Il flusso dell informazione genetica. DNA -->RNA-->Proteine

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Eva Salvi
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1 Il flusso dell informazione genetica DNA -->RNA-->Proteine

2 Abbiamo visto i principali esperimenti che hanno dimostrato che il DNA è la molecola depositaria dell informazione genetica nella maggior parte degli organismi viventi. Ora dobbiamo analizzare i meccanismi attraverso cui tale informazione si riflette nell eterogeneità fenotipica. Consideriamo i seguenti fatti: In un individuo, le cellule somatiche derivano dallo sviluppo a partire da una singola cellula uovo fecondata che si divide per mitosi: tutte le cellule dell organismo hanno la stessa quantità e qualità d informazione genetica. Nonostante questa omogeneità genetica, le cellule di un organismo presentano differenze morfologiche, biochimiche e funzionali anche molto marcate. Le macromolecole responsabili delle caratteristiche morfologiche, biochimiche e funzionali delle cellule sono principalmente proteine. La sintesi delle proteine ha luogo nel citoplasma delle cellule, in corrispondenza di ribosomi liberi o associati alle membrane del reticolo endoplasmatico ruvido. Negli eucarioti, il DNA, che porta l informazione per la sequenza amminoacidica delle proteine, è racchiuso nel nucleo cellulare. Date queste premesse, occorre dare risposta alle seguenti domande: In che modo l informazione che risiede nel nucleo cellulare viene trasferita nella sede di sintesi delle proteine? Qual è la natura del codice genetico, che permette la sintesi fedele di proteine? In che modo, nei diversi tessuti, viene utilizzata l informazione genetica contenuta nel nucleo, che è uguale per tutte le cellule somatiche? In che modo la cellula smista le proprie proteine in localizzazioni precise?

Consideriamo i seguenti fatti: In un individuo, le cellule somatiche derivano dallo sviluppo a partire da una singola cellula uovo fecondata che si divide per mitosi: tutte le cellule dell organismo

3 Il passaggio dell informazione genetica dal nucleo al citoplasma Osservazioni preliminari hanno rilevato la presenza di un acido nucleico diverso dal DNA sia nel nucleo, sia nel citoplasma delle cellule eucariote. Questo acido nucleico è l RNA. Si è quindi pensato che l RNA potesse trasferire nel citoplasma l informazione genetica presente nel nucleo. Citoplasma Si sono quindi progettati esperimenti di incorporazione di precursori radiomarcati dell RNA per dimostrarne il passaggio nel citoplasma. Nucleo Cellule in coltura vengono esposte a Uridina marcata, per un tempo sufficiente a rendere radioattiva una quantità rilevabile di RNA. Le cellule vengono in seguito trasferite in terreno contenente Uridina non marcata, in analogia con gli esperimenti già descritti per le proteine, allo scopo di tracciare il percorso dell RNA nelle fasi successive alla sua sintesi.

Citoplasma Si sono quindi progettati esperimenti di incorporazione di precursori radiomarcati dell RNA per dimostrarne il passaggio nel citoplasma.

4 Fiasca da coltura con Cellule in crescita Allestimento di preparati per autoradiografia in microscopia elettronica Aggiunta di uridina marcata con 14 C Marcatura dell RNA Ricoltivazione delle cellule e prelievo di aliquote a tempi diversi Sostituzione del terreno marcato con terreno contenente Uridina non marcata

C Marcatura dell RNA Ricoltivazione delle cellule e prelievo di aliquote a

5 Autoradiografia ** **** ** ** **** ** ** **** Inizialmente, l Uridina identifica materiale ad alto peso molecolare all interno del nucleo. Conclusioni: Successivamente, le molecole di RNA marcate vanno a localizzarsi nel citoplasma, soprattutto in corrispondenza dei ribosomi, liberi o associati al RER. In tempi più lunghi, si evidenzia che buona parte dell RNA resta stabilmente associata ai ribosomi, ma che esiste una frazione labile che viene rapidamente degradata. La maggior parte dell RNA sintetizzato nel nucleo va a far parte della struttura dei ribosomi (confermato anche dalla analisi chimica del contenuto dei ribosomi stessi). Questo RNA ha dimensioni omogenee in elettroforesi e non è dotato di una sufficiente eterogeneità per contenere il messaggio genetico che permette la sintesi di un vasto repertorio di proteine (vedi figura successiva).

