Biologia molecolare

Le molecole biologiche

1 Le molecole biologiche sono DNA, RNA, proteine ma anche zuccheri come i glucidi, carbonio, lipidi.

• Perché tanta enfasi sui geni e sul DNA anche se le biomolecole sono molte di più? Ogni reazione metabolica di una cellula è catalizzata da enzimi che le svolgono; quindi, per noi DNA e proteine dirigono gli enzimi che codificano le reazioni. Senza essi che coordinano non avverrebbero le reazioni. Hanno le chiavi del sistema vitale stesso e la trasmissione in generazione in generazione, permettono di organizzare tutte le molecole presenti nella cellula.
• Cosa sono i catalizzatori? Una molecola che aumenta la velocità di reazione senza farne parte ed essa abbassa l’energia di attivazione ma non basta, essi non cambiano l’equilibrio della reazione quindi il catalizzatore aumenta la velocità di reazione diretta e inversa della stessa velocità = catalisi fondamentale per la vita.

L’aumento della quantità del catalizzatore di una reazione, esso velocizza il raggiungimento dell’equilibrio fra reagenti e prodotti.

• La termodinamica della reazione non cambia neanche quando c’è un catalizzatore.

I problemi più importanti della biologia molecolare/genetica molecolare sono sempre stati:

• Come sono codificate le informazioni genetiche? Le informazioni genetiche di ogni organismo sono le stesse per ogni individuo, le differenze dipendono solo dalla loro trasformazione in caratteri.
• Il codice genetico non è il genoma.
• Il genoma è l’insieme di tutti i nucleotidi ed è chiamato patrimonio genetico.
• Quanti livelli di codifica genetica esistono? Tanti livelli diversi legati insieme. Il codice genetico, la tabella di corrispondenza tra triplette di nucleotidi e amminoacidi, è memorizzato nelle cellule attraverso il tRNA che coglie le differenze tra gli amminoacidi. Quindi le aminoacil-tRNA sintetasi stabiliscono il codice genetico. Ma esse sono a loro volta delle proteine che sono sintetizzate da ribosomi; quindi, il nostro sistema vitale resta in vita grazie ad un altro sistema vitale, questo è il ciclo della vita.

Il codice genetico è memorizzato nell’aminoacil-tRNA. Riconoscono il tRNA e lo appaiono al giusto amminoacido.

RNA è una molecola genetica e i ribozimi sono enzimi fatte di RNA-catalitico che sintetizza le reazioni chimiche come gli enzimi ma invece sono proteine.

Amminoacil-tRNA sintetasi

Gli amminoacil-tRNA sintetasi sono una classe di enzimi costituita da membri che hanno una selettività per un amminoacido, quello che lega l’alanina sarà l’alanil-tRNA sintetasi, l’enzima lega l’amminoacido da una parte e interagisce solo con il tRNA che ha l’anticodone dell’amminoacido a cui sono legati. L’enzima attiva l’amminoacido e lo legano al tRNA. Stabiliscono l’accoppiamento tra l’amminoacido e il tRNA con l’anticodone specifico. Siccome l’anticodone poi viene utilizzato per legare il tRNA all’mRNA, questi enzimi sono responsabili dell’accoppiamento tra amminoacido e il giusto codone del messaggero. Questi enzimi memorizzano il codice genetico.

Nel genoma è presente una parte cioè le istruzioni per montare le amminoacil-tRNA sintetasi ma queste istruzioni devono essere interpretate da amminoacil-tRNA sintetasi che esistono già e che devono essere passate insieme al patrimonio genetico alla cellula figlia.

2 I geni del genoma umano sono circa 23000 (mila). Noi produciamo anticorpi ovvero proteine, un organismo come il nostro produce circa variati milioni di immunoglobuline.

Questo è un esempio di codifica «non del tutto convenzionale», la sorgente della diversità delle immunoglobuline.

Fatti da due catene: leggera e pesante. La zona dell’anticorpo che lega antigene è fatta entrambe le due catene, esse sono fatte da due geni che nel genoma sono molto peculiari che essi per funzionare devono essere riarrangiato geneticamente.

Infatti, i geni delle immunoglobuline durante la maturazione perdono e tengono dei pezzi che permette che essi (linfociti B e T) siano diversi.

La catena leggera è formata da una linea germinale formata da geni V1 a V40 e geni a J1 a J5.

