Genetica per biologia

UNIFI - Laurea in Scienze biologiche: genetica

I legami chimici

Prima di addentrarci nello studio della vera e propria genetica è bene fare un ripasso di chimica generale/organica, su quelli che sono i legami chimici fondamentali che vanno necessariamente saputi per affrontare al meglio questa materia.

I legami chimici si dividono in legami intramolecolari e legami intermolecolari. I primi sono forze di natura elettrostatica che tengono uniti più atomi in una specie chimica, tra questi troviamo (verranno indicati solo i legami di interesse alla materia), il legame covalente e il legame ionico.

I legami intermolecolari sono interazioni deboli di natura elettrostatica tra molecole neutre e ioni, tra questi di nostro interesse è il legame idrogeno.

Il legame covalente

Il legame covalente è un legame che vede interagire due atomi che mettono in compartecipazione un doppietto elettronico. Possiamo avere due casi: legame covalente apolare, dove gli atomi in gioco sono uguali e non vi è differenza di elettronegatività, dunque l’elettrone sarà portato a ruotare in modo equivalente intorno alle orbite di entrambi gli atomi. Gli esempi sono molteplici: O2, H2….

Poi abbiamo il legame covalente polare, un esempio tipico è l’HCl (acido cloridrico), dove in gioco ci sono due atomi la cui differenza di elettronegatività è molto più risentita (non maggiore di 1,9) e in questo caso l’elettrone sarà portato a ruotare verso l’atomo più elettronegativo, in questo caso il Cloro, generando due dipoli momentanei: uno negativo verso l’atomo di Cloro e uno positivo verso l’atomo di idrogeno.

Il legame ionico

Il legame ionico si definisce legame ionico la forza di attrazione elettrostatica che si stabilisce tra due ioni di carica opposta. Il legame ionico si forma tra atomi o gruppi di atomi tra i quali sia avvenuto uno scambio di elettroni: l'atomo o il gruppo atomico che cede elettroni si trasforma in ione positivo (catione), l'atomo o il gruppo atomico che acquista elettroni si trasforma in ione negativo (anione). Il legame ionico si instaura con facilità tra elementi aventi un'elevata differenza di elettronegatività. (Se sei interessato ci sono altre info su Sapere.it)

Il legame idrogeno

Per quanto riguarda il legame idrogeno si tratta di una forza di natura elettrostatica che avviene tra due molecole (o più). Il legame idrogeno implica un legame covalente tra un atomo di idrogeno (H) e atomi più elettronegativi, precisamente Fluoro (F), Azoto (N) e Ossigeno (O). L’interazione che si instaura tra questi atomi internamente alla molecola è di tipo covalente polare (vista la differenza di elettronegatività), ma si vede che tra le molecole vi è un’interazione reciproca che permette di legare le une alle altre.

Entriamo in un esempio specifico per intenderci meglio. La molecola di acqua H2O. Singolarmente la molecola di acqua è unita insieme da un legame covalente polare, il quale genererà due dipoli, uno positivo sull’atomo di idrogeno e uno negativo su quello dell’ossigeno, i legami che si verranno a instaurare con le altre molecole di acqua, saranno favoriti dall’attrazione tra le diverse cariche H+ con O- e viceversa.

Cellule procariote e cellule eucariote

La cellula è l’unità fondamentale della vita. Ne esistono di due tipi: procariote ed eucariote. Le prime riguardano organismi unicellulari o archei, le seconde invece organismi pluricellulari e anche unicellulari. Ma andiamo a descriverle separatamente. Ricordo che non ci addentreremo nel dettaglio specifico di ogni organulo, dunque eventualmente è consigliato consultare un libro.

Cellule procariote

Le cellule procariote sono molto semplici, sono più piccole rispetto alle eucariote e strutturalmente più semplificate. Queste cellule presentano il materiale genetico libero nel citoplasma, gli organelli di membrana non sono presenti ma troviamo i ribosomi implicati nella sintesi delle proteine.

Il fatto che la cellula procariotica sia così semplice risiede nel fatto che essa deve avere tempi di adattamento all’ambiente esterno molto brevi, ad esempio un banale cambiamento di temperatura, deve causare un’immediata mutazione a livello cellulare per permetterne la sopravvivenza, cosa che nelle cellule eucariote richiederebbe tempi molto più lunghi. In genere si replicano molto velocemente grazie alla scissione binaria.

Cellule eucariote

Le cellule eucariote sono invece più complesse. Innanzi tutto si possono suddividere in cellule eucariote vegetali e animali. Le prime presentano una parete cellulare rigida che garantisce la filtrazione, sono poi presenti due strutture aggiuntive tra cui i vacuoli, vescicole all’interno delle quali si trovano le sostanze tossiche o di rifiuto, e i cloroplasti implicati nella sintesi clorofilliana (6CO2+2H20⇒C6H12O6+6 O2).

Le cellule eucariote animali sono simili alle vegetali, l’unica differenza risiede nel fatto che le strutture sopracitate sono assenti, dunque noi troviamo: una membrana plasmatica, costituita da fosfolipidi, il citoplasma all’interno del quale troviamo: Apparato di Golgi, mitocondri, ribosomi, citoscheletro, reticolo endoplasmatico, lisosomi e centrioli. Ovviamente il nucleo presente sia nelle vegetali che animali contiene il DNA.