In tempi più lunghi, si evidenzia che buona parte dell RNA resta stabilmente associata ai ribosomi, ma che esiste una frazione labile che viene rapidamente degradata.

7 Analisi elettroforetica degli RNA degli eucarioti RNA cellulare stabile RNA labile 4.8 kb 1.9 kb 160 basi 120 basi basi 4.8 kb 1.9 kb In elettroforesi è possibile evidenziare che, mentre l RNA ribosomico presenta dimensioni molto omogenee, la frazione corrispondente all RNA labile ha una considerevole eterogeneità. Tale eterogeneità è compatibile con la funzione di trasferimento dell informazione dal nucleo al citoplasma cellulare.

9 kb In elettroforesi è possibile evidenziare che, mentre l RNA ribosomico presenta dimensioni molto omogenee,

8 Le diverse classi di RNA cellulare rrna (RNA ribosomico). Come dimostrano gli esperimenti di elettroforesi, le cellule eucariote contengono 4 tipi di rrna di diverse dimensioni: basi, definito con tecniche centrifugative RNA 28S basi, definito con tecniche centrifugative RNA 18S 160 basi, definito con tecniche centrifugative RNA 5,8S 120 basi, definito con tecniche centrifugative RNA 5S Questi rrna presentano una sequenza nucleotidica omogenea all interno di ciascuna banda ed entrano a far parte della struttura del ribosoma. trna (RNA di trasferimento). Questi RNA sono di piccole dimensioni e contengono dalle 75 alle 90 basi. Si ritrovano nel citosol e sono associati a singoli amminoacidi. mrna (RNA messaggeri). Questi RNA sono a vita breve ma presentano una ampia eterogeneità di dimensioni. E stato possibile dimostrare che ciascun mrna presenta una sequenza nucleotidica particolare. Ciò è stato dimostrato in tutti gli organismi finora analizzati.

900 basi, definito con tecniche centrifugative RNA 18S 160 basi, definito con tecniche centrifugative RNA 5,8S 120 basi, definito con tecniche centrifugative RNA 5S Questi rrna presentano una

9 Struttura dei ribosomi eucarioti 40S, MW proteine diverse Subunità minore Subunità maggiore RNA 18S 1900 basi chelante del Mg proteine diverse RNA 5S (120 basi) Coefficiente di sedimentazione: 80S Peso molecolare:circa Da RNA 28S (4800 basi) 60S, MW RNA 5,8S (160 basi)

chelante del Mg 2+ 49 proteine diverse RNA 5S (120 basi) Coefficiente di

10 Analisi elettroforetica degli RNA dei procarioti RNA cellulare stabile RNA labile 2,9 kb 1.54 kb 120 basi basi In elettroforesi è possibile evidenziare che, mentre l RNA ribosomico presenta dimensioni molto omogenee, la frazione corrispondente all RNA labile ha una considerevole eterogeneità. Tale eterogeneità è compatibile con la funzione di trasferimento dell informazione dal DNA batterico al citoplasma cellulare.

dimensioni molto omogenee, la frazione corrispondente all RNA labile ha una considerevole eterogeneità.

11 Struttura dei ribosomi procarioti 30S, MW proteine diverse Subunità minore Subunità maggiore RNA 16S 1540 basi chelante del Mg proteine diverse RNA 5S (120 basi) Coefficiente di sedimentazione: 70S Peso molecolare:circa Da RNA 23S (2900 basi) 50S, MW

basi chelante del Mg 2+ 32 proteine diverse RNA 5S (120 basi)

13 Gli rrna hanno quindi un ruolo importante nella struttura (ma, come vedremo, anche nella funzione) dei ribosomi procariotici ed eucariotici. i trna trasportano amminoacidi sia nel caso dei procarioti, sia nel caso degli eucarioti gli mrna trasportano l informazione dal DNA alle sedi della sintesi proteica (dal nucleo al citoplasma negli eucarioti, dal DNA libero ai ribosomi liberi nei batteri). Il flusso dell informazione che dal DNA permette di giungere alle proteine prevede quindi, sia nei procarioti, sia negli eucarioti, almeno due fasi: una prima fase nella quale vengono sintetizzati gli mrna, definita TRASCRIZIONE una seconda fase, nella quale gli mrna guidano la sintesi di proteine, definita TRADUZIONE

al citoplasma negli eucarioti, dal DNA libero ai ribosomi liberi nei batteri).

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