Riprendiamo ora il cosiddetto dogma centrale della biologia: dal gene alla proteina

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1 Riprendiamo ora il cosiddetto dogma centrale della biologia: dal gene alla proteina trascrizione traduzione

2 L mrna lascia il nucleo e si posiziona sugli organelli chiamati ribosomi, contenenti rrna Trascrizione del DNA nell mrna Scorrendo sui ribosomi l mrnafa da stampo ai trna che trasportano gli aminoacidi, i quali legandosi tra di loro danno origine alle proteine

3 Prima fase: il tratto di DNA che costituisce il gene viene trascritto (fa da stampo) in un acido nucleico a singolo filamento, complementare al DNA: l mrna (ci sono nella cellula 3 diversi RNA, che differiscono dal DNA per il ribosio anziché il deossiribosio nello scheletro e con l Uracile quale base azotata anziché la Timina). L mrnatrasferisce l informazione genetica contenuta nel DNA dal nucleo al citoplasma della cellula, dove avviene la sintesi delle proteine.

4 Seconda fase: l informazione contenuta nell mrnaviene tradotta in proteina nel citoplasma della cellula rrna: ribosomiale. Forma i ribosomi, organelli del citoplasma della cellula, sui quali scorre l RNA messaggero per consentirne la lettura e dare luogo alla sintesi delle proteine. In rosso: mrna In viola: ribosomi In verde: proteine in formazione e una già terminata

5 trna: transfer. E il terzo RNA. Ci sono diversi trna: ciascuno lega uno specifico aminoacido e ha una specifica serie di 3 basi azotate complementari a tre basi azotate dell mrna.il susseguirsi dei trnaspecifici lungo il filamento di mrnapermette di legare tra di loro gli amminoacidi, formando così una proteina specifica in funzione della sequenza di basi che formano l RNA messaggero (a sua volta complementare al DNA trascritto).

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7 Come viene letto il DNA per far si che ad ogni gene corrisponda una e una sola proteina specifica? Viene letto in sequenze di tre basi azotate chiamate triplette: ad ogni tripletta del DNA corrisponde un aminoacido specifico. Le triplette dell mrna(complementari a quelle del DNA) prendono il nome di codoni e vengono lette dalle triplette portate dai trna, chiamate anticodoni Ad ogni codone, formato da 3 basi dell mrnacomplementari alle triplette del DNA, corrisponde un aminoacido specifico portato dal trnacon tripletta (anticodone) complementare al codone

8 Il Codice Genetico: le 4 basi azotate del DNA (Adenina, Timina, Guanina, Citosina) combinate in gruppi di 3 danno 64 combinazioni, quindi sufficienti per selezionare 20 aminoacidi. Più triplette possono essere specifiche per lo stesso amminoacido (codice degenerato ), altre sono non senso e fermano la sintesi delle proteine (triplette STOP). Qui sotto sono riportate le triplette dell mrna, chiamate codoni, complementari a quelle del DNA. Al posto della Timina l RNA ha l Uracile U

9 i20 aminoacidi (o amminoacidi) e le proteine Cerchiati di verde: gli 8 aminoacidi che nell uomo non vengono sintetizzati, quindi devono essere introdotti con il cibo

10 Sintesi delle proteine Aminoacido singolo 2 aminoacidi legati Proteina con più aminoacidi

11 Una volta sintetizzate le proteine prendono una loro forma spaziale in funzione degli amminoacidi che le formano Struttura secondaria: forma dovuta a legami deboli tra gli aminoacidi della struttura primaria della proteina = la sequenza di aminoacidi della proteina Struttura terziaria: data dai legami tra gli atomi di zolfo (ponti disolfuro) contenuti in 2 dei 20 aminoacidi. Nella permanente i ponti disolfuro vengono aperti, i capelli rimodellati nella forma voluta e quindi si ricreano i ponti disolfuro in nuova posizione, tenendo così i capelli permanentemente nella nuova forma Struttura quaternaria: data da più catene proteiche associate (es. l emoglobina, formata da 4 catene proteiche, uguali a due a due, chiamate catene α e catene β).

12 In sintesi: ogni gene nel DNA viene trascritto in uno specifico mrna che migra nel citoplasma e a livello dei ribosomi, costituiti da rrna, viene tradotto dai trnain proteina (ogni 3 basi = 1 aminoacido specifico)

13 Regolazione dell espressione genica nei batteri Scoperta da Jacob & Monod, 1961 In presenza di lattosio i batteri sintetizzano enzimi che ne permettono l utilizzo per il proprio metabolismo, tra cui l enzima che lo scinde negli zuccheri semplici, il glucosio e il galattosio, In assenza di lattosio gli enzimi non servono, infatti non vengono sintetizzati. Come vengono silenziati i geni che codificano per tali enzimi e come vengono attivati in presenza di lattosio?

