CAP.8 Concetti relativi a riproduzione ed ereditarietà; DNA e geni, codice genetico, duplicazione del DNA, sintesi delle proteine.

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1 CAP.8 Concetti relativi a riproduzione ed ereditarietà; DNA e geni, codice genetico, duplicazione del DNA, sintesi delle proteine. 8.1 LA RIPRODUZIONE La riproduzione è il processo con cui la specie si perpetua, permettendo la generazione di nuovi discendenti. È un processo necessario non per la sopravvivenza dell individuo, ma per la specie. Consiste nella generazione di un nuovo individuo a partire da uno o da due genitori. Negli organismi unicellulari la riproduzione dell individuo coincide con la divisione cellulare (la cellula madre scompare, dividendosi nelle due cellule figlie e dando quindi origine a due nuovi individui). Negli organismi pluricellulari la riproduzione dell individuo non coincide con la divisione cellulare. LA RIPRODUZIONE NEGLI ORGANISMI EUCARIOTI PLURICELLULARI Esistono due forme di riproduzione: 1) RIPRODUZIONE ASESSUATA O AGAMICA O MOLTIPLICAZIONE VEGETATIVA Per generare un nuovo individuo è sufficiente che una o più cellule (talvolta organizzate in strutture particolari, come i bulbi, gli stoloni, ecc.) si stacchino dall organismo genitore e inizino una serie di divisioni cellulari (non è necessaria la fusione delle cellule sessuali). Gli organismi producono altri individui uguali a loro senza la partecipazione di un partner, di gameti o di fecondazione. Poiché non avviene né la meiosi, né la fecondazione, l individuo trasmette il suo corredo cromosomico inalterato attraverso divisioni mitotiche delle cellule e vengono prodotti discendenti che sono geneticamente identici (cloni). Le cellule figlie sono identiche alla cellula madre. Tale tipo di riproduzione può avvenire con diverse modalità (scissione, gemmazione ) Questa strategia non favorisce la variabilità genetica e quindi diminuisce la capacità di adattamento alle variazioni ambientali, tuttavia può essere vantaggiosa quando è necessario che una popolazione si affermi velocemente in un ambiente (difficile o particolarmente instabile, o a cui i genitori sono già ben adattati). Questo tipo di riproduzione può avvenire in animali poco evoluti come nei polipi e nei platelminti. Nelle piante si possono avere diverse tipologie di riproduzione asessuata: - per FRAMMENTAZIONE DEL CORPO VEGETALE (tallo, fusti, stoloni, tuberi, rizomi..) 1

2 - per produzione di BULBILLI E PROPAGULI - per APOMISSIA (si producono dei nuovi individui senza che ci sia stata la fusione delle cellule sessuali, quindi hanno solo il corredo cromosomico materno). E poco diffusa negli animali, più comune nei vegetali, in Alghe, Briofite e Pteridofite, ma si mantiene anche nelle Gimnosperme e soprattutto nelle Angiosperme. 2) RIPRODUZIONE SESSUATA O GAMICA Coinvolge due genitori ciascuno dei quali produce GAMETI (uova o spermatozoi) o CELLULE SESSUALI o CELLULE GERMINALI, cellule specifiche per la riproduzione dalla cui fusione si genera un nuovo individuo. La sessualità è lo scambio di materiale genetico tra due organismi; è ciò che consente la variazione del corredo cromosomico della cellula, e quindi garantisce la possibilità di casuali cambiamenti che, se favorevoli, possono affermarsi consentendo l evoluzione della specie. Gamos significa nozze, in greco, quindi la riproduzione gamica è quella che comporta l unione tra due cellule. In genere i gameti sono prodotti in organi specializzati che negli animali si chiamano GONADI (in greco = generazione); nei vegetali la denominazione cambia a seconda dei gruppi sistematici. Possono provenire dalla stesso individuo o da individui diversi; in quest ultimo caso, il nuovo individuo può ereditare caratteri di entrambe i genitori, e ha un patrimonio genetico che non è identico a quello di nessuno dei due. I gameti da soli non sono capaci di generare un nuovo individuo, ma devono fondersi 2 gameti di sesso opposto, attraverso la FECONDAZIONE. Solo gameti di sesso opposto possono fondersi. Dalla fusione dei nuclei dei due gameti si origina una nuova cellula, lo ZIGOTE, da cui, con una serie di mitosi successive, si svilupperà il nuovo individuo. Negli animali si possono avere due tipi i riproduzione sessuale: quella biparentale o anfigonica che coinvolge due genitori ciascuno dei quali produce cellule sessuali o gameti (uova e spermi o spermatozoi), o quella partenogenetica, dove la madre produce gameti femminili, uova, che danno origine a individui, maschi, femmine o di entrambi i sessi, senza l intervento del gamete maschile. 2

