Elementi di genetica agraria

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1 Elementi di genetica agraria Obiettivo Il corso si pone l obiettivo di fornire agli studenti elementi di conoscenza della genetica di base e applicata ai fini del miglioramento genetico delle piante erbacee Articolazione e trattazione degli argomenti Genetica di base: : Ereditabilità,, variabilità e codice genetico, trasmissione del materiale ereditario, associazione, scambio e mappe genetiche, interazioni geniche, ereditabilità di caratteri quantitativi Genetica applicata: : struttura genetica delle popolazioni, metodi di miglioramento genetico delle piante erbacee, iscrizione e conservazione delle nuove varietà

2 Esseri viventi o forme di vita Ereditarietà È la caratteristica per la quale il vivente genera discendenze (riproduzione) a lui simili sia nelle forme che nelle funzioni Ricambio Processo con il quale i viventi traggono dal mondo esterno le sostanze con cui edificano il proprio corpo e da cui traggono l energia per il compimento delle loro funzioni; ciò che non viene utilizzato è restituito in genere trasformato all ambiente Il ricambio e l ereditariet ereditarietà sono i due caratteri che distinguono le entità viventi dalle entità non viventi La materia vivente è sempre organizzata in cellule

3 Virus Possibilità di riprodursi = esseri viventi Testa Collo Collare Stilo soltanto all interno di una cellula Fibre della coda

4 Duplicazione dei virus

5 Virus Possibilità di riprodursi = esseri viventi Testa Collo Collare Stilo soltanto all interno di una cellula Fibre della coda Materiale genetico in cerca di una cellula nella quale riprodursi

6 cellula è l unico sistema conosciuto, che essendo capace di autoregolarsi e autoriprodursi, possiede pienamente i caratteri del vivente La cellula Procariotica Eucariotica Cellule batteriche e alghe verdi-azzurre Tutte le altre cellule

7 Cellula procariotica Dimensione (ø): 0,1 6 µm Visibilità: microscopio Forma: diversificata (sferica, bastoncello, etc.) Composta da: Parete cellulare Membrana plasmatica Citoplasma Ribosomi Mesosoma Nucleoide

8 Cellula eucariotica Forma: variabile Composta da: Parete cellulare Membrana plasmatica Citoplasma Mitocondri Reticolo endoplasmatico Ribosomi Apparato del Golgi Lisosomi Centrioli (animali) Plastidi (vegetali) Vacuoli (vegetali) Nucleo circondato da un involucro nucleare Nucleoplasma (o succo nucleare) Acido nucleico + proteine Cromatina Cromosomi (divisione cellulare) Nucleoli

9 Eredità e Materiale ereditario Come si propagano gli esseri viventi? Riproduzione: assicura la continuità della vita e consiste nella formazione di nuovi individui Eredità: individui somiglianti in una certa misura ai genitori e tra di loro Variabilità: individui mostrano, rispetto ai genitori e tra loro, delle differenze più o meno marcate

10 Eredità Organismi pluricellulari: nel processo riproduttivo alcune cellule le si separano dai genitori per dare origine a individui nuovi Riproduzione: Asessuata o Agamica Sessuata o Gamica La singola cellula o il gruppo di cellule destinate alla creazione di nuovi individui sono geneticamente uguali tra loro e uguali al genitore. Essi costituiscono nel loro insieme un Clone o Stirpe clonale DUE cellule riproduttive ben distinte DUE (GAMETI :uovo :spermi) si uniscono in un processo detto FECONDAZIONE per dare origine ad UNA singola cellula chiamata ZIGOTE da cui avrà origine un nuovo individuo

11 Eredità Patrimonio ereditario Gameti Individuo nucleo Informazioni in Codice Mutazione Eredità Modificazione del messaggio

12 Eredità Espressione di un carattere Fattore Genetico Insieme delle informazioni in codice contenute nei nuclei di un individuo costituiscono: Fattore Ambientale Espressione somatica dei caratteri la cui informazione è contenuta nel genotipo GENOTIPO AMBIENTE FENOTIPO

13 Eredità Carattere = Colore del mantello T corporea che inibisce la formazione del pigmento nero dei peli Coniglio imalaiano Eredità possibilità che il sistema di formazione del pigmento reagisca alla T in un determinato modo Grado Fenotipico del Genotipo Ampiezza entro cui il colore del mantello può variare Il gene per il colore nero ha un grado limitato di espressione fenotipica