Invece la catena presenta ha nella linea germinale con geni da V1 a V51, D1 a D27 e geni da J1 e J6.

Di questi geni V51 nel riarrangiamento viene selezione un solo V51 e un solo D27 e un solo J6 nella catena pesante, e uno tra V40 e J5 nella catena leggera. Quindi ci sono 51 x 27 x 6 catene pesanti e 40 x 5 catene leggere, e a volte ci sono anche delle mutazioni. Dopo questo processo la linea di DNA germinale della catena pesante e leggera si lega a un antigene.

Ecco il perché noi produciamo milioni di anticorpi con solo 25 mila geni. Ovviamente il caso ha il suo ruolo importante.

Non c’è un solo gene della catena pesante uno della genata leggera, perché noi siamo organismi diploidi quindi ogni linfocita hanno 4 geni. No! Sbagliato!

Il taglio della linea germinale della catena è un fenomeno difficile e perché il linfocita sopravviva deve fare un taglio corretto sia nella catena leggera e una nella catena pesante; quindi, la maggior parte dei linfociti muoiono perché non riescono a fare correttamente il taglio. Chi sopravvive o no è dato dal caso.

Questo riarrangiamento è definitivo!!

Cosa impariamo dalla dimensione dei genomi

3 Cosa impariamo dalla dimensione dei genomi.

Scala logaritmica per il fatto che ci sono i 10 elevati a una potenza.

Il numero di nucleotidi nei vari organismi varia di 6/76 12 ordini di grandezza, si va da un po’ meno di 10 a 10.

C’è corrispondenza tra complessità del genoma e la sua grandezza? No!

Ma c’è una corrispondenza tra la dimensione minima del genoma e la complessità del phylum o della classe.

È una scala che comprende la complessità dell’organismo e non del grado di evoluzione.

Si può trasmettere un’informazione genetica ad individui differenti, ad esempio da un batterio a un eucariote e viceversa, e questa verrà tradotta nella stessa maniera. Il codice genetico non differisce da specie a specie ma nemmeno da regno a regno. È universale.

Esempio: il tritone ha un genoma molto grande per il fatto che le sue cellule cercano di mantenere tutte le informazioni anche inutili, e quindi anche DNA ripetuto più volte quindi con informazioni spazzatura con il quale l’individuo potrebbe vivere correttamente anche senza.

Domanda: il genoma umano contiene: un numero di geni circa dieci volte superiore di quello del genoma di un tipico batterio. Batteri geni 4 mila geni e noi circa 23 mila.

Se si guarda la dimensione minima per gruppo, questa è più correlata alla complessità. Il minimo dei genomi degli uccelli e dei pesci è decisamente spostato rispetto al minimo dei genomi degli organismi unicellulari o dei vegetali che sono organismi più semplici. Non si può scendere sotto un certo numero di geni quindi per essere un animale ci vogliono un certo numero di geni, non si può scendere sotto quel minimo. Per aumentarlo ci vuole poco, si possono aggiungere parti che non servono. I geni delle amebe e delle felci sono pieni di parti che non servono. Il genoma minimo diventa più grande man mano che la complessità dell’organismo aumenta.

Se guardiamo i genomi batterici, si vede che c’è una correlazione precisa tra numero di geni e lunghezza in paia di basi. Dal punto di vista delle dimensioni e soprattutto dal rapporto tra il numero di geni e il numero di paia di basi, archea e batteri mostrano lo stesso tipo di andamento anche se gli archea sono molto differenti dai batteri. C’è un rapporto di circa 950 geni/Mb, mega base cioè un milione di paia di basi, i geni dei batteri e degli archea, in media, sono lunghi 1000 paia basi. Se esaminiamo la dimensione in termine di geni e in termine di nucleotidi negli eucarioti, si nota che la situazione cambia. Ad esempio, per l’uomo apparentemente i geni sono 320 volte più grandi rispetto a quelli dei batteri. In realtà non è così, questo è dovuto al fatto che il nostro genoma non contiene soltanto geni ma contiene anche molto altro, una componente del nostro genoma non è costituita da geni. Questo 4 paradosso di dislivello tra numero di geni e la quantità di DNA negli eucarioti rapportata ai batteri viene chiamato paradosso C. Genomic dark matter (materia oscura genomica), è tutto ciò che non è un gene o una struttura regolatoria ospita nel genoma degli eucarioti.

