Il ruolo del DNA nell ereditarietà

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1 Il ruolo del DNA nell ereditarietà Gli esperimenti di Fredrick Griffith su Streptococcus pneumoniae hanno dimostrato la presenza di un «principio trasformante» ereditabile.

2 Il ruolo del DNA nell ereditarietà Alfred Hershey e Martha Chase (nel 1952) scelsero un virus, il batteriofago T2, per determinare quale dei componenti virali (DNA o proteine) sarebbe penetrato nel batterio Escherichia coli. Tali scienziati dimostrarono che il materiale con ruolo ereditario è il DNA; esso penetra nelle cellule batteriche e trasmette ai batteri infettati le informazioni genetiche necessarie a produrre nuovi virus.

3 Il ruolo del DNA nell ereditarietà Gli esperimenti di Hershey e Chase con i batteriofagi T2 ed E. coli. I II vedi sopra 3

4 LA STABILITA DELLA MOLECOLA DI DNA A DOPPIA ELICA E ASSAI ELEVATA DOVUTA A TRE ORDINI DI FATTORI PRESENZA DEGLI SCHELETRI COVALENTI DELLE DUE CATENE COMPLEMENTARI INTERAZIONI IDROFOBICHE TRA COPPIE SOVRAPPOSTE DI BASI LEGAMI A IDROGENO ALL INTERNO DI OGNI COPPIA

5 Denaturazione e rinaturazione del DNA

6 Il DNA e l RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un polinucleotide, cioè un polimero di nucleotidi, ognuno formato da tre parti: uno zucchero C5 detto desossiribosio; un gruppo fosfato; una base azotata. 6

7 Il DNA e l RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi Esistono quattro diversi tipi di basi azotate. L adenina (A) e la guanina (G) sono caratterizzate da un doppio anello e sono chiamate purine. La timina (T) e la citosina (C) sono caratterizzate da un anello singolo e sono chiamate pirimidine. 7

8 Il DNA e l RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi L RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA per il tipo di zucchero C5 che contiene, il ribosio, e perché al posto della base azotata timina contiene un altra pirimidina, l uracile (U). 8

9 Il DNA ha i requisiti adatti per funzionare come materiale genetico Il DNA è variabile tra le diverse specie. Il DNA è in grado di custodire le informazioni che fanno una specie diversa dall altra. Il DNA è costante all interno di una stessa specie. Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare. Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo.

10 La struttura del DNA La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica di nucleotidi in cui la base A è sempre in coppia con la base T, e la base C con la base G. 10

11 La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica James Watson e Francis Crick costruirono il primo modello tridimensionale del DNA basandosi sui risultati dei lavori di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, che avevano studiato la struttura del DNA usando la cristallografia a raggi X. 11

12 La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica L appaiamento complementare delle basi azotate suggerisce che il DNA è una molecola a doppio filamento, simile a una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dallo scheletro zuccherofosfato, e i pioli dalle basi accoppiate unite da legami idrogeno.

13 Il nucleo interfasico Aspetto del materiale genetico Di una cellula in interfase

14 NUCLEO E L ORGANULO PIÙ VOLUMINOSO DELLA CELLULA EUCARIOTICA SOLITAMENTE APPARE DI FORMA ROTONDEGGIANTE E FREQUENTEMENTE LOCALIZZATO NELLA REGIONE CENTRALE DEL CITOPLASMA LA MAGGIOR PARTE DEGLI EUCARIOTI PRESENTA UN SOLO NUCLEO

15 COSTITUISCE LA SEDE DELL INFORMAZIONE GENETICA: IN ESSO RISIEDONO LE MOLECOLE DI DNA CHE VENGONO DUPLICATE E TRASCRITTE CROMATINA CROMOSOMI TERRITORIO CHE DELIMITA LE ATTIVITA DEL GENOMA (INSIEME DI GENI DI UNA CELLULA) E PROTEGGE DNA ed RNA DALL AMBIENTE CITOPLASMATICO

16 IL NUCLEO È UNA PORZIONE DEL CITOPLASMA DELIMITATO DA UN SISTEMA DOPPIO DI MEMBRANE CHE PRENDE IL NOME DI INVOLUCRO NUCLEARE o CARIOTECA E CHE RACCHIUDE IL NUCLEOPLASMA

17 MEMBRANA NUCLEARE INTERNA e MEMBRANA NUCLEARE ESTERNA SEPARATE DA UNO SPAZIO PERINUCLEARE OGNI MEMBRANA HA LA CARATTERISTICA STRUTTURA BILAYER DELLA MEMBRANA CELLULARE. LA MEMBRANA NUCLEARE ESTERNA È IN CONTINUITA CON IL RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO.