14 Eredità Carattere = Colore del grasso Conigli selvatici = Grasso bianco Conigli allevati = Grasso giallo Coniglio selvatico Eredità Produzione di un enzima nel fegato capace di scomporre la xantofilla (pigmento giallo contenuto negli alimenti) Fenotipo Produzione di grasso bianco nei conigli allevati quando non alimentati con razione priva di xantofilla 1) Grasso bianco = azione genica 2) Grasso bianco = azione ambientale FENOCOPIE

15 Variabilità VARIABILITA (o diversità): presenza di individui dissimili in una popolazione Variabilità Genetica Variabilità Ambientale Sistema Riproduttivo della specie RIPRODUZIONE AGAMICA CLONE o Stirpe clonale Deriva, direttamente o indirettamente, da parti somatiche di un unico individuo iniziale NON PRESENTA VARIABILITA DI ORIGINE GENETICA SOLTANTO DI ORIGINE AMBIENTALE

16 Variabilità à VARIABILITA (o diversità): presenza di individui dissimili in una popolazione Variabilità Genetica Variabilità Ambientale Sistema Riproduttivo della specie Come viene scambiato il materiale genetico all interno delle popolazioni??????

17 Variabilità Piante ALLOGAME INCROCIO Piante in cui prevale l INCROCIOl La fecondazione di un gamete femminile avviene ad opera di un gamete maschile fornito da un ALTRO individuo AMPIA VARIABILITA FENOTIPICA DETERMINATA SIA DA EFFETTI GENETICI CHE AMBIENTALI

18 Variabilità Piante AUTOGAME Piante in cui prevale l AUTOFECONDAZIONE Il gamete femminile viene fecondato da un gamete maschile fornito dallo STESSO individuo NON GLI INDIVIDUI CHE PROVENGONO DA UN UNICO CAPOSTIPITE NON DIFFERISCONO TRA DI LORO E DALLA PIANTA MADRE DIFFERISCONO LINEA PURA = VARIABILITA AMBIENTALE

19 Variabilità La VARIABILITA è un mezzo che consente agli individui (variabilità ambientale) e alle popolazioni (variabilità genetica) di adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali Perpetuazione della specie Specie: insieme di individui che si possono fecondare liberamente dando progenie illimitatamente feconde

20 Materiale Ereditario Le informazioni genetiche di un individuo sono contenute, in codice,, nel NUCLEO Quali possono essere le sostanze (proteine, lipidi, acidi, ecc.) nelle quali sono scritte queste informazioni?

21 Materiale Ereditario Caratteristiche del materiale ereditario 1) Replicarsi accuratamente durante la crescita e la divisione cellulare 2) Possedere una struttura sufficientemente stabile in modo che i cambiamenti ereditari (mutazioni) avvengano raramente 3) Portare tutta l informazione l biologica 4) Essere capace di trasferire tale informazione a tutte le cellule 1869: Miescher -separazione nucleo citoplasma - acidi nucleici - nucleoproteine = acidi nucleici + proteine

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23 Materiale Ereditario Griffith Batterio della polmonite dei topi; 2 ceppi: S) Smooth = Liscio = Virulenza (capsula di polisaccardi) R) Rough = Ruvido = Non Virulenza Un costituente cellulare (ereditario) era passato dalle cellule S uccise a quelle R vive determinando la loro modificazione in cellule S (trasformazione( batterica)

24 Materiale Ereditario Avery, McLeod e McCarty Estratto Estratto acellulare del ceppo S (pestando i batteri con una sostanza abrasiva) Le progenie del terreno di coltura erano rappresentate dalla maggior parte da cellule di tipo R mentre alcune di esse (1/ ) da tipo S (con capsula) Trasformazione di R in S Principio trasformante contenuto nell estratto estratto S

25 Materiale Ereditario Avery, McLeod e McCarty Acido deossiribonucleico (DNA)

26 Materiale Ereditario 1952 Hershey e Chase Prima della lisi (10 min.) Agitatore Separazione del materiale fagico posto al di fuori della cellula batterica Centrifuga Sedimento batterico ricco in 32 P Sedimento batterico

27 Materiale Ereditario 1952 Fraenkel-Conrat Eredità dei virus legata all acido acido nucleico RNA Mutanti Proteine Acido nucleico Tutti questi esperimenti hanno dimostrato in modo definitivo che gli ACIDI NUCLEICI sono il MATERIALE EREDITARIO

