Natura struttura e funzione del materiale genetico

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1 Natura struttura e funzione del materiale genetico

2 La struttura del materiale genetico -fine anni 40: i cromosomi veicolano i geni - anni 50 vari esperimenti provano che il DN è la molecola-deposito informazione genetica (i biologi lfred ershey 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) -1953: Watson e rick modello DN a doppia elica, coerente con funzione di deposito informazione esta oda DN Fibre della coda

3 Due tipi di acidi nucleici DN : deposito informazioni RN: a) espressione informazione (es. sintesi proteica) b) alcuni virus: deposito inform. genetica

4 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 2 3 Base azotata (,,, o ) N N imina () Zucchero (deossiribosio) Nucleotide del DN Polinucleotide del DN

5 Il DN ha 4 tipi di basi azotate: adenina (), timina (), citosina () e guanina () N N 3 N N N N N N N N N N N N N imina () itosina () denina () uanina () Purine Pirimidine

6 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 2 Base azotata (,,, o U) N N Legenda Idrogeno arbonio zoto ssigeno Fosforo Uracile (U) Zucchero (ribosio)

7 Il 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. struttura del DN: 2 filamenti di polinucleotidi attorcigliati l uno sull altro in una doppia elica. come una scala di corda dotata di rigidi pioli. orsione

8 I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i 2 filamenti. gni base è appaiata con una specifica base complementare: con, (2 legami idrogeno) con (3 legami idrogeno) oppie di basi appaiate P P 2 2 P 2 P 2 Legame idrogeno 2 P 2 P 2 P 2 P Modello a nastro Struttura chimica Modello computerizzato

9 Modello molecolare coerente con funzione di deposito informazione genetica L informazione genetica è rappresentata dalla sequenza di basi che è tradotta in sequenza di amminoacidi nelle proteine (codice genetico) La complementarità specifica tra le basi è alla base dei processi di: trasmissione (DUPLIZINE), trasferimento (RSRIZINE-RDUZINE) ed evoluzione (RIMBINZINE) dell informazione genetica

10 rganizzazione dei genomi ENE: segmento di DN contenente una specifica informazione sottoforma di sequenza nucleotidica (es informazione per la sintesi di polipeptide) enoma: insieme di geni Procarioti: genoma costituito da una sola molecola di DN ds circolare Eucarioti: genoma formato da numerose molecole di DN ds lineari (cromosomi)

11 Dimensione dei genomi rande variabilità Dimensione non sempre corrisponde alla complessità della specie Virus- decine di migliaia di basi Batteri-milioni di basi Mammiferi-miliardi di basi Piante-centinaia di miliardi di basi numero di interazioni geniche omplessità

12 Nelle cellule il DN non puo essere contenuto in forma estesa! Strategie di compattamento mediante associazione con proteine e superavvolgimenti Nei batteri il DN circolare presente nel nucleoide è superavvolto e ripiegato in anse trattenute da segmenti di RN e proteine

13 Negli eucarioti il DN si avvolge attorno ad ottameri di proteine istoniche (molto basiche) per dare i nucleosomi La cromatina eucariotica è una struttura complessa formata da DN e proteine (istoniche e non)

14 Si forma una struttura a collana di perle che si impacchetta ulteriormente ripiegandosi in un solenoide Doppia elica di DN (2 nm di diametro) Istoni Linker «Perle di una collana» EM Nucleosoma (10 nm di diametro) Fibra elicoidale compatta (30 nm di diametro) Superavvolgimento (300 nm di diametro) EM romosoma in metafase 700 nm

15 Flusso dell informazione genetica DN DN DN RN PREINE

16 Molecola originaria del DN. Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DN identiche. Replicazione del DN dipende dall accoppiamento specifico tra le basi azotate i 2 filamenti del DN di partenza si separano (l elica si srotola). ogni filamento funziona da stampo per formare un filamento complementare. gli enzimi DN-polimerasi legano tra loro i nucleotidi per formare un nuovo filamento.