3 8.2 DNA, Geni e Codice genetico. LA CROMATINA: è costituita da acidi nucleici e istoni, ed è la forma despiralizzata di organizzazione del DNA durante l interfase, cioè nel periodo in cui la cellula non è in divisione. Quando la cellula è pronta a dividersi, il materiale genico si duplica e, durante la divisione cellulare, i filamenti di cromatina vengono impacchettati per formare i cromosomi. CROMOSOMI (Fig.8.1): sono strutture nelle quali il materiale genetico (DNA) di un organismo è organizzato e compattato, visibili, con determinati coloranti, in particolari fasi del ciclo cellulare (mitosi e meiosi), vale a dire in prossimità e durante la divisione cellulare. Queste sono formazioni bastoncellari costituite ognuna da una molecola di DNA e da proteine che raggiungono il massimo grado di spiralizzazione, e quindi la massima visibilità al microscopio ottico, nella metafase, fase centrale della divisione cellulare. Ogni cromosoma è costituito da due bastoncelli identici derivati dalla duplicazione del DNA, detti perciò cromatidi fratelli. Questi sono tenuti insieme in un punto più sottile del cromosoma detto costrizione primaria o centromero che può occupare una posizione variabile; se è perfettamente centrale, si parla di cromosomi metacentrici, se è decentrata i cromosomi sono definiti acrocentrici, se, infine, il centromero è posto nella porzione terminale del cromosoma, questo è detto telocentrico. Il centromero non è solo un carattere morfologico, ma rappresenta il sito di attacco alle fibre del fuso durante la divisione cellulare; questo aggancio avviene grazie ad una piastra proteica chiamata cinetocoro. Alcuni specifici cromosomi presentano una costrizione secondaria che è la sede della NOR (nucleolar organizer region = regione organizzatrice del nucleolo), a livello della quale si trovano i geni responsabili della sintesi dell RNA ribosomiale che avviene proprio a livello del nucleolo. 3

4 Fig.8.1 Impacchettamento del DNA nei nucleosomi (da Brum et al., 2000) - Ogni specie ha un numero caratteristico di cromosomi (uomo = 46 cromosomi)( Fig. 8.2), costituiti, oltre che da DNA, da proteine legate (ISTONI). Fig Il nucleo di un globulo bianco del sangue umano contiene 46 cromosomi (da Postlethwait et al., 1993). 4

5 GENE: è un tratto di DNA che codifica per una proteina, cioè contiene le informazioni necessarie per un determinato carattere (carattere: statura, colore del fiore, superficie semi). Normalmente ogni gene è presente in due esemplari che stanno su due cromosomi distinti, uno derivante dal padre, uno dalla madre. ALLELI: sono forme alternative dello stesso gene. Il gene che presiede alla formazione dei capelli può contenere l informazione per: - capelli lisci - capelli ondulati - capelli crespi Alleli = forme alternative per il carattere tipi di capelli ; è un tratto di DNA Gli alleli a livello del DNA presentano una sequenza identica di nucleotidi, ma differiscono tra loro solo per uno o pochi nucleotidi rispetto alle migliaia che costituiscono il gene. Gli organismi possono essere: OMOZIGOTE: l individuo porta due alleli identici per un carattere. ETEROZIGOTE: l individuo porta due alleli differenti per un determinato carattere. IL CODICE GENETICO Il DNA contiene in codice le informazioni riguardanti la sequenza di amminoacidi che andranno a costituire le proteine dell organismo. La sequenza di amminoacidi di una proteina è codificata nel DNA sotto forma di sequenza di basi. Ogni amminoacido è indicato attraverso la sequenza di tre basi del DNA ( questa sequenza è anche chiamata tripletta o codone). Perché ogni amminoacido è indicato attraverso tre basi? Dato che sono stati identificati 20 amminoacidi e, dato che questa codifica deve essere fatta con un alfabeto di 4 lettere (corrispondenti alle 4 basi). come possono essere fatte 20 parole diverse di identificazione, in modo che ogni parola contenga il minor numero possibile di lettere? Se il codice fosse fatto di parole di una sola lettera, allora un alfabeto di quattro lettere A-B-C-D può dare solo quattro significati diversi. Se il codice fosse fatto di parole di due lettere, posso avere 16 combinazioni: AA AB - AC - AD BB BA BC BD 5

