 Zanichelli editore

27 li introni vengono rimossi e alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda. DN Esone Introne Esone Introne Esone appuccio rascrizione ggiunta del cappuccio e della coda RN trascritto con cappuccio e coda li introni vengono rimossi oda mrn li esoni si legano tra loro Sequenza codificante Nucleo Figura itoplasma opyright 2006 Zanichelli editore

28 La traduzione dell mrn Le molecole di RN di trasporto fungono da interpreti durante la traduzione La traduzione dell mrn in proteine avviene nel citoplasma in corrispondenza dei ribosomi. I ribosomi sono gli organuli che coordinano le operazioni necessarie per passare dalle sequenze nucleotidiche alle catene polipeptidiche. opyright 2006 Zanichelli editore

29 Per la traduzione del messaggio genetico dell mrn nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RN, chiamato RN di trasporto (trn). Sito d attacco dell aminoacido Legame idrogeno atena polinucleotidica di RN Figura nticodone opyright 2006 Zanichelli editore

30 gni molecola di trn ha un ansa a filamento singolo, posta a un estremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dell mrn). ll altra estremità c è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido. Sito d attacco dell amminoacido Figure 10.11B, nticodone opyright 2006 Zanichelli editore

31 10.12 I ribosomi costruiscono i polipeptidi Un ribosoma è costituito da due subunità, ciascuna formata da proteine e da grandi quantità di un tipo di RN chiamato RN ribosomiale (rrn). Molecole di trn Polipeptide in via di formazione Subunità grande mrn Figura Subunità piccola opyright 2006 Zanichelli editore

32 Durante la traduzione, le subunità di un ribosoma tengono unite tra di loro le molecole di trn e di mrn. Sito di legame per l mrn Subunità grande Polipeptide in via di formazione mrn Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide trn Subunità piccola Figure 10.12B, opyright 2006 Zanichelli editore odoni

33 10.13 Un codone d inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall mrn Inizio del messaggio genetico Fine Figura opyright 2006 Zanichelli editore

34 Nel processo d inizio della traduzione, vengono coinvolti l mrn, il primo amminoacido attaccato al suo trn e le due subunità ribosomiali. Met Met Subunità ribosomiale più grande trn di partenza U U Sito P odone d inizio mrn Subunità ribosomiale 1 più piccola 2 U U Sito Figura 10.13B opyright 2006 Zanichelli editore

35 10.14 Nella fase di allungamento si aggiungono amminoacidi alla catena polipeptidica fino a quando il codone di arresto termina la traduzione ompletata la fase d inizio, al primo amminoacido se ne aggiungono altri, uno alla volta, durante il processo di allungamento. Il processo di allungamento prevede tre tappe: riconoscimento del codone; formazione del legame peptidico; traslocazione. opyright 2006 Zanichelli editore

36 Il processo di allungamento: Polipeptide Sito P Sito mminoacido nticodone mrn odoni 1 Riconoscimento del codone Movimento dell mrn odone di arresto 2 2 Formazione del legame peptidico Nuovo legame peptidico Figura raslocazione opyright 2006 Zanichelli editore

37 L mrn sposta un codone alla volta e il trn si appaia ad ogni codone con il suo anticodone complementare, aggiungendo il suo amminoacido alla catena peptidica. L allungamento continua fino a quando un codone d arresto (U, U, U) giunge nel sito del ribosoma, terminando la traduzione. opyright 2006 Zanichelli editore

38 10.15 Il passaggio di informazioni genetiche nella cellula segue la direzione DN RN proteina La sequenza dei codoni nel DN «scrive lettera per lettera» la struttura primaria di un polipeptide. opyright 2006 Zanichelli editore

39 Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: Figura opyright 2006 Zanichelli editore

40 10.16 Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DN rispetto alla sua conformazione originale è detta mutazione. Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DN, da ricombinazione o da agenti mutageni. DN di emoglobina normale DN di emoglobina mutante mrn mrn U Figura Emoglobina normale lu Emoglobina dell anemia falciforme Val opyright 2006 Zanichelli editore

41 La sostituzione, l inserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sull organismo. ene normale mrn Proteina U U U U Met Lys Phe ly la Sostituzione di una base azotata U U U U Met Lys Phe Ser la Delezione di una base azotata U Mancante U U U U Figura 10.16B Met Lys Leu la His opyright 2006 Zanichelli editore

42 La genetica dei virus e dei batteri Il DN virale può diventare parte del cromosoma ospite I virus possono essere considerati come geni impacchettati in proteine. I virus possono riprodursi solo all interno di una cellula, utilizzandone le strutture e l energia. opyright 2006 Zanichelli editore

43 Nel ciclo litico, quando il DN fagico entra in un batterio, è duplicato, trascritto e tradotto. Il nuovo DN virale e le nuove proteine sintetizzate vengono poi usate per assemblare nuovi fagi che si liberano dalla cellula ospite quando questa si rompe. opyright 2006 Zanichelli editore

