I MOTORI DELL EVOLUZIONE PT2. POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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1 I MOTORI DELL EVOLUZIONE PT2 POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA 1

2 IL MATERIALE GENETICO 2 2

3 Per svolgere il proprio ruolo, il materiale genetico deve rispettare diversi criteri 1. Informazione: deve contenere l informazione necessaria a formare un intero organismo 2. Trasmissione: deve essere trasmesso dal parentale alla progenie 3. Replicazione: deve essere copiato Per poter essere trasmesso dal parentale alla progenie 4. Variazione: deve essere in grado di cambiare Questo spiegherebbe le note variazioni fenotipiche di ciascuna specie 3

4 La struttura degli acidi nucleici DNA e RNA sono grandi macromolecole con diversi livelli di complessità 1. I nucleotidi rappresentano le unità ripetute 2. I nucleotidi sono legati tra loro e formano un filamento 3. Due filamenti interagiscono formano la doppia elica 4. La doppia elica si ripiega e si curva interagendo con proteine. Si forma la struttura tridimensionale dei cromosomi 4

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6 I nucleotidi I nucleotidi sono l unità strutturale ripetuta di DNA e RNA Essi hanno tre componenti Un gruppo fosfato Uno zucchero pentosio Una base azotata 6

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8 Gli atomi indicati in rosso si trovano nei singoli nucleotidi Però essi vengono rimossi quando i nucleotidi si uniscono tra loro per formare i filamenti di DNA o RNA A, G, C or T A, G, C or U 8

9 Base + zucchero nucleoside Per esempio Adenina + ribosio = Adenosina Adenina + deossiribosio = deossiadenosina Base + zucchero + fosfato/i nucleotide Per esempio Adenosina monofosfato (AMP) Adenosina difosfato (ADP) Adenosina trifosfato (ATP) 9

10 I nucleotidi sono legati covalentemente tra loro mediante legami fosfodiesterici Un gruppo fosfato collega il carbonio in posizione 5 di un nucleotide al carbonio in posizione 3 dell altro nucleotide Perciò il filamento è orientato in direzione 5 3 I gruppi fosfato e le molecole di zucchero formano lo scheletro dell acido nucleico Le basi sporgono all esterno dello scheletro di zuccherofosfato 10

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12 IL MODELLO DELLA DOPPIA ELICA 12

13 Watson e Crick realizzarono che il legame idrogeno tra A e T dava una struttura simile a quella che lega C e G Così essi costruirono dei modelli a sfere e bastoncini che includevano delle interazioni AT e CG Questi modelli erano compatibili con tutti i dati noti sulla struttura del DNA Watson, Crick e Maurice Wilkins ricevettero il Premio Nobel nel 1962 Rosalind Franklin morì nel 1958, e il premio Nobel non viene assegnato in forma postuma 13

14 La doppia elica di DNA Due filamenti sono avvolti attorno a un asse comune Per giro completo ci sono 10 basi e 3,4 nm I due filamenti sono antiparalleli Uno corre in direzione 5 3 e l altro in direzione 3 5 L elica è destrorsa Ovverosia si avvolge in direzione oraria 14

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16 La doppia elica di DNA La struttura a doppia elica è stabilizzata da 1. Legami idrogeno tra basi complementari A si lega a T mediante due legami idrogeno C si lega a G mediante tre legami idrogeno 2. L orientamento delle basi Nel DNA le basi sono disposte in modo che le loro strutture planari siano impilate lungo uno stesso asse 16

17 La doppia elica di DNA All esterno dell elica sono presenti due solchi asimmetrici 1. Il solco maggiore 2. Il solco minore Alcune proteine possono legarsi in corrispondenza di questi solchi Interagendo così con una particolare sequenza nucleotidica 17

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19 L organizzazione tridimensionale del DNA Per essere contenuto nelle cellule, la doppia elica di DNA deve venire fortemente compattata in una struttura tridimensionale A questo scopo agiscono delle proteine che legano il DNA. 19