Cosa è un gene?

Cosa è un gene?

È un’unità funzionale del DNA che viene trascritta in RNA che può codificare una proteina ma ricorda una proteina può essere ricombinata con lo splicing e quindi non ci può essere un gene per una sola proteina perché essa può avere varie forme derivate dallo splicing.

Specie, caratteristiche, paia basi e geni

Dimensioni relative dei genomi e numero di geni:

• Arancione = batteri.
• Blu = archea.
• Giallo = eucarioti.

Archei e batteri hanno più o meno lunghi 950 geni.

L’uomo sapiens ha mille volte un nucleotide in più dei batteri ma in realtà abbiamo solo 5 volte più geni, e non 10 volte, questo perché abbiamo introni ed esoni e hanno ¼ del nostro genoma.

Quindi si hanno genomi diversi in grande e numero di nucleotidi che comporta differenze di riproduzioni, ma questi genomi non variano tanti a livello di geni.

Famiglie geniche ed evoluzione

5 Ancora meno differenza c’è se guardiamo le famiglie geniche ovvero è un gruppo di geni che mostrano una certa similarità di sequenza di DNA e derivano tutti da un gene ancestrale comune.

L'evento biologico che sta alla base delle famiglie geniche è la duplicazione genica seguita da fenomeni di divergenza.

Evolutivamente c’è stato un aumento dei geni ma un limitato aumento dei «tipi» di geni. Sono cioè aumentati i membri di famiglie geniche formate da geni correlati.

Quindi il genoma di 25 mila geni può essere raggruppato in famiglie di geni che hanno simile caratteristiche, es. sono tutte auto ma di diversi modelli.

Tutti i pluricellulari hanno un simile numero di famiglie geniche invece il numero di geni totale è molto più ampio durante l’evoluzione.

Domanda: nel genoma umano il numero di famiglie geniche: è dello stesso ordine di grandezza delle famiglie geniche in Drosophilia, mosca. Stesso ordine di grandezza = 11000 e 17000.

Tutti i membri di una famiglia genica derivano da un gene ancestrale comune!

Durante l’evoluzione si è osservato un aumento dei membri delle famiglie geniche ma il numero di famiglie è rimasto costante.

Il crossing over ineguale

Il crossing over ineguale:

Uno dei motori importanti di questo tipo di evoluzione genomica risiede nel crossing-over ineguale, che può generare copie aggiuntive di geni, le quali possono «liberamente» divergere dall’originale senza necessariamente abbassare la fitness dell’individuo.

Nel crossing over normale alla fine si hanno due geni normali con uno o due geni scambiati.

Nel crossing over ineguale alla fine si hanno cromosomi diversi fatti con geni ineguali, con uno con una coppia e uno con 3 geni e i gameti con queste modifiche vengono utilizzati può causare anche la morte dell’individuo di solito muore a chi manca un gene, difficilmente si muore perché si ha un gene di troppo.

Se l’individuo sopravvive si avranno 3 geni che possono essere tutti attivi oppure no. Dal momento che un genoma ha una copia in più del gene ed è vitale, a questo gene aggiunto possono essere attribuiti compiti differenti che non potevano essere attribuiti ai geni già presenti perché erano già importanti per altre funzioni.

→ Questo è il principio dell’evoluzione.

6 In questo modo si sono generate famiglie geniche come il cluster, classi diverse, delle globine, i cui membri hanno assunto caratteristiche funzionali leggermente differenti e funzionali allo sviluppo dell’organismo. Attraverso l’analisi comparativa delle sequenze delle isoforme dell’emoglobina è possibile risalire ad una cronologia della loro divergenza. Queste date (di milioni di anni fa) le sappiamo approssimamente attraverso l’analisi della documentazione fossile per vedere le divisioni passate e confrontarle con quelle attuali.

Studiare l’evoluzione dei genomi è importante per sapere come costruire test genetici specifici, bisogna sapere che spesso il genoma ha dei geni che si assomigliano quindi bisogna essere sicuri di rilevare quel determinato gene e non un gene simile ad esso, e per cercare dei farmaci specifici che agiscono su determinati tipi di organismi ma non su altri, alcuni organismi hanno enzimi diversi dai nostri perché hanno avuto divergenze in momenti differenti e quindi un farmaco specifico agirà su questi enzimi senza agire sulla cellula ospite.