44 Nel ciclo lisogeno la duplicazione del DN virale avviene senza la produzione di nuovi fagi e senza la morte della cellula ospite. Il DN fagico si integra in quello della cellula ospite (profago) e viene trasferito alle cellule figlie con la riproduzione della cellula ospite che duplica il DN profagico insieme al proprio. I profagi possono rimanere nelle cellule batteriche per sempre ma, in particolari condizioni ambientali, un profago può staccarsi dal suo cromosoma ospite e iniziare un ciclo litico. opyright 2006 Zanichelli editore

45 In un fago esistono due tipi di cicli riproduttivi: Il fago si attacca alla cellula 1 DN del fago 1 romosoma batterico La cellula si rompe liberando i fagi 4 Il fago inietta DN 2 7 Numerose divisioni cellulari iclo litico iclo lisogeno Si assemblano i fagi Il DN fagico assume un aspetto circolare 3 PPURE 5 Profago Il batterio lisogeno si riproduce normalmente, duplicando il profago a ogni divisione cellulare 6 Vengono sintetizzati nuovo DN fagico e nuove proteine Il DN fagico si inserisce nel cromosoma batterico per ricombinazione Figura opyright 2006 Zanichelli editore

46 10.18 Molti virus sono causa di malattie negli animali Molti virus che infettano gli animali e le piante causano malattie. Molti, come il virus dell influenza, hanno come materiale genetico l RN al posto del DN. Involucro esterno RN Rivestimento proteico Figura Estroflessione glicoproteica opyright 2006 Zanichelli editore

47 lcuni virus che infettano le cellule animali usano parte della membrana della cellula ospite come rivestimento protettivo; possono rimanere latenti nel corpo dell ospite per lunghi periodi. RN virale (genoma) VIRUS Membrana plasmatica 1 della cellula ospite mrn Viral RN (genome) 4 Sintesi di proteine Nuove proteine virali Ingresso licoproteina Rivestimento proteico Involucro esterno Eliminazione del rivestimento Sintesi di RN 5 Sintesi di RN Filamento stampo Nuovo genoma virale ssemblaggio Figura 10.18B Uscita a 7 opyright 2006 Zanichelli editore

48 LLEMENI Le malattie virali delle piante La maggior parte delle virosi che infettano le cellule vegetali: è costituita da virus a RN; entra nei propri ospiti attraverso delle ferite nei loro rivestimenti esterni. Proteine RN opyright 2006 Zanichelli editore Figura 10.19

49 LLEMENI L umanità deve affrontare la comparsa di nuovi virus Figura Figura 10.20B olorizzata EM olorizzata EM opyright 2006 Zanichelli editore

50 10.21 Il virus dell IDS assembla il DN utilizzando l RN come stampo Il virus dell IDS (HIV) è un retrovirus. Involucro esterno licoproteina Rivestimento proteico RN (due filamenti identici) rascrittasi inversa Figura opyright 2006 Zanichelli editore

51 ll interno di una cellula, l HIV usa il proprio RN come stampo per produrre DN da inserire nel DN cromosomico dell ospite. RN virale Filamento di DN DN a doppio filamento RN virale e proteine IPLSM NULE DN cromosomico 4 DN del provirus RN 6 Figura 10.21B opyright 2006 Zanichelli editore

52 10.22 In natura i batteri possono trasferire il DN in tre modi diversi I batteri possono trasferire geni da una cellula all altra attraverso tre processi: trasformazione, trasduzione o coniugazione. DN che entra nella cellula Fago Phage Ponte citoplasmatico Frammento di DN appartenente a un altra cellula batterica romosoma batterico (DN) Frammento di DN appartenente a una cellula batterica (precedente ospite del fago) Pili sessuali ellula donatrice (maschio) ellula ricevente (femmina) RSFRMZINE RSDUZINE NIUZINE Figure opyright 2006 Zanichelli editore

53 Una volta che il nuovo DN entra in una cellula batterica, una parte di esso può essere integrata nel cromosoma della cellule ricevente. DN trasferito Inserzioni DN demolito Figura 10.22D romosoma della cellula ricevente romosoma ricombinante opyright 2006 Zanichelli editore

54 10.23 I plasmidi batterici possono essere utilizzati per trasferire i geni I plasmidi sono piccole molecole circolari di DN separate dal più grande cromosoma batterico. lcuni plasmidi possono favorire la coniugazione e passare in un altra cellula. opyright 2006 Zanichelli editore

55 I plasmidi possono servire come trasportatori per trasferire i geni. Fattore F (plasmide) Fattore F (integrato) Batterio «maschio» donatore rigine della duplicazione romosoma batterico Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento del DN ellula ricevente Batterio «maschio» donatore romosoma batterico Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento Solo una parte del cromosoma si trasferisce Figure Può avvenire la ricombinazione Il plasmide completa il trasferimento e assume di nuovo la forma circolare La cellula diventa «maschio» Plasmidi olorizzata EM 2000 opyright 2006 Zanichelli editore