20 LA STRUTTURA DELL RNA 20

21 La struttura dell RNA La struttura primaria del filamento di RNA è molto simile a quello del DNA I filamenti di RNA sono lunghi tipicamente da diverse centinaia a diverse migliaia di nucleotidi Per la sintesi di RNA, viene usato come stampo uno solo dei due filamenti di DNA 21

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23 L EUCROMATINA E L ETEROCROMATINA 23

24 Eterocromatina/eucromatina Il livello di condensazione dei cromosomi interfasici non è del tutto uniforme Eucromatina Rappresenta le regioni meno condensate del cromosoma È trascrizionalmente attiva La fibra di 30 nm forma i domini ad ansa radiale Eterocromatina Rappresenta le regioni più condensate del cromosoma In generale è trascrizionalmente inattiva I domini ad ansa radiale sono ulteriormente condensati 24

25 Esistono due tipi di eterocromatina L eterocromatina costitutiva Regioni che sono sempre eterocromatiche Permanentemente inattiva dal punto di vista trascrizionale L eterocromatina facoltativa Regioni che possono essere reciprocamente convertite da eucromatina a eterocromatina o viceversa Per esempio il corpo di Barr 25

26 IL GENE E IL DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE 26

27 A livello molecolare il gene è un segmento di DNA usato per sintetizzare un prodotto funzionale un RNA oppure un polipeptide La trascrizione è il primo passaggio della espressione genica 27

28 Trascrizione Letteralmente trascrizione significa copiare In genetica, il termine si riferisce alla copia di una sequenza di DNA in una sequenza di RNA La struttura di DNA non è alterata in conseguenza di questo processo Può continuare a contenere l informazione 28

29 Espressione genica I geni strutturali codificano una sequenza polipeptidica La trascrizione di un gene strutturale produce un RNA messaggero, o mrna La sequenza di mrna determina la sequenza aminoacidica del polipeptide La funzione della proteina determina il carattere Questo percorso dal gene al carattere viene definito il dogma centrale della biologia 29

30 Il dogma centrale della biologia 30

31 La trascrizione Un concetto cruciale è che le sequenze nucleotidiche definiscono l inizio e la fine del gene e regolano il livello della sintesi di DNA L espressione genica è il processo generale mediante il quale l informazione di un gene viene usata per produrre un prodotto funzionale che determina un carattere 31

32 Segnala il termine della sintesi proteica 32

33 L espressione genica si basa su sequenze nucleotidiche Il filamento che effettivamente viene trascritto si chiama stampo oppure antisenso Il filamento opposto si chiama filamento di senso o codificante La sua sequenza nucleotidica è identica al trascritto di RNA Con l eccezione che al posto della timina si trova l uracile 33

34 L espressione genica si basa su sequenze nucleotidiche I fattori di trascrizione riconoscono il promotore e le sequenze di regolazione che controllano la trascrizione Sequenze di mrna come il sito di legame al ribosoma e i codoni dirigono la traduzione 34

35 Le fasi della trascrizione La trascrizione avviene in tre fasi Inizio Allungamento Terminazione Queste fasi coinvolgono delle interazioni DNAproteine Proteine quali l RNA polimerasi interagiscono con le sequenze di DNA 35

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37 I TRASCRITTI DI RNA (RUOLO DELL mrna) 37

38 I trascritti di RNA hanno diverse funzioni Una volta prodotti, i trascritti giocano ruoli funzionali diversi Ben oltre il 90% dei geni sono geni strutturali che producono un mrna 38

39 I trascritti di RNA hanno diverse funzioni I trascritti di RNA da geni non strutturali non sono tradotti Essi possiedono importanti funzioni cellulari E possono comunque conferire un carattere In alcuni casi il trascritto diviene parte di un complesso proteico Ad esempio Ribosomi Spliceosomi Particelle di riconoscimento del segnale 39