14 Regolazione dell espressione genica nei batteri Quando presente, il lattosio si lega a un repressore, impedendogli di legarsi al DNA. Permette così l espressione dei geni deputati alla sintesi degli enzimi che metabolizzano il lattosio. L assenza di lattosio consente al repressore, ora libero, di legarsi al DNA e di inibire i geni responsabili della sintesi degli enzimi, non più necessari se manca il lattosio da metabolizzare.

15 Espressione genica.controllo da feedback (retroazione) negativo e positivo: la presenza del composto inibisce l espressione genica (es. qui sotto) oppure l attiva (es. il metabolismo del lattosio nella slide precedente) Feedback negativo: esempio la sintesi dell aminoacido triptofano (uno dei 20 aminoacidi indispensabili per la formazione delle proteine) nei batteri. Quando il triptofano è presente nella cellula si unisce a un repressore che così attivato si lega al DNA ed inibisce l espressione dei geni per la sintesi dell aminoacido. Quando manca il triptofano, il repressore non più legato all aminoacido diventa inattivo, non si lega al DNA e quindi non può più inibire l espressione genica, permettendo ai geni di trascrivere le informazioni per la produzione degli enzimi che sintetizzano il triptofano. E l opposto del feedback positivo del lattosio, dove la presenza del lattosio attiva l espressione genica di enzimi mentre la sua assenza la inibisce.

16 Feedback ormonale Gli ormoni possono agire direttamente sul DNA (es. ormone della tiroide), oppure si legano a recettori presenti nel citoplasma per poi legarsi al DNA (es. ormoni steroidei) o a recettori presenti sulla membrana cellulare che danno origine ad una serie di eventi chimico-fisici nella cellula. (es. insulina). Data la loro importanza nell organismo, la sintesi degli ormoni è regolata da complessi meccanismi di feedback. Unormoneè un messaggerochimicoche trasmettesegnalida un gruppo di cellule (ghiandole) a un altro gruppo di cellule. Viene prodotto con il compito di modulare il metabolismo e/o l'attività di tessuti e organi dell'organismo.

17 Esempio di feedback ormonale: la tiroxina, l ormone della tiroide Se la concentrazione di tiroxina nel sangue scende sotto il livello ottimale, l ipofisi (ghiandola endocrina situata alla base della scatola cranica) produce l ormone tireostimolanteche stimola la tiroide a produrre tiroxina. All opposto, se la concentrazione di Tiroxina è troppo elevata, viene inibita la produzione di ormone tireostimolanteda parte dell ipofisi e conseguentemente la tiroide cessa la produzione di tiroxina

18 Feedback positivo e negativo da metabolita: il glucosio (zucchero) La presenza di elevati livelli di glucosio nel sangue (iperglicemia) stimola la produzione di insulinache agisce facendo entrare il glucosio nelle cellule, quindi togliendolo dal sangue. La presenza di livelli bassi di glucosio nel sangue (ipoglicemia) stimola la produzione di glucagoneche fa riversare nel sangue il glucosio contenuto nelle cellule epatiche (iqui mmagazzinato sotto forma di glicogeno) Insulina: ormone che permette l entrata del glucosio nelle cellule (e quindi lo toglie dal sangue) Glucagone: ormone che rilascia il glucosio nel sangue (opposto all insulina) Glicogeno: formato da catene di glucosio, è la riserva di energia dell organismo. All occorrenza rilascia molecole di glucosio Viene stivato soprattutto nel fegato (è l equivalente dell amido nei vegetali). Isole di Langerhans nel pancreas: producono insulina (cellule beta) e glucagone(cellule alfa)

19 Modo d azione dell insulina: l ormone viene prodotto dal pancreas e trasportato dal sangue verso le cellule bersaglio (principalmente muscoli e fegato). Qui l insulina si lega a recettori specifici presenti sulla membrana cellulare. Il complesso ormone-recettore avvia una serie di eventi che porta all apertura di canali nella membrana cellulare che permettono l ingresso del glucosio nella cellula e quindi il suo metabolismo immediato per produrre energia oppure l immagazzinamento sotto forma di glicogeno e la trasformazione in grassi,se la produzione di glicogeno è già ottimale. Nel diabete di tipo 1 (insulina dipendente) viene a mancare la produzione di insulina, quindi questa può e deve essere somministrata ai pazienti. Nel diabete di tipo 2 (insulina indipendente) non manca l insulina nel sangue ma sono i recettori cellulari che diminuiscono la loro capacità di legarsi all insulina, diventano meno sensibili alla sua presenza, quindi viene ad attenuarsi il processo che porta all ingresso del glucosio nella cellula. Il paradosso è che, percependo una bassa concentrazione di insulina nonostante la sua presenza, si avvia un meccanismo di feedback che stimola il pancreas a produrre ulteriore insulina, aumentando ancor di più e inutilmente la concentrazione dell ormone nel sangue.