17 La duplicazione inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica bolle di replicazione. Punto di origine della duplicazione Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla di duplicazione Due molecole figlie di DN Replicazione prima di mitosi e meiosi Stessa informazione genetica per tutte cellule e trasmissione a discendenza

18 La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua (direzione 5 3 ) usando l enzima DN-polimerasi. L altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi (sintesi discontinua) uniti poi dall enzima DN-ligasi. 5 3 DN originario Molecola di DN-polimerasi 3 5 Filamento sintetizzato senza interruzioni 3 5 Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi 5 3 DN-ligasi Direzione complessiva della duplicazione

19 Flusso dell informazione genetica

20 Il flusso dell informazione genetica: DN RN proteine enotipo= informazione genetica contenuta nel DN (sequenza nucleotidica di DN) Fenotipo= insieme di tratti specifici di un organismo (risultato di proteine) Il gene è una sequenza di DN contenente l istruzione per la produzione di un polipeptide (fornisce cioè le istruzioni per la sintesi proteica).

21 anni 40: esperimenti di Beadle & atum Si determina la relazione tra geni ed enzimi grazie a ricerche su alcuni ceppi della muffa del pane definiti «mutanti nutrizionali». LERZINE DN DIFE PREIN DIFE DI RESI Un gene un enzima Un gene un polipeptide

22 L istruzione contenuta nel gene è prima trasferita dal DN a una molecola di RN (trascrizione) e poi dall RN a una proteina (traduzione). DN rascrizione NULE RN Proteina raduzione IPLSM

23 Il linguaggio chimico del DN (e dell RN) si basa su sequenza di nucleotidi gene= seq specifica e definita di nucleotidi Il linguaggio delle proteine si basa su seq. di amminoacidi rascrizione: DN RN: stesso linguaggio raduzione: RN polipeptide: dal linguaggio degli acidi nucleici a quello dei polipeptidi Molecola di DN ene 3 ene 1 ene 2 Filamento di DN rascrizione RN raduzione U U U U U U U odone Polipeptide mminoacido

24 Il codice genetico Il flusso d informazione si basa su un codice a triplette di basi: DNI le istruzioni che specificano la sequenza di amminoacidi di un polipeptide sono scritte nel DN come codoni Il codice genetico è universale! Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico. Prima base azotata U UUU UU UU UU UU U U U UU U U U Seconda base azotata U Phe Leu Leu Ile Met o inizio UU U U U U U Ser Pro hr UU U U Stop U Stop U U yr is ln sn Lys UU U U Stop U rp U U ys rg Ser rg U U U erza base azotata UU U U U Val U la U sp lu U ly U

25 aratteristiche del codice genetico Basato su triplette di basi Non sovrapposto ontinuo senza virgole Degenerato: con più codoni codificanti per lo stesso aa, ma non ambiguo in q. ad ogni codone corrisponde un solo

26 Il codice genetico mette in relazione una seq nucleotidica con seq amminoacidica Questo codice molecolare consente di decifrare l informazione genetica del DN Filamento da trascrivere DN rascrizione mrn U U U U U odone di inizio raduzione odone di arresto Polipeptide Met Lys Phe

27 La trascrizione: trasferimento dell informazione genetica dal DN all RN vviene nel nucleo degli eucarioti Un elica di DN funziona come stampo Stesse regole appaiamento RN polimerasi Nucleotidi dell RN RN-polimerasi U Direzione della trascrizione Filamento stampo di DN RN appena sintetizzato

28 Fasi di trascrizione di un gene: 1. Inizio 2. llungamento 3. terminazione Il tipo di RN che codifica per sequenze di amminoacidi è detto RN messaggero (mrn).