28 Struttura chimica Levene Acidi Nucleici Acidi nucleici (DNA e RNA) Nucleotidi Gruppo fosforico Zucchero pentoso Base azotata DNA (nucleo) RNA (citoplasma)

29 Struttura chimica Acidi Nucleici Basi azotate RNA

30 Acidi Nucleici

31 Struttura chimica Acidi Nucleici Nel DNA e RNA 4 nucleosidi diversi a seconda della base azotata Adenosina Guanosina Citidina Timidina e Uridina Zucchero C1 Purine N9 9 c 1 c 1 1 Zucchero C1 Pirimidine N1

32 Struttura chimica Acidi Nucleici Zucchero C5 Adenosina monofosfato

33 Acidi Nucleici

34 Acidi Nucleici I 4 nucleotidi sono presenti in uguali proporzioni? Rapporto tra Purine e Pirimidine 1:1

35 Acidi Nucleici Molecola di DNA = catena costituita da più di un filamento Catena di diametro di 20 Å caratterizzata da gruppi omogeni ogni 3,4 Å Watson e Crick

36 Acidi Nucleici Due nastri di strutture complementari avvolte ad elica Nastro o filamento = Polinucleotide Il gruppo fosforico di un nucleotide si lega con il C3 dello zucchero dell altro nucleotide (Legame Fosfodiesterico) C5 C5 C3 C3 Basi situate perpendicolarmente all asse dell elica Struttura a doppia elica

37 Acidi Nucleici I due filamenti sono uniti da legami idrogeno specifici tra le basi C3 C3 C5 C5 Struttura a doppia elica

38 Legami idrogeno specifici tra le basi Acidi Nucleici Adenina - Timina 2 legami H Combinazioni A-T T-A C-G G-C Guanina - Citosina 3 legami H

39 Acidi Nucleici Visto le dimensioni molecolari delle basi soltanto questo tipo di appaiamento assicura la formazione di una struttura ad elica regolare (diametro costante)

40 Acidi Nucleici Le basi si susseguono lungo i filamenti in modo complementare (catena polinucleotidica) Zuccheri + Gruppi fosforici sempre uguali NESSUNA INFORMAZIONE GENETICA costituiscono lo scheletro INFORMAZIONE ECLUSIVAMENTE NELLA SEQUENZA DELLE BASI

41 Acidi Nucleici

42 Replicazione del DNA Molecola di DNA: sistema a due filamenti fra loro complementari (es. cerniera) Rottura dei legami H Ciascun nastro può servire da stampo per la formazione di un secondo ad esso complementare I vecchi filamenti si integrano con due nuovi complementari. ESATTA REPLICAZIONE DEL DNA E DELL INFORMAZIONE GENETICA

43 Replicazione del DNA Nastro Vecchio Nastro Nuovo

44 Replicazione del DNA

45 Replicazione del DNA Batterio Escherichia coli (tempo di rigenerazione 20 ) 1958 Meselson e Stahl Coltura in 15 N 14 N Variazioni di densità del DNA dopo centrifugazione semidenso leggeri 15 N denso 15 N + 14 N semidenso 15 N + 14 N semidenso e leggeri

46 Replicazione del DNA: biochimica Kornberg Come avviene la replicazione del DNA????? Realizzazione della prima sintesi di DNA in vitro e scoperta dell enzima che sintetizza il DNA: DNA polimerasi Estratto proteico di E. coli Ioni Mg++ in soluzione DNA batterico 4 deossinucleotidi marcati con 14 C Presenza di enzimi (sintesi DNA) Stampo e innesco per la sintesi di nuove molecole (replicazione semiconservativa) 4 nucleotidi con energia per la sintesi Marcatura radioattiva come etichetta

47 Replicazione del DNA: biochimica Kornberg Deossinucleotidi ATP + Nucleoside = Nucleosidi + 3 gruppi fosfato Deossiribonucleosidi 5 trifosfato -dttp = deossitimidintrifosfato -datp = deossiadenosintrifosfato -dgtp = deossiguanosintrifosfato -dctp = deossicitidintrifosfato

48 Replicazione del DNA: biochimica Kornberg Dopo un periodo di incubazione presenza di molecole di DNA radioattive 1) L estratto L proteico conteneva l enzima l catalizzatore della sintesi: DNA polimerasi 2) Il DNA originario fungeva da stampo 3) La replicazione avveniva soltanto in presenza di tutti e quattro tro i nucleotidi In seguito Kornberg riuscì a replicare interamente e fedelmente il DNA del batteriofago