40 Le RNA polimerasi eucariotiche Il DNA nucleare viene trascritto da tre differenti RNA polimerasi La RNA polimerasi I Trascrive i geni dell rrna con l eccezione dell rrna 5S La RNA polimerasi II Trascrive tutti i geni strutturali Ovverosia sintetizza tutti gli mrna Trascrive alcuni snrna La RNA polimerasi III Trascrive tutti i geni dei trna E il gene dell rrna 5S 40

41 I promotori dei geni strutturali eucariotici I promotori eucariotici sono più variabili e più complessi di quelli batterici Nella maggioranza dei promotori dei geni strutturali si trovano perlomeno tre caratteristiche Elementi di regolazione TATA box Sito di inizio della trascrizione 41

42 Di solito A Il promotore centrale è relativamente breve Consiste nel TATA box E importante per determinare il sito preciso di inizio della trascrizione Di per sè il promotore centrale assicura un livello di trascrizione basso Che si definisce trascrizione basale 42

43 Gli elementi di regolazione influenzano il legame dell RNA polimerasi al promotore Ve ne sono di due tipi Gli enhancer Che stimolano la trascrizione I silenziatori Che la inibiscono La loro posizione è estremamente variabile anche se spesso si trovano nelle regioni da 50 a

44 I promotori dei geni strutturali eucariotici I fattori che controllano l espressione genica possono essere divisi in due tipi, in base alla loro posizione Elementi in cis Sequenze di DNA che agiscono solo su un particolare gene Per esempio: TATA box, enhancer, silenziatore Elementi in trans Proteine di regolazione che si legano a queste sequenze di DNA 44

45 Modificazioni dell RNA Al contrario le sequenze codificanti, dette esoni, sono interrotte da sequenze interposte o introni La trascrizione produce l intero prodotto genico Successivamente gli introni sono rimossi Gli esoni sono congiunti Questo fenomeno prende il nome di splicing, un termine inglese che significa giustapporre Si tratta di un fenomeno genetico comune negli eucarioti Che talvolta avviene anche nei batteri 45

46 Quali sono i vantaggi dell esistenza degli introni? Un vantaggio dell organizzazione dei geni in esoni-introni è il fenomeno dello splicing alternativo Un pre-mrna con più introni potrà essere maturato in modi diversi Generando mrna maturi con diverse combinazioni di esoni Queste variazioni possono avvenire in diversi tipi cellulari durante i diversi stadi dello sviluppo 46

47 Quali sono i vantaggi dell esistenza degli introni? Se lo splicing alternativo consente di derivare più polipeptidi da un solo gene allora un organismo può portare un numero inferiore di geni nel proprio genoma 47

48 LA SINTESI PROTEICA E IL CODICE GENETICO 48

49 La traduzione dei codoni dell mrna in sequenza aminoacidica porta alla sintesi proteica Una varietà di componenti cellulari svolgono un ruolo importante nella traduzione Tra questi proteine, RNA e piccole molecole 49

50 Le basi genetiche della sintesi proteica Le proteine sono attivi partecipanti alla struttura e funzione della cellula I geni che codificano i polipeptidi sono detti geni strutturali Essi sono trascritti in RNA messaggero (mrna) La funzione principale del materiale genetico è quella di codificare la produzione delle proteine Nella cellula corretta, al momento giusto, in quantità adeguate 50

51 Il codice genetico La traduzione implica l interpetazione di un linguaggio in un altro In genetica, il linguaggio nucleotidico dell mrna viene tradotto nel linguaggio aminoacidico delle proteine Questo è ciò che si definisce il codice genetico Riferisciti alla Tabella 13.2 L informazione genetica è codificata nell mrna in gruppi di tre nucleotidi detti codoni 51