6 CC CD - CA CB DD - DA DB DC Combinazioni: 4 2 = 16 Se il codice fosse fatto di 3 lettere ABC ACD ADB. allora posso avere 4 3 = 64 combinazioni diverse. Il codice genetico (Fig.8.3) indica ogni amminoacido per mezzo di una sequenza di tre lettere, cioè tre basi azotate adiacenti. Le triplette del codice genetico sono in tutto 64, di cui tre vengono usate per segnare la fine di una catena polipeptidica in costruzione; un altro codone costituisce la tripletta d inizio. Alcune delle 64 triplette indicano lo stesso amminoacido (sono sinonimi), vedi figura sotto. Fig.8.3 Il codice genetico (da Brum et al., 2000). 6

7 8.3 La duplicazione del DNA La duplicazione è il processo tramite il quale vengono prodotte due copie identiche di una doppia elica di DNA. Prima che una qualunque cellula si divida per dare origine a due nuove cellule, è necessario che tutto il DNA in essa contenuto venga duplicato, in modo da avere, dopo la divisione cellulare, 2 cellule identiche a quella di partenza. Questo processo deve svolgersi con un'estrema precisione; dal momento che i singoli geni sono dati da sequenze specifiche di basi azotate. Se la nuova cellula deve essere in grado di svolgere le stesse mansioni della «madre» che l ha generata, deve possedere gli stessi geni e, quindi, l identica sequenza di basi azotate. Nella doppia elica è evidente la stretta relazione tra struttura e funzione. L architettura molecolare del DNA determina, infatti, il meccanismo di replicazione della molecola. Il processo, sebbene complesso, richiede un tempo relativamente breve. Basti pensare che il batterio Escherichia coli, che ha un unica molecola di DNA lunga circa kb, impiega 30 a duplicare il suo materiale genetico. Nell uomo ogni cellula contiene 46 molecole di DNA che, nel complesso, misurano 3 milioni di kb. Sono necessarie poche ore per duplicare tutto questo materiale genetico, e la percentuale di errore è di circa uno ogni miliardo di nucleotidi. Nelle piante, infine, il processo procede ad una velocità media di 8 micrometri all ora. 7

8 Fasi della duplicazione o replicazione del DNA Fig.8.4 Replicazione del DNA (da Mitchell et al., 1996). La duplicazione del DNA inizia in siti particolari della molecola detti punti di origine della replicazione (fig. 8.4), a livello dei quali la doppia elica si despiralizza formando delle «bolle» replicative, per poi procedere bidirezionalmente, cioè con forcine di replicazione che avanzano in entrambe le direzioni. In E. coli esiste un'unica sequenza a livello della quale si forma il sito di replicazione, mentre nei genomi più lunghi e complessi esistono diversi siti di replicazione lungo i filamenti di DNA in modo tale che la sintesi avvenga contemporaneamente in più punti e possa svolgersi con notevole velocità. Il processo si considera ultimato quando le bolle di replicazione poste lungo la molecola vengono a contatto le une con le altre. 8