49 Replicazione del DNA: biochimica Come avviene la replicazione del DNA????? Quale è il meccanismo di azione del DNA polimerasi??? DNA formato da 2 eliche avvolte - Destrorse (senso avvolgimento) - Antiparallele (direzione 5-3 e 3-5 )

50 Replicazione del DNA: biochimica

51 Replicazione del DNA: biochimica Durante la duplicazione del DNA, il doppio filamento è separato attraverso un enzima ELICASI Si origina in questo modo la cosidetta FORCELLA DI REPLICAZIONE

52 Replicazione del DNA: biochimica Ogni filamento di DNA serve come stampo per la sintesi di un nuovo filamento, prodotto grazie alla DNA polimerasi Durante la replicazione del DNA la direzione di sintesi è da 5' a 3 3

53 Replicazione del DNA: biochimica REAZIONE: aggiunta di un nucleoside attivato nel filamento di DNA C5

54 Replicazione del DNA: biochimica La DNA polimerasi è in grado di accrescere la catena polinucleotidica in formazione La in grado di accrescere la catena polinucleotidica in formazione solamente legando un gruppo fosfato in posizione 5 5 di un nucleotide che viene addizionato ad un ossidrile in posizione 3 3 del nucleotide già facente parte della catena Direzione di crescita 5-3 Filamento stampo Direzione di crescita 5-3 DNA polimerasi Nucleotide attivato

55 Replicazione del DNA: biochimica DNA stampo con sintesi di un nuovo filamento in direzione 5' - 3' IL 5' trifosfato può essere aggiunto solo al 3'OH libero del deossiribosio

56 Replicazione del DNA: biochimica I due filamenti antiparalleli vengono replicati simultaneamente in entrambe le direzioni In un filamento (detto leader) ) la sintesi avviene normalmente in modo continuo mentre nell'altro filamento (detto tardivo) ) avviene in modo discontinuo. Replicazione semidiscontinua del DNA continuo,

57 Replicazione del DNA: biochimica I due filamenti antiparalleli vengono replicati simultaneamente in entrambe le direzioni

58 Replicazione del DNA: biochimica Alcune proteine specifiche si associano in modo sequenziale e costituiscono il complesso di pre-innesco innesco..che determinano la denaturazione (separazione dei filamenti della doppia elica) di una porzione di DNA

59 Replicazione del DNA: biochimica Altre particolari proteine stabilizzano i filamenti singoli (single strand banding proteins o SSB)... mentre la proteina enzimatica ELICASI procede nello srotolamento del DNA

60 Replicazione del DNA: biochimica La DNA polimerasi non è in grado di iniziare la sintesi ex novo di catene La di catene polinucleotidiche, ma deve sempre trovare un frammento di catena con un OH libero in posizione 3 3 a cui attaccare il nucleoside successivo... quindi, ha bisogno di un innesco per dare inizio alla sintesi

61 Replicazione del DNA: biochimica In stretta associazione con l elicasi l agisce una seconda proteina enzimatica, la RNA polimerasi capace di sintetizzare un corto filamento di RNA (circa 10 basi) che presenta un -OH libero in posizione 3 3 Primasi o RNA polimerasi d innesco o Primer (circa 10 basi) che presenta un La Primasi è un La un enzima che, al contrario della DNA polimerasi, può iniziare la sintesi di RNA ex novo senza bisogno di innesco direttamente sullo stampo di DNA a filamento singolo Un RNA iniziatore (Primer) viene usato per iniziare un nuovo filamento

62 Replicazione del DNA: biochimica La presenza di un OH libero in posizione 3 3 nell RNA Primer rende possibile La presenza di un l entrata in funzione della DNA polimerasi (o replicasi) La formazione dell innesco si verifica una sola volta per la sintesi continua del filamento leader (5 3 ) ) mentre si verifica molteplici volte nel caso della sintesi discontinua del filamento tardivo

63 Replicazione del DNA: biochimica ritardato sotto Il filamento parentale all'estremità 5' dello stampo produce il filamento ritardato sotto forma di corti tratti di DNA ( nucleotidi negli eucarioti e più lunghi nei procarioti) I frammenti del filamento ritardato sono chiamati frammenti di Okazakis dal nome I frammenti del filamento ritardato sono chiamati dello scopritore, Reiji Okazaki.