18 LAMÌNE NUCLEARI A, B, C LA MEMBRANA NUCLEARE INTERNA È POGGIATA SU UNA SOTTILE E DENSA RETE DI PROTEINE ALTAMENTE INSOLUBILI, ADESA AL VERSANTE CITOPLASMATICO DELLA MEMBRANA INTERNA DELLA CARIOTECA, CHIAMATA LAMINA NUCLEARE. FUNZIONE SOSTEGNO SITO DI ATTACCO PER I TELOMERI DEI CROMOSOMI DURANTE LA MEIOSI DIVISIONE NUCLEARE (MITOSI, MEIOSI): LA FOSFORILAZIONE DELLE LAMÌNE DETERMINA LA FRAMMENTAZIONE DELL INVOLUCRO NUCLEARE

19 PORI NUCLEARI: METTONO IN COMUNICAZIONE IL COMPARTO NUCLEARE CON QUELLO CITOPLASMATICO COMPLESSO DEL PORO NUCLEARE (NCP)

20 ORGANIZZAZIONE OTTAGONALE: OTTO PROTEINE POSTE IN MANIERA SIMMETRICA ATTORNO AL PORO CHE FORMANO DUE ANELLI CONCENTRICI APPOGGIATI ALLE DUE MEMBRANE OTTO RAGGI CHE DIPARTONO DAGLI ANELLI E RAGGIUNGONO IL TRASPORTATORE POSTO AL CENTRO DEL PORO PROTEINE CHE SI ESTENDONO DAL BORDO VERSO LO SPAZIO PERINUCLEARE (ANCORAGGIO DEL COMPLESSO)

21 OTTO FIBRE CHE SI ESTENDONO DAGLI ANELLI VERSO IL CITOSOL E VERSO IL NUCLEOPLASMA (SONO UNITE ALLA LORO ESTREMITA DA UN ANELLO FIBROSO) NUCLEOPORINE CLASSE PIU ABBONDANTE DI PROTEINE PRESENTI NEL NUCLEO TRASPORTO PASSIVO (PM = < Da) TRASPORTO ATTIVO (PM = Da) E SELETTIVO

22 BIOGENESI DEI RIBOSOMI

23 MATRICE NUCLEARE FIBROGRANULARE INSOLUBILE (NUCLEOSCHELETRO) FUNZIONE FORMA DEL NUCLEO IMPALCATURA PER L ORGANIZZAZIONE DELLE FIBRE DI CROMATINA SISTEMA DI ANCORAGGIO PER COMPLESSI MOLECOLARI COINVOLTI NELLA DUPLICAZIONE E NELLA TRASCRIZIONE

24 L analisi chimica dimostra nel nucleo la presenza di DNA, RNA e proteine, a questo complesso viene dato il nome di CROMATINA: complesso di DNA, proteine (ISTONI E NON ISTONICHE) ed RNA DNA GENOMICO: PIU MOLECOLE DI DNA DNA DEL NUCLEO DI UNA CELLULA UMANA: 1.7 METRI DIAMETRO DEL NUCLEO: 0.5 MICRON

25 Il materiale genetico subisce una Transizione da fibrillare a bastoncellare. Da una organizzazione idonea a Permettere al materiale genetico di essere Trascritto e reduplicato, a quella idonea Di essere parimenti distribuito tra Le cellule figlie Poro nucleare Metafase

26 Aspetto della Cromatina a collana di perle dopo trattamento con soluzioni saline

27 NUCLEOSOMA 1) PARTICELLA CENTRALE: COMPLESSO DI OTTO PROTEINE ISTONICHE DUE MOLECOLE DEGLI ISTONI H2A, H2B, H3 E H4 2) DNA A DOPPIO FILAMENTO, LUNGO 146 COPPIE DI NUCLEOTIDI. L OTTAMERO DI ISTONI FORMA UN NUCLEO PROTEICO INTORNO AL QUALE E AVVOLTO IL DNA A DOPPIO FILAMENTO