9 Nei punti di origine entrano in funzione particolari proteine di attivazione oltre ad alcuni enzimi, noti come elicasi, che spezzano i ponti di idrogeno che legano le basi appaiate; in tal modo la doppia elica si despiralizza e si apre permettendo ai due filamenti polinucleotidici di fungere da stampo per la formazione delle due nuove molecole. Fig.8.5 Replicazione del DNA (da Brum et al., 2000). La duplicazione del DNA è detta semiconservativa proprio perchè le due molecole che si formano sono composte da un filamento appartenente alla vecchia molecola e da un filamento neoformato. Man mano che i filamenti dell'elica si separano, le topoisomerasi entrano in funzione per impedire che le porzioni adiacenti si superavvolgano. L'effettiva sintesi del nuovo filamento è catalizzata dalla DNA-polimerasi, che lega tra di loro i singoli nucleotidi. Questi giungono sul sito di replicazione sotto forma di nucleotidi-trifosfati e, durante la reazione di polimerizzazione, 9

10 eliminano due radicali fosforici liberando così l'energia necessaria alla reazione. A livello del sito di replicazione la molecola assume una struttura a Y detta forcella (o forca) di replicazione, che si allarga in corrispondenza della base della Y man mano che la duplicazione procede. La velocità di allungamento è di circa 500 nucleotidi al secondo nei batteri e di 50 al secondo nelle cellule umane. Dato che l enzima DNA polimerasi non è in grado di iniziare un nuovo filamento complementare di DNA, ma solo di prolungare un filamento che c è già sulla base di un filamento stampo, allora RNA polimerasi sintetizza un filamento di RNA lungo circa trenta paia di basi complementare ad una certa regione del filamento stampo di DNA chiamato PRIMER. La DNA-polimerasi agisce solo in direzione 5'? 3' in quanto è in grado di legare nucleotidi solo all estremità libera in 3 del filamento di DNA in fase di formazione. Quindi, a causa della disposizione antiparallela dei due filamenti che costituiscono la doppia elica, solo il filamento 3'? 5' viene replicato ininterrottamente ed è perciò detto filamento guida o veloce (filamento leading) (Fig.8.6). Man mano che la forcella replicativa si allunga, la polimerasi può continuare senza interruzione a legare i nucleotidi del nuovo filamento. Per quanto riguarda l'altra emimolecola, la polimerasi mette insieme piccoli segmenti, sempre in direzione 5'? 3'. I frammenti sono lunghi bp nei batteri e bp negli eucarioti. Quando la forcella si allunga, infatti, poichè il processo avviene in direzione inversa a quella in cui l enzima agisce, si realizza un meccanismo simile a quello della cucitura con la tecnica del «punto indietro». Successivamente interviene una ligasi che unisce questi frammenti detti frammenti di Okazaki, dal nome del ricercatore che li osservò per primo. Questo secondo filamento neosintetizzato è detto filamento in ritardo o lento (filamento lagging) (Fig.8.6). Fig.8.6 Replicazione del DNA (modif. da Brum et al., 2000). Uno degli aspetti più sorprendenti della replicazione del DNA è la sua accuratezza. La polimerasi ha, infatti, la capacità di "rivedere" il suo operato e di correggere gli eventuali errori; se 10

11 nel filamento in fase di sintesi si aggiunge un nucleotide che non è complementare a quello della molecola stampo, la polimerasi arresta la sua opera di polimerizzazione e, rifacendo il cammino a ritroso, è in grado di staccare il nucleotide errato. Questo processo, di estrema importanza al fine dell'esatta trasmissione dei caratteri ereditari di cellula in cellula, è detto proofreading (lettura di prova). Come si è detto il DNA porta e trasmette le informazioni genetiche, che consistono nella sequenza di basi azotate. Poichè il numero di basi appaiate in una molecola di DNA varia da 5000, per i virus più semplici, a 3 miliardi nel genoma umano, le variazioni possibili sono davvero infinite. Questo spiega l'enorme diversità degli esseri viventi. SINTESI DELLE PROTEINE Fig.8.7 Schema generale della sintesi delle proteine (Longo e Longo, 1989). È il processo che porta alla formazione delle proteine partendo da informazioni memorizzate nel DNA. L informazione contenuta nel DNA del nucleo (Fig.8.7, 8.8 e 8.9) viene ricopiata su molecole di mrna (RNA messaggero) attraverso un processo di TRASCRIZIONE. La trascrizione è un processo basato sulla complementarietà delle basi (ad una base di adenina del DNA corrisponde l uracile sull RNA e ad una base di citosina del DNA corrisponde la guanina. 11