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53 Codoni speciali: AUG (specifica metionina) = codone di inizio AUG specifica metionina all interno della sequenza codificante UAA, UAG e UGA = codoni di stop (o terminazione) Il codice è degenerato Più di un codone può specificare uno stesso aminoacido Per esempio: GGU, GGC, GGA e GGG codificano tutti per lisina In molti casi la terza base è la base degenerata Talvolta la si definisce base vacillante Il codice è universale Sono state notate solo rare eccezioni Vedi la Tabella

54 Una catena polipeptidica ha una sua direzionalità La sintesi di un polipeptide ha una sua direzionalità parallela all orientamento 5 3 dell mrna Durante ogni ciclo di allungamento, un legame peptidico viene formato tra l ultimo aminoacido della catena polipeptidica e quello che deve essere aggiunto Il primo aminoacido ha un gruppo aminico esposto L estremità N-terminale o amino-terminale L ultimo aminoacido ha un gruppo carbossilico esposto L estremità C-terminale o carbossiterminale 54

55 LE FUNZIONI DELLE PROTEINE 55

56 Le funzioni delle proteine Le caratteristiche delle cellule dipendono dai tipi di proteine che esse producono Le proteine possono svolgere diverse funzioni Elencate nella Tabella

57 57

58 Gli organismi eucarioti regolando i loro geni godono di molti vantaggi Per esempio: Possono rispondere a modificazioni della disponibilità di nutrienti Possono rispondere a condizioni di stress ambientale Nelle piante e negli animali la pluricellularità, e il fatto che la struttura cellulare sia più complessa, richiedono inoltre un livello di regolazione genica più stringente 58

59 LA REGOLAZIONE GENICA 59

60 La regolazione genica è necessaria per assicurare: 1. L espressione dei geni nella modalità corretta durante i vari stadi dello sviluppo e del ciclo vitale Alcuni geni sono espressi sono negli stadi embrionali, altri solo negli stadi adulti 2. Le differenze tra tipi cellulari diversi Cellule muscolari e del sistema nervoso sono così diverse perché ha avuto luogo la regolazione genica 60

61 I fattori che regolano la trascrizione Si chiamano fattori trascrizionali quelle proteine che influenzano la capacità dell RNA polimerasi di trascrivere un determinato gene Li raggruppiamo in due tipi principali: Fattori generali di trascrizione Sono necessari per legare l RNA polimerasi al promotore centrale e per passare alla fase di allungamento Sono necessari per la trascrizione basale Fattori di regolazione della trascrizione Regolano la velocità della trascrizione dei geni adiacenti Influenzano la capacità dell RNA polimerasi di iniziare la trascrizione di un determinato gene 61

62 I fattori di regolazione della trascrizione riconoscono degli elementi di regolazione in cis localizzati vicino al promotore centrale Queste sequenze sono chiamate elementi di controllo Il legame dei fattori di regolazione della trascrizione agli elementi di controllo influenza la trascrizione di un particolare gene adiacente 62

63 Una proteina di regolazione che fa aumentare il tasso della trascrizione si definisce attivatore La sequenza a cui si lega l attivatore è chiamata enhancer Una proteina di regolazione che fa diminuire il tasso della trascrizione si definisce repressore La sequenza a cui si lega il repressore è chiamata sllenziatore Molti geni eucariotici sono regolati da diversi fattori Un fenomeno definito controllo combinatoriale 63

64 64

65 Enhancer e silenziatori Il legame di un fattore di trascrizione a un enhancer fa aumentare il tasso di trascrizione Questa sovraregolazione può essere dell ordine di volte Il legame di un fattore di trascrizione a un silenziatore fa diminuire il tasso di trascrizione Questo effetto si definisce sottoregolazione 65

66 La modulazione dei fattori di regolazione della trascrizione Ci sono tre modi comuni con i quali può essere influenzata la funzione dei fattori di regolazione della trascrizione 1. Il legame a piccoli effettori 2. Le interazioni proteina-proteina 3. Le modificazioni covalenti 66

67 Ora il fattore di trascrizione può legarsi al DNA Formazione di omodimeri o eterodimeri 67

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