20 Nuovo capitolo: BATTERI e VIRUS I batterisono organismi procarioti, cioè le loro cellule non hanno un nucleo in cui è contenuto il DNA, a differenza degli organismi superiori, chiamati eucarioti. Il DNA batterico è costituito da un unica grande molecola circolare dispersa nel citoplasma cellulare. Inoltre I batteri contengono delle piccole molecole circolari di DNA chiamate plasmidi. Tali plasmidi sono molto importanti sia per lo scambio di materiale genetico tra batteri (es. i geni per la resistenza agli antibiotici) che per il loro utilizzo nell inserimento di geni negli OGM. Questi argomenti verranno ripresi nella lezione 4

21 Struttura generalizzata di un virus VIRUS: costituiti da acidi nucleici (DNA o RNA) rivestiti da un involucro costituito principalmente da proteine (sono queste molecole di rivestimento che generano la produzione di anticorpi negli organismi infettati. Vengono inoltre utilizzate nelle vaccinazioni, senza dover iniettare virus integri). I virus sono parassiti obbligati delle cellule di esseri viventi: utilizzano gli enzimi e gli organellidella cellula per riprodursi, portando alla morte (lisi) le cellule infettate Struttura di un batteriofago, cioè di un virus che infetta i batteri Struttura complessa del virus Mosaico del Tabacco che infetta alcune piante Ciclo virale

22 Non sempre i virus portano le cellule ad una morte veloce. Possono anche integrarsi nel DNA dell ospite trasformando le cellule da normali a cancerogene oppure possono persistere nella cellula manifestandosi solo in tempi successivi (esempio Herpes labiale)

23 L acido nucleico dei virus, contenente l informazione genetica per la loro replicazione, può essere il DNA o l RNA, diversamente dai batteri e dagli organismi superiori in cui il genoma è costituito solo da DNA.

24 Herpes simplex HSV (virus a DNA) Il virus dell Herpes simplex (labiale) infetta le cellule epiteliali nell infezione primaria (la prima infezione del virus in un individuo). I virus così prodotti penetrano nei neuroni e vanno a installarsi nei gangli facciali del nervo trigemino, dando luogo a una infezione latente che non si manifesta finché un fattore di stress (raggi UV, raffreddore, stress fisici) non causano una migrazione del virus dai neuroni alle cellule della cute facciale, soprattutto delle mucose labiali, dove si replicano distruggendo le cellule infettate. Il ciclo si potrà ripetere per l intera vita dell individuo portatore del virus.

25 Virus dell influenza: a RNA semplice Una volta penetrato nelle cellule il virus si replica: il suo RNA contiene l informazione genetica sia per la produzione delle molecole di rivestimento del virus che per la sintesi di nuovo RNA. Il rivestimento e l RNA si assemblano a formare nuovi virus che lisano la cellula infettata e vanno ad infettare nuove cellule.

26 Trascrizione inversa di alcuni virus a RNA: rompe il dogma centrale della biologia. Questi virus sintetizzano DNA a partire dal loro RNA, consentendo così l integrazione del loro patrimonio genetico all interno del patrimonio genetico dell individuo infettato Trascrizione inversa: sintesi di DNA a partire dall RNA

27 Virus HIV (virus dell immunodeficienza umana, causa dell AIDS): a RNA con trascrizione inversa. Una volta penetrato nelle cellule bersaglio, i linfociti T, sintetizza il DNA complementare al proprio RNA e quindi si integra nel DNA della cellula ospite, così mimetizzandosi e disattivando la funzione dei linfociti nel funzionamento del sistema immunitario. Periodicamente il DNA del virus viene trascritto in copie di RNA che dirigono la sintesi delle molecole di rivestimento, generando nuovi virus.

28 Ricombinanti virali (nell esempio virus a RNA) L infezione contemporanea di più virus dello stesso nella stessa cellula può originare la ricombinazione degli RNA dei diversi virus (ogni nuovo virus porterà un RNA derivato dallo scambio di materiale genetico da più virus parentali), creando così una nuova variabilità non solo nell RNA ma anche nelle molecole di rivestimento sintetizzate dal nuovorna. Queste molecole di rivestimento sono quelle che determinano la produzione di anticorpi specifici nell individuo infettato. Nel virus dell influenza le ricombinazioni, che avvengono nei serbatoi animali del virus quali uccelli e maiali, generano continuamente nuovi ceppi virali con nuove molecole di rivestimento che necessitano, per la vaccinazione, di un nuovo vaccino ogni anno. Virus non ricombinanti Virus ricombinanti tramite inserzione nel DNA e la susseguente produzione di RNA con scambio di materiale genetico parentale Virus ricombinanti tramite l inserimento nei nuovi virus di segmenti di RNA provenienti da più virus parentali