28 Organizzazione del NUCLEOSOMA Il trattamento della cromatina con DNAsi, Permette di isolare una struttura contenete DNA e proteine, la lunghezza minima che si Riesce ad ottenere con tale trattamento è di 146 paia di basi che ha l aspetto di una perla. Ogni perla è costituita da un nocciolo Proteico intorno al quale si avvolge il DNA. Il nocciolo proteico più il DNA che si avvolge intorno costituiscono il NUCLEOSOMA

29 MODELLO A COLLANA DI PERLE CIASCUNA PARTICELLA CENTRALE DEL NUCLEOSOMA E SEPARATA DALLA SUCCESSIVA DA UNA REGIONE DI DNA LINKER. LA FORMAZIONE DEI NUCLEOSOMI CONVERTE UNA MOLECOLA DI DNA IN UN FILO DI CROMATINA LUNGO CIRCA UN TERZO DELLA LUNGHEZZA INIZIALE E CIO COSTITUISCE IL PRIMO LIVELLO DI COMPATTAMENTO DEL DNA

30 GRUPPO DI PROTEINE ETEROGENEO, SPECIALIZZATO IN: DUPLICAZIONE DNA (DNA POLIMERASI, ELICASI, GIRASI, PRIMASI ) TRASCRIZIONE DI GENI (RNA POLIMERASI) MATURAZIONE DEL PRE-mRNA REGOLAZIONE DEL PROCESSO DI TRASCRIZIONE DI SPECIFICI GENI Mobilità elettroforetica delle varie classi di Istoni.

31 Alcune proprietà delle proteine istoniche -Le proteine istoniche sono ricche in Lisina ed Arginina, sono proteine basiche dotate di una carica netta positiva. -Sono proteine altamente conservate.

32 LA CROMATINA DI UNA CELLULA VIVENTE RARAMENTE ADOTTA LA FORMA ESTESA DI COLLANA DI PERLE I NUCLEOSOMI SONO COMPATTATI L UNO SULL ALTRO GENERANDO SCHIERE REGOLARI IN CUI IL DNA E ANCORA PIU CONDENSATO. COSI LA MAGGIOR PARTE DELLA CROMATINA SI PRESENTA SOTTO FORMA DI UNA FIBRA CON UN DIAMETRO DI CIRCA 30nm, (FIBRA A SOLENOIDE) CONSIDEREVOLMENTE PIU SPESSA DELLA CROMATINA SOTTO FORMA DI PERLINE SU UN FILO.

33 PRESENZA DELL ISTONE H1, PIU GRANDE DEGLI ALTRI ISTONI E MENO CONSERVATO L ISTONE H1 SI SISTEMA SUL ROCCHETTO DI AVVOLGIMENTO, PINZETTANDO IL DNA IN ENTRATA E USCITA DAL ROCCHETTO E AVVICINANDO I DIVERSI ROCCHETTI GRAZIE A LEGAMI DI TIPO TESTA-CODA CON ALTRI ISTONI H1

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35 COME FIBRA DI 30nm UN TIPICO CROMOSOMA UMANO SAREBBE ANCORA LUNGO 0.1cm. CI DEVE ESSERE UN LIVELLO ANCORA SUPERIORE DI RIPIEGAMENTO CHE ORGANIZZA LA FIBRA DI 30 nm IN UNA SERIE DI ANSE E AVVOLGIMENTI

36 SCAFFOLD PROTEICO

37 NONOSTANTE L ALTO GRADO DI COMPATTAMENTO DELLA CROMATINA LA SUA STRUTTURA DEVE ESSERE ALTAMENTE DINAMICA PER PERMETTERE ALLA CELLULA DI SVOLGERE LE SUE FUNZIONI (CRESCERE E DIVIDERSI) A QUESTO SCOPO SONO IMPORTANTI DUE STRATEGIE GENERALI PER CAMBIARE REVERSIBILMENTE STRUTTURE LOCALI DI CROMATINA: COMPLESSI DI RIMODELLAMENTO DELLA CROMATINA, SPINTI DA ATP MODIFICAZIONE COVALENTE (ACETILAZIONE, METILAZIONE, FOSFORILAZIONE) CATALIZZATA DEGLI ISTONI (H1)