64 Replicazione del DNA: biochimica La DNA polimerasi operante nel filamento tardivo si muove insieme e all elicasi e primasi sintetizzando in successione i frammenti di Okazaki La sintesi si blocca quando l DNA l polimerasi incontra un altro RNA primer lungo il filamento La DNA ligasi provvede infine a saldare i frammenti tra loro fino alla costit provvede infine a saldare i frammenti tra loro fino alla costituzione dell intero filamento tardivo

65 Replicazione del DNA: biochimica La Primasi o RNA polimerasi sintetizza un corto filamento di RNA d innesco d o Primer La presenza dell RNA Primer rende possibile l entrata l in funzione della DNA polimerasi (o replicasi) La sintesi si blocca quando l DNA l polimerasi incontra un altro RNA primer lungo il filamento Una volta sintetizzati i frammenti di Okazaki vengono privati dell RNA primer e sostituiti con DNA tramite la DNA polimerasi I (enzima di Kornberg) La DNA ligasi provvede infine a saldare i frammenti La provvede infine a saldare i frammenti tra loro fino alla costituzione dell intero filamento tardivo

66 Mendel Materiale genetico e Caratteri Esistenza di unità ereditarie (geni) preposte al controllo dei singoli caratteri Certi individui che possedevano certi geni manifestavano certi caratteric Materiale ereditario (DNA) e i caratteri non possono collegati in un modo semplice e diretto Una serie di reazioni a catena e di interazioni chimico-ambientali partendo dal materiale ereditario conducono al fenotipo finale UN GENE - UN CARATTERE UN GENE - UN ENZIMA UN GENE UNA CATENA POLIPEPTIDICA

67 Schema semplificato del metabolismo della fenilalanina e della tirosina

68 Analisi del colore dell occhio in Dosophila melanogaster

69 Materiale genetico e Caratteri Come l informazione l genetica contenuta nel DNA sito nel nucleo condiziona la sintesi delle catene polipeptidiche che avviene nel citoplasma

70 Materiale genetico e Caratteri Elementi fondamentali DNA contiene l informazione l genetica L informazione genetica deve essere contenuta nella sequenza delle basi In assenza di DNA (DNA-asi) la sintesi proteica si arresta... se si aggiunge RNA la sintesi ricomincia

71 Materiale genetico e Caratteri Deduzioni RNA è coinvolto nella sintesi proteica La formazione dell RNA dipende dal DNA L RNA, a differenza del DNA, si trova prevalentemente nel citoplasma, in corrispondenza dei ribosomi (RNA + Proteine) Esisterà una molecola che funge da mediatore capace di trasportare l informazione genetica dal DNA del nucleo ai ribosomi nel citoplasma

72 Materiale genetico e Caratteri La sintesi dell RNA è catalizzata da un enzima la RNA polimerasi RNA polimerasi agisce solo in presenza di DNA L RNA dopo la sintesi si trasferisce dal nucleo al citoplasma dove ha luogo la sintesi proteica Trascrizione Traduzione Proteina DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE

73 Materiale genetico e Caratteri Caratteristiche dell RNA - 4 basi azotate: Timina Uracile - nessun rapporto di complementarietà tra le basi (quantità di A U e G C) - struttura a filamento singolo (no doppia elica) Sintesi dell RNA A è tradotta in U (non in T) - RNA polimerasi - DNA stampo (1 filamento) - Ribonucleosidi trifosfati - Ribonucleotidi legati in direzione Ribonucleotidi complementari ai nucleotidi DNA L informazione genetica contenuta nel DNA viene TRASCRITTA nell RNA

74 Materiale genetico e Caratteri L RNA polimerasi non necessita di inneschi: sintesi direzione La trascizione dell RNA avviene lungo un solo filamento di DNA

75 Materiale genetico e Caratteri Trascrizione dell RNA

76 Materiale genetico e Caratteri Esistono 3 differenti tipi di RNA RNA ribosomiale (rrna): Costituente dei ribosomi dove avviene la sintesi proteica RNA messaggero (mrna): Trascrive il messaggio genetico dal DNA e lo trasferisce nel citoplasma nei ribosomi RNA transfer (trna): Traduce il messaggio genetico trasportando gli aminoacidi sui ribosomi dove avviene la sintesi della catena polipeptidica I 3 tipi di RNA sono sintetizzati da 3 differenti RNA polimerasi RNA polimerasi I = rrna (ad alto PM) RNA polimerasi II = mrna RNA polimerasi III = trna e rrna (a basso PM)