29 La polimerasi avanzando sul DN inserisce nucleotidi complementari allo stampo (DN ss) sulla catena nascente di RN (direzione 5 3 ) La doppia elica DN si riforma a valle della RN polimerasi (regione ibrida RN-DN limitata a pochi nucleotidi) L RN resta associato all enzima durante tutta la trascrizione

30 L RN eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo processamento dell mrn P e IL: alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda. DN Esone Introne Esone Introne Esone appuccio RN trascritto con cappuccio e coda rascrizione ggiunta del cappuccio e della coda li introni vengono rimossi oda SPLIIN Le regioni di geni non codificanti, introni, vengono rimosse. li esoni (regioni codificanti) si saldano per produrre una singola molecola codificante di mrn. mrn li esoni si legano tra loro Sequenza codificante Nucleo itoplasma

31 La traduzione: trasferimento dell informazione genetica dall RN alle proteine Il messaggio sull mrn è tradotto in sequenza amminoacidica avviene nel citoplasma sui ribosomi (gli organuli che coordinano le operazioni necessarie per passare dalle sequenze nucleotidiche alle catene polipeptidiche). Richiede trn, rrn, mrn ed energia I ribosomi e i trn interagiscono con l mrn per tradurlo in polipeptide

32 L RN transfer (trn) è un interprete molecolare : permette la traduzione del messaggio genetico dell mrn nel messaggio proteico. Sito d attacco dell aminoacido Legame idrogeno Il trn ha un ansa, con una speciale tripletta di basi chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dell mrn). d una estremità c è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido atena polinucleotidica di RN Sito d attacco dell amminoacido nticodone nticodone

33 L enzima aa-trn sintetatsi carica l aa sul suo trn corrispondente Le cellule contengono almeno 20 a-trnsintetasi (una per aa) Quando per un determinato a esistono più trn, la stessa a-trnsintetasi li riconosce tutti Le a-trn-sintetasi riconoscono i nucleotidi localizzati in almeno 2 regioni della molecola di trn

34 Molecole di trn Polipeptide in via di formazione Subunità grande RIBSMI Il ribosoma è un organello costituito da 2 subunità, ciascuna formata da proteine e da RN ribosomiale (rrn). mrn Subunità piccola Durante la traduzione il ribosoma coordina l interazione tra trn e mrn Sito di legame per l mrn Subunità grande Polipeptide in via di formazione mrn Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide trn Subunità piccola odoni

35 Le subunità ribosomali si pre-assemblano nella regione granulare del nucleolo Le subunità escono dal nucleo si associano solo durante sintesi proteica

36 Inizio del messaggio genetico mrn con inizio e fine messaggio Fine Fasi della traduzione RDUZINE 1) inizio: associazione tra mrn, 1 aa (trn) e le 2 subunità ribosomiali Met Met Subunità ribosomiale più grande trn di partenza mrn U U odone d inizio Subunità ribosomiale più piccola Sito P U U Sito

37 2) llungamento Polipeptide mminoacido ompletata la fase d inizio, al primo amminoacido se ne aggiungono altri, uno alla volta mrn Sito P odoni Sito 1 1 nticodone Riconoscimento del codone Il processo di allungamento prevede tre tappe: riconoscimento del codone; formazione del legame peptidico; raslocazione Movimento dell mrn 3) erminazione L allungamento continua fino a quando un codone di SP (U, U, U) giunge nel sito del ribosoma, terminando la traduzione. odone di arresto 3 3 raslocazione 2 2 Formazione del legame peptidico Nuovo legame peptidico

38 Il passaggio di informazioni genetiche nella cellula segue la direzione DNÆRNÆproteina percorso in diverse tappe

39 Elementi fondamentali di un gene: promotore e regioni regolative, tratto codificante, terminatore di trascrizione Negli eucarioti il tratto codificante è interrotto da introni!! he sequence of a prokaryotic protein-coding gene is colinear with the translated mrn; that is, the transcript of the gene is the molecule that is translated into the polypeptide. he sequence of a eukaryotic proteincoding gene is typically not colinear with the translated mrn; that is, the transcript of the gene is a molecule that must be processed to remove extra sequences (introns) before it is translated into the polypeptide.