Exon shuffling

Exon shuffling:

Un'altra linea di cambiamento dei genomi è il riarrangiamento esonico (exon shuffling) ovvero vediamo tra geni non correlati ci sono dei moduli, domini funzionali comuni ovvero utilizzati in entrambi i geni. Ad esempio nel fattore nono e nella urochinase hanno la stessa struttura modulare di una proteina, blocchetto marrone ripetuto.

I nostri genomi sembrano che siano stati costruiti partendo da un numero limitato di elementi che vengono riarrangiati in modi differenti.

Quindi vari moduli si trovano «riutilizzati» in molte proteine non correlate come funzione e che non sono derivate l’una dall’altra attraverso duplicazione e diversificazione.

Esoni e introni

Esoni e introni = Questo fenomeno collega l’evoluzione con l’esistenza stessa dell’organizzazione di esoni ed introni. Abbiamo un genoma formato da introni ed esoni, gli introni esistono per far sì che esistono gli esoni. Gli esoni nell’evoluzione sono stati riarrangiati. Si osserva che i moduli che compongo i vari geni sono contenuti integralmente negli esoni, un esone corrisponde ad un modulo oppure due esoni corrispondono a un modulo. Gli esoni sono una base favorevole per i riarrangiamenti genomici. Gli introni si autodefiniscono come tali grazie alle loro estremità di inizio e di fine, un introne viene riconosciuto dai meccanismi di splicing come tale grazie alla sequenza iniziale e a quella finale. Tutti gli introni hanno estremità compatibili cioè tutte le estremità di inizio sono compatibili con le estremità finali. Gli introni sono circa 10 volte più lunghi degli esoni, quindi un gene che si rompe, si romperà a livello di un introne che è molto più lungo.

Ricorda = tutti gli introni sono delimitati da brevi sequenze iniziali e finali uguali che si conservano. I riarrangiamenti casuali all’interno di sequenze codificanti, possono essere facilmente produttivi grazie al fatto che gli introni sono molto più grandi, 10 volte, degli esoni e che sono delimitati da sequenze brevi e conservate.

7 Esempio = ho due geni, gene 1 e gene 2. Se un frammento casuale del gene 1 si rompe, sia composto da due introni che circondano un esone, la cosa più facile che accada è che questo pezzettino si inserisca in un nuovo gene e si inserisca nella parte intronica del nuovo gene. Quindi, l’introne chimerico funziona come un introne normale e quindi potrà andare incontro ad uno splicing normale. Se questo gene viene trascritto, si formerà un nuovo RNA messaggero in cui è stato aggiunto un esone in più.

Gene1 Frammento casuale del gene 1 (nuovo) Gene2 Nuovo messaggero.

L’esone che è stato aggiunto può contenere un modulo funzionale che potrà aggiungere una funzione alla proteina che viene trascritta dal gene. È più facile ottenere proteine con un significato funzionale riarrangiando dei pezzetti già funzionanti piuttosto che riarrangiando i singoli nucleotidi all’interno di un gene.

Questo meccanismo non ha niente a che fare con lo splicing che è un fenomeno che avviene quotidianamente in tutte le cellule che devono esprimere dei geni. Il riarrangiamento esonico avviene su scala evolutiva, gli esoni costituiscono dei mattoncini con i quali il genoma viene costruito attraverso riarrangiamenti. I moduli che costituiscono le proteine sono contenuti nei singoli esoni o in una coppia di esoni adiacenti. È come se questi moduli fossero contenuti negli esoni.

Questo metodo favorire il riarrangiamento per il fatto che è molto più facile riarrangiare un gene già conosciuto rispetto che a riarrangiare moduli sconosciuti o fa creare dal nulla. Questo è stato fatto nelle proteine funzionali. L’evoluzione ha sfruttato la possibilità di riarrangiare blocchetti funzionali per generare delle nuove proteine funzionali.

Quale è la causa dei riarrangiamenti del DNA?

8 Quale è la causa dei riarrangiamenti del DNA?

• In alcuni casi si tratta di eventi casuali, dovuti al fatto che il DNA si trova in un ambiente acquoso, l’acqua è una sostanza reattiva che provoca l’idrolisi del