77 Materiale genetico e Caratteri RNA ribosomiale (rrna) Costituente dei ribosomi insieme alle proteine (rapporto 2:1) I ribosomi sono costituiti da 2 subunità (80s e 40S negli eucarioti) La subunità 50S: 2 molecole di rrna + 34 proteine specifiche La subunità 30S: 1 molecola di rrna + 21 proteine specifiche Non chiara la funzione specifica nella sintesi proteica

78 Materiale genetico e Caratteri RNA messaggero (mrna) Responsabile del trasporto del messaggio genetico dal nucleo al citoplasma Possiede una parte iniziale (leader) e una finale (trailer) che non vengono tradotte Le molecole di mrna hanno una lunghezza e un peso molecolare variabile da cui dipende la grandezza della catena polipeptidica La molecola di mrna può essere tradotta in una sola catena o in una serie di catene polipeptidiche differenti Una volta tradotta l mrna l viene distrutta e sostituita da altre molecole

79 Materiale genetico e Caratteri RNA transfer (trna) L informazione genetica trascritta nell RNA deve essere tradotta in una sequenza di aminoacidi Come??????? trna funge da molecola adattatrice che ha la capacità di legare un aminoacido specifico e di stabilire legami con l mrnal

80 Materiale genetico e Caratteri RNA transfer (trna) - 80 nucleotidi (basso peso molecolare) - struttura a trifoglio (legami H tra le basi) - 3 lobi e 1 gobba: - mancata complementarietà - presenza di basi diverse (modificazione enzimatica) - Estremità 3 : : sequenza finale CCA - Estremità 5 : : sempre G Trifoglio

81 Materiale genetico e Caratteri RNA transfer (trna) Come si lega ad un amminoacido specifico???? Come riconosce e come si lega all mrna????

82 Materiale genetico e Caratteri RNA transfer (trna) Attivazione dell aminoacido tramite l azione l dell enzima enzima Aminoalcetilsintetasi Aminoacido + ATP = Aminoacido + ATP = Aminoacido~AMP + P~P

83 Materiale genetico e Caratteri RNA transfer (trna) Attivazione dell aminoacido tramite l azione l dell enzima enzima Aminoalcetilsintetasi Aminoacido~AMP + trna = Aminoacido~AMP + trna = Aminoacido~t ~t-rna + AMP Reazione altamente specifica = 20 aminoacidi 20 aminoacetilisintetasi trna

84 Materiale genetico e Caratteri RNA transfer (trna) Ogni molecola di trna deve possedere almeno 2 siti di riconoscimento LOBO 1 Unione con la superficie del ribosoma LOBO 2 Anticodone: specifico per l mrnal LOBO 3 Unione con l aminoacetilsintetasil

85 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri Ad una certa sequenza di nucleotidi nell mrna corrisponde una precisa sequenza di aminoacidi nella catena polipeptidica 4 nucleotidi 20 aminoacidi

86 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri Ad una certa sequenza di nucleotidi nell mrna corrisponde una precisa sequenza di aminoacidi nella catena polipeptidica 4 nucleotidi 20 aminoacidi Codice a lettere singole (4 parole) A G C T Codice a 2 lettere (16 parole) A G C T A AA AG AC AT G GA GG GC GT C CA CG CC CT T TA TG TC TT Codice a 3 lettere (64 parole)

87 IL CODONE DIRIGE L INSERIMENTO L DI UN AMINOACIDO NELLA CATENA POLIPEPTIDICA Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri UNITA D INFORMAZIONE = 3 BASI = 3 NUCLEOTIDI = TRIPLETTA TRIPLETTA DNA = CODOGENO TRIPLETTA trna = ANTICODONE TRIPLETTA mrna = CODONE

88 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri UNITA D INFORMAZIONE = 3 BASI = 3 NUCLEOTIDI = TRIPLETTA

89 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso INIZIO = CODONE AUG = ANTICODONE UAC = METIONINA MODIFICATA IN fmet (N-formilmetionina) Metionina N-formilmetionina No legame peptidico

90 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso INIZIO = CODONE AUG = ANTICODONE UAC = 3 fattori di inizio (IF1,2,3): IF3 si lega con la subunità 30S del ribosoma e poi si lega l mrna Formazione complesso IF2 - trna+fmet Guanosintrifosfato o GTP attraverso la partecipazione del IF1