40 Negli eucarioti trascrizione e traduzione avvengono in luoghi e momenti diversi (nucleo e citoplasma) Nei procarioti trascrizione e traduzione avvengono in contemporanea e nello stesso luogo!

41 MUZINI La sequenza dei codoni nel DN «scrive lettera per lettera» la struttura primaria di un polipeptide Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni mutazione = qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DN rispetto alla sua conformazione originale. Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DN, da ricombinazione e/o da agenti mutageni.. Possono interessare regioni estese o singoli nucleotidi

42 lterazioni/riarrangiamenti cromosomici possono provocare patologie congenite e/o tumori Delezioni, duplicazioni, inversioni: Delezione Duplicazione romosomi omologhi Inversione

43 raslocazioni: raslocazione romosomi non omologhi romosoma 9 romosoma 22 raslocazione «romosoma Philadelphia» ene cancerogeno attivato

44 lterazioni di singoli o pochi nucleotidi La mutazione di un singolo nucleotide è la base molecolare dell anemia falciforme DN di emoglobina normale DN di emoglobina mutante mrn mrn U Emoglobina normale lu Emoglobina dell anemia falciforme Val

45 Le mutazioni puntiformi possono consistere in: sostituzione di una base (missense, nonsense) inserzione o delezione di nucleotidi (scivolamento fase di lettura). 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 Met Lys Leu la is

46 Mutazioni sul DN: la cellula possiede sistemi di riparazione per limitare danni e allo stesso tempo garantire una certa variabilità genetica I sistemi di riparazione si basano su vari enzimi: endonucleasi (che tagliano il DN alterato) e DN polimerasi (che risintetizzano tratto corretto) e ligasi. Le mutazioni su cellule germinali saranno trasmesse a progenie Quelle su cellule somatiche possono dare neoplasie e/o invecchiamento cellulare

47 I virus I virus possono essere considerati come insiemi di geni impacchettati da proteine. Non sono veri esseri viventi in quanto riescono a riprodursi solo infettando cellule viventi, utilizzandone strutture ed energia. I virus infettano vari tipi di organismi ospite : Virus che infettano batteri BERIFI o FI Virus che infettano cellule vegetali o animali

48 esta oda Fibre della coda DN FI Il fago si attacca alla cellula 1 In un esistono due tipi di cicli 1 DN del fago romosoma batterico riproduttivi: La cellula si rompe liberando i fagi 4 un fago può avere due tipi di cicli riproduttivi 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

49 Molti virus sono causa di malattie in piante ed animali (raffreddore, influenza, varicella, IDS, epatite, poliomielite, ) Molti, come il virus dell influenza o del mosaico del tabacco, hanno come materiale genetico RN, invece di DN. Involucro esterno RN Proteine RN Rivestimento proteico Estroflessione glicoproteica

50 iclo riproduttivo di virus animale ad RN dotato di rivestimento membranoso RN virale (genoma) VIRUS licoproteina Rivestimento proteico Involucro esterno Membrana plasmatica della cellula ospite 1 Ingresso L RN virale funziona come stampo per la sintesi sia di proteine virali sia di nuove copie di genoma Viral RN (genome) 2 3 Eliminazione del rivestimento Sintesi di RN usano parte della membrana della cellula ospite come rivestimento; possono rimanere latenti per lunghi periodi (herpesvirus) 4 mrn Sintesi di proteine Nuove proteine virali 6 5 Sintesi di RN Filamento stampo Nuovo genoma virale ssemblaggio Uscita 7

51 Il virus IV, responsabile dell IDS, assembla il DN utilizzando l RN come stampo è un retrovirus. Involucro esterno licoproteina Rivestimento proteico RN (due filamenti identici) rascrittasi inversa l IV (human immunodeficiency virus) usa il proprio RN come stampo per produrre DN (enzima trascrittasi inversa o retrotrascrittasi) da inserire nel DN cromosomico dell ospite. IV attacca globuli bianchi essenziali per il sistema immunitario