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39 CICLO DI CONDENSAZIONE-DECONDENSAZIONE DELLA CROMATINA

40 A SECONDA DELLE SUE ATTIVITÀ TRASCRIZIONALI LA CROMATINA PUÒ ESSERE FORTEMENTE ADDENSATA E QUINDI INATTIVA (ETEROCROMATINA) O LASSAMENTE COMPATTATA E QUINDI ATTIVA (EUCROMATINA). ETEROCROMATINA: COSTITUTIVA (RESTA ALLO STATO COMPATTATO SEMPRE E IN TUTTE LE CELLULE, NON VIENE MAI TRASCRITTA); FACOLTATIVA (RISULTA INATTIVATA IN MODO SPECIFICO IN ALCUNE FASI DELLA VITA DI UN ORGANISMO) ES: SI HAIN UNO DEI DUE CROMOSOMI X INTERFASICI DELLE FEMMINE DI MAMMIFERI: LE LORO CELLULE POSSIEDONO DUE CROMOSOMI X, MENTRE QUELLE DEI MASCHI HANNO UN X E UN Y.

41 NEI MAMMIFERI UNO DEI CROMOSOMI X FEMMINILI VIENE INATTIVATO PERMANENTEMENTE, FORSE PERCHE UNA DOPPIA DOSE DI CERTI PRODOTTI GENICI POTREBBE ESSERE LETALE. ALLORA UNO O L ALTRO DEI DUE, A CASO, SI ADDENSA FORTEMENTE E DIVENTA ETEROCROMATICO IN UNA FASE PRECOCE DELLO SVILUPPO EMBRIONALE. DA QUEL MOMENTO, IN TUTTA LA NUMEROSA PROGENIE CELLULARE CHE SEGUE, LO STATO DI CONDENSAZIONE E INATTIVITA DI QUEL CROMOSOMA X VIENE EREDITATO.

42 CROMOSOMI STRUTTURA MOLTO COMPATTA E COLORABILE, VISIBILE AL MICROSCOPIO OTTICO DURANTE LA DIVISIONE CELLULARE, IN PARTICOLARE DURANTE LA METAFASE, QUANDO VIENE RAGGIUNTO IL MASSIMO LIVELLO DI COMPATTAMENTO DELLA CROMATINA. Ogni cromosoma è una lunga molecola di DNA (assieme a specifiche proteine) la quale contiene le informazioni necessarie al funzionamento della cellula (e che verranno trasmesse alle cellule figlie)

43 In ogni specie i cromosomi si presentano con un numero e una struttura caratteristici. Ad esempio il corredo cromosomico umano è di 46 cromosomi (23 coppie di cromosomi omologhi). Tutte le cellule di un dato organismo hanno lo stesso numero di cromosomi (ad eccezione dei gameti che ne hanno esattamente la metà)

44 CROMOSOMA MITOTICO METACENTRICI SUBMETACENTRICI o ACROCENTRICI TELOCENTRICI BRACCI CROMOSOMICI Cromosoma non duplicato BRACCIO CORTO (p) BRACCIO LUNGO (q) BANDEGGIO REGIONI e BANDE (numeri arabi dal centromero verso la parte terminale del cromosoma) 14q2.1 COESINE Cromosoma duplicato

45 NUCLEOLO STRUTTURA SPECIALIZZATA COMPRENDENTE UN GRUPPO DI GENI CHE PORTANO L INFORMAZIONE PER GLI RNA RIBOSOMALI (rdna), I TRASCRITTI CORRISPONDENTI E PROTEINE.

46 REGIONE FIBRILLARE: contiene l rdna (ORGANIZZATORE NUCLEOLARE) IN FORMA DI CROMATINA PARZIALMENTE COMPATTA, RNA POLIMERASI I E FATTORI DI TRASCRIZIONE. I centri fibrillari sono circondati da una COMPONENTE FIBRILLARE DENSA = geni ribosomiali trascrizionalmente attivi cromatina meno condensata REGIONE GRANULARE: particelle ribosomali a vari stadi di assemblaggio LUOGO DI ASSEMBLAGGIO DELLE SUBUNITÀ DEI RIBOSOMI