91 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso Unione della subunità 50S con la 30S per dare origine al ribosoma funzionale così il GTP è idrolizzato e i IF vengono rilasciati

92 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso Sito Peptilico (P) Sito Aminoacilico (A)

93 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso 2 trna Legame peptidico Sito P Sito A Si lega il trna successivo nel sitoa Sito P Sito A Formazione del legame peptidico tra i 2 amminoacidi (peptidiltransferasi sito nella subunità 50S) Sito P Sito A Il ribosoma si muove sull mrna in direzione 5 3 TRASLOCAZIONE (GTP e traslocasi)

94 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso Codone di terminazione (non senso) Sito P

95 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso

96 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri La traduzione deve iniziare e finire in modo preciso

97 Materiale genetico e Caratteri Sinetesi proteica

98 Sintesi proteica Materiale genetico e Caratteri

99 Codice Genetico Materiale genetico e Caratteri Esiste una corrispondenza tra TRIPLETTE e AMINOACIDI CODICE GENETICO 1961 Nirenberg e Mattei Preparazione di un mrna sintetico costituito solo da U Aggiunto ad una miscela con i 20 amminoacidi di cui uno soltanto radioattivo Fenilalanina

100 Codice Genetico Materiale genetico e Caratteri Nirenberg e Mattei dimostrarono certamente l esistenza l di un codice genetico ma non precisarono il n n di nucleotidi che in sequenza costituivano l UNITAl UNITA DI INFORMAZIONE in grado di codificare una amminoacido Crick e collaboratori: dimostrazione che il codice genetico funziona a triplette 1) Mutazione singole (perdita o aggiunta di un nucleotidi nella molecola di DNA) rendono inoperante il messaggio ereditario 2) Doppie mutazioni di tipo opposto (perdita e aggiunta di un nucleotide) possono ristorare o non l attivitl attività del gene 3) La ristorazione avviene solo se i due nucleotidi interessati sono vicini lungo la molecola Aggiunta di 1 nucleotide G CAT-CAT-CAT-CAT-CAT-CAT CAT-CGA-TCA-TCA-TCA-TCA Aggiunta di un altro nucleotide G CAT-CGA-TCA-TCA-TCA-TCA CAT-CGA-TCA-TGC-ATC-ATC- Aggiunta di un altro nucleotide G CAT-CGA-TCA-TGC-ATG-CAT-CAT

101 Codice Genetico Materiale genetico e Caratteri Quali sono le triplette che codificano i singoli amminoacidi??? A cosa servono le altre 44 triplette? (64 combinazione - 20 amminoacidi) 3 triplette non senso = non codificano alcun aminoacido Solo Met e Trp sono codificate da 1 tripletta Molte codificano lo stesso amminoacido (in genere i primi 2 nucleotidi sono identici) Il CODICE GENETICO si dice DEGENERATO perché in esso un aminoacido può essere codificato da più di una tripletta

102 Codice Genetico Materiale genetico e Caratteri Corrispondenza tra CODONE e ANTICODONE Si riteneva che esistessero 64 trna differenti di cui 3 non senso Si notò che alcuni trna potevano riconoscere codoni differenti Inoltre alcuni presentavano una base nell anticodone non classica inosina VACILLAMENTO DELL ANTICODONE ANTICODONE La base azotata all estremit estremità 5 dell anticodone del trna non è spazialmente confinata come le altre 2 ed è per questo in grado di formare legami H con una qualsiasi delle basi del codone (riguarda solo 1 base del codone e dell anticodone) Base dell'anticodone Base del codone G U o C C G A U U A o G I A, U o C

103 Codice Genetico Materiale genetico e Caratteri Il codice genetico viene letto senza SOVRAPPOSIZIONI mrna Es: senza sovrapposizione Es: sovrapposizione Es: altre letture 5 AGCUUAGAC.3 AGC-UUA UUA-GAC AGC-GCU GCU-CUU-UUA-UAG. AGC-UUA UUA-GAC.. GCU-UAG UAG-AC CUU-AGA AGA-C La fase di lettura può cambiare con la conseguenza che una stessa a regione del DNA può codificare per differenti catene polipeptidiche Il codice gentico è UNIVERSALE cioè il codice ed il linguaggio genetico è lo stesso in tutte le specie esistenti sulla terra