12 - Fig.8.8 Schema generale della sintesi delle proteine (Brum et al., 2000). Fig.8.9 Meccanismo della trascrizione (da Brum. et al., 2000) Nel nucleo le due catene (filamenti) di DNA si separano ed una sola viene trascritta. Intervengono enzimi detti RNA polimerasi, che separano i 2 filamenti del DNA e uniscono i nucleotidi che formeranno l mrna e quindi si appaiano complementarmente sul filamento senso o significativo, che presenta la sequenza adatta per la sintesi della proteina, cioè quella stabilita dal gene da trascrivere. 12

13 La cellula è in grado di produrre tanti mrna quante sono le proteine specifiche e necessarie alla cellula e all organismo, sintetizzandoli al momento del bisogno. L mrna, una volta sintetizzato, esce dal nucleo attraverso i pori dell involucro nucleare e si porta sui ribosomi, a cui si lega. Per costruire una proteina, gli amminoacidi, derivanti dagli alimenti e trasportati dai liquidi circolatori (es. sangue) alle singole cellule, si legano in fila secondo un ordine stabilito dall RNA messaggero attraverso le triplette che lo costituiscono. Dato che tra amminoacidi e triplette non esiste affinità chimica, le cellule producono molecole mediatrici, dette trna (RNA transfert o di trasferimento)(fig.8.10), specifiche per ciascun tipo di amminoacido, che con una parte (anticodone) riconoscono specificatamente una determinata tripletta dell mrna e con un altra l amminoacido corrispondente, a cui si legano. Fig.8.10 Modello di RNA transfert o di trasporto (da Mitchell et al., 1996) Un estremo di ciascuna molecola di trna contiene infatti una sequenza di tre nucleotidi (anticodone), le cui basi azotate possono legarsi a basi complementari presenti nei codoni dell mrna. Il trna si lega all mrna con ponti idrogeno tra le basi. - Il codone è una tripletta di nucleotidi dell mrna che codifica per uno specifico amminoacido. 13

14 - L anticodone è una tripletta di nucleotidi di trna che riconosce un codone dell mrna. Ogni differente molecola di trna si lega con un amminoacido specifico grazie ad enzimi, come la trna sintetasi, che riconoscono sia un determinato trna sia l amminoacido corrispondente e li legano insieme. I complessi trna- amminoacido si attaccano in punti specifici dell mrna ( determinati dal codice genetico). Fig.8.11 Ribosoma (da Brum et al., 2000) Un ribosoma funzionante (Fig. 8.11) è costituito da una subunità grande e una subunità piccola che si assemblano a partire dall inizio della sintesi del polipeptide e si staccano quando la sintesi è stata completata. I ribosomi assemblati (Fig. 8.12) scorrono lungo la molecola di mrna contenuta nel solco tra le due unità e ne leggono via via i codoni, cominciando dalla tripletta che costituisce il segnale d inizio; ad ogni tripletta tradotta il ribosoma aggiunge, attraverso l allineamento dei trna, un amminoacido al polipeptide che si va formando e che viene assemblato attraverso enzimi specifici. 14

15 Fig Ribosomi su cui avviene la traduzione (da Postlethwait et al., 1993) I trna che hanno lasciato il loro amminoacido unito al ribosoma si staccano da esso e possono essere riutilizzati. Solitamente diversi ribosomi traducono la stessa molecola di mrna, entrando in azione uno dopo l altro e formando una catena detta poliribosoma; in questo modo si formano varie molecole del polipeptide richiesto. Gli amminoacidi si uniscono fra loro tramite legami peptidici (O=C-N-H); che si formano per condensazione, con l eliminazione di una molecola di acqua da due amminoacidi contigui. Giunta al codone d arresto la catena di amminoacidi si stacca e forma la proteina. 15