104 Materiale genetico e Caratteri Che cosa è un GENE???? Il segmento di della molecola del DNA (tratto continuo di DNA) che c codifica per una catena polipeptidica completa (o per una molecola di RNA) prende il nome di GENE Per potersi esprimere il gene deve essere prima trascritto nel corrispondente mrna il quale viene poi tradotto nel polipeptide In considerazione della quantità di DNA e del n n di proteine sintetizzate si deduce che parte del DNA presente nella cellula non venga espresso in proteinep

105 Materiale genetico e Caratteri Che cosa è un GENE???? Il segmento di della molecola del DNA (tratto continuo di DNA) che c codifica per una catena polipeptidica completa (o per una molecola di RNA) prende il nome di GENE Per potersi esprimere il gene deve essere prima trascritto nel corrispondente mrna il quale viene poi tradotto nel polipeptide In considerazione della quantità di DNA e del n n di proteine sintetizzate si deduce che parte del DNA presente nella cellula non venga espresso in proteinep

106 Colinearità tra i codogeni del DNA e gli amminoacidi nella catena polipeptidica. Un gene nel nel DNA specifica gli amminoacidi di una catena polipeptidica.

107 Materiale genetico e Caratteri Che cosa è un GENE???? Una unità genica di trascrizione consiste di sequenze di DNA che vengono trascritte e di sequenze di DNA che non vengono trascritte; quelle le non trascritte hanno funzione di regolazione. Sequenze non trascritte costituiscono il promore che dirige a RNA A polimerasi sul punto di inizio della trascrizione. Il segnale di inizio è dato da una corta sequenza di basi del DNA nelle regioni del promotore, costituita da sette nucleotidi (pribnow box b TATAATG) per i procarioti e da quattro nucleotidi (TATA box) per gli eucarioti. L m-rna che si ottiene con la trascrizione e di dimensioni superiori rispetto alla sequenza di amminoacidi che verrà tradotta. Il segmento traducibile in amminoacidi (il gene vero e proprio) inizia sempre con AUG (codone start) e termina con tre triplette di terminazione (codoni stop) UAA, UAG, UGA

108 Materiale genetico e Caratteri Che cosa è un GENE???? Negli eucarioti esistono sequenze di bp, a monte o a valle del promotore capaci di modulare in senso positivo (enhancer) o negativo (silencer) la frequenza della trascrizione. Tali basi non codificano proteine. Geni discontinui. Parte del DNA presente nella cellula non viene espresso in proteine Negli eucarioti il DNA viene trascritto nel nucleo in molecole di RNA messaggero precursore che vengono eleborate e ridotte di dimensioni fino a formare l l m- RNA maturo che migra nel citoplasma e viene tradotto in proteine. Il processo di maturazione (accorciamento) può spiegare alcune delle d discrepanze tra la quantità di DNA e quella di RNA messaggero.

109 Materiale genetico e Caratteri Geni discontinui. La scoperta dei geni discontinui porta alla deduzione che parte dei geni corrispondente alle zone non appaiate non compare nell RNA messaggero quindi il gene è discontinuo. FIG 4.12 p73 Le parti del gene che trovano un corrispettivo nell RNA messaggero vengono chiamate esoni,, le altre introni. Durante la maturazione l m-rna l subisce tagli ad opera di enzimi, le sequenze esoniche vengono ricucite e lrna messaggero risulta più corto.

110 Materiale genetico e Caratteri Geni discontinui Una ipotesi vorrebbe che le sequenze di introni funzionino come distanziatrici degli esoni e aumenterebbero la frequenza delle mutazioni presenti negli esoni cuciti successivamente a formare un gene. Regolazione dell espressione espressione genica L espressione del gene è regolata da meccanismi dipendenti sia dal controllo genetico interno che dall ambiente ambiente esterno alla cellula (fattori induttori e inducili). Il prodotto terminale del gene è regolato dall azione azione di enzimi chiamati reprimibili la cui attività diminuisce in presenza dei loro metaboliti terminali chiamati correpressori.

111 Materiale genetico e Caratteri Regolazione dell espressione espressione genica I geni della sintesi proteica sono soggetti ad azione di altri geni g chiamati regolatori. I sistemi inducibili, quando i geni regolatori hanno subito una mutazione non sono più in grado di codificare repressori funzionali nei sistemi inducibili e producono proteine anche quando non c e c e ne bisogno

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