Mitosi

La mitosi è un processo di riproduzione cellulare asessuata tra cellule, dove da una cellula madre si passa a due cellule figlie identiche.

Il ciclo cellulare si suddivide in tre fasi:

• Interfase: G1 (intervallo pre-sintesi), S (sintesi del DNA), G2 (intervallo post-sintesi)
• Mitosi
• Citodieresi: divisione cellulare.

La mitosi si divide in quattro fasi:

• Profase: la cromatina si addensa, i centrioli si separano, i cromosomi si ispessiscono, il nucleo inizia a sparire.
• Metafase: si forma il fuso mitotico e i cromosomi si allineano sulla piastra metafisica, scompare la membrana nucleare.
• Anafase: separazione dei due cromatidi fratelli, i cromosomi migrano ai poli opposti.
• Telofase: si forma la membrana nucleare attorno a ogni gruppo di cromosomi.

Meiosi

La Meiosi è un processo di replicazione attraverso il quale da una cellula eucariotica con corredo cromosomico diploide (2n) si passa a 4 cellule aploidi (n).

Abbiamo due divisioni meiotiche entrambe precedute da un’interfase, ma soltanto nella prima si ha la replicazione del DNA.

Nella prima divisione meiotica (seguendo l’esempio qui di fianco), abbiamo quattro cromosomi. Caratteristica è la profase I, perché in questa fase abbiamo il processo chiamato crossing over, che permette la ricombinazione genica attraverso lo scambio di parti di cromosoma permesso dalla proteina RecA, la cui funzione è quella di attaccare porzioni omologhe di materiale genetico, fra due cromatidi appartenenti a due cromosomi diversi di una coppia di omologhi.

Poi abbiamo il susseguirsi delle altre rispettive fasi Metafase I, Anafase I (che non vede la divisione dei cromatidi fratelli, ma i cromosomi, a coppie di due si separano ai poli opposti), Telofase I, la quale darà come risultante due cellule con ancora corredo cromosomico doppio rispetto al necessario. Per questo motivo sarà necessario entrare in una seconda divisione meiotica, preceduta da una interfase, ma questa volta senza replicazione del DNA, il cui processo sarà praticamente uguale a quello visto della mitosi. Il risultato darà quattro cellule con corredo dimezzato aploide.

Le leggi di Mendel

Tra i primi studi genetici troviamo quelli del monaco Mendel che in certo senso diede le prime basi, per gli studi che lo seguirono.

Lui si concentrò sullo studio della pianta del pisello odoroso (Lathyrus odoratus), in quanto esisteva in più varianti (fiore giallo, fiore rosso, gambo lungo e corto, pisello rugoso, liscio, verde e giallo), era ermafrodita e inoltre il bocciolo del fiore aveva una struttura quasi protettiva, il che permetteva una facile autoimpollinazione, senza contaminazioni esterne.

I primi studi si concentrarono sulle varianti del colore del fiore, rispettivamente Rosso e Giallo. Prima di procedere all’incrocio tra i due caratteri si accertò di avere due linee pure, ossia fece riprodurre per più generazioni piante con fiori rossi con piante con fiori rossi, in modo da avere la garanzia di avere un gruppo con unicamente quel carattere, allo stesso modo decise di procedere con le piante a fiore giallo.

Decise poi di incrociare le due linee pure, ossia fiori rossi con fiori gialli, come risultante ottenne unicamente fiori di colore rosso, il che significava che in qualche modo esistevano dei caratteri dominanti (rossi) rispetto ad altri, che in incrocio prevalevano sui recessivi (gialli). Dunque il fenotipo, ossia la caratteristica visibile all’occhio, era quella rossa, ma il genoma era ibrido, ossia conteneva sia geni contenenti caratteristiche rosse che geni contenenti caratteristiche gialle. Ecco la tabella sulla prima generazione filiale (F1): R=rossi g=gialli Rg=eterozigoti dominanti rossi.

Legge della dominanza dei caratteri o della uniformità degli ibridi

Incrociando tra loro individui che differiscono per un solo carattere, si ottengono alla prima generazione ibridi tutti uguali.

Decide a questo punto di fare un incrocio tra ibridi e quello che ottenne furono per la maggior parte piante a fiore rosse e un piccolo gruppo di piante a fiore giallo (F2) in rapporto 3:1.

RR=omozigote dominante rosso
Rg=eterozigote dominante rosso
gg=omozigote recessivo giallo

Legge della segregazione

Alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli ibridi della prima, gli alleli che controllano un determinato carattere si separano (segregano) e vengono trasmessi a gameti diversi. Si ottengono 1/4 degli individui con il carattere recessivo e 3/4 con il carattere dominante. Di questi ultimi 2/3 sono eterozigoti, 1/3 è omozigote.

A questo punto Mendel decise di fare un incrocio tra più caratteri e questa volta si concentrò sul pisello stesso che poteva essere giallo e liscio e verde e rugoso.

Prima di tutto separò le due linee pure, dunque per più generazioni fece incrociare piante a seme liscio e giallo e dall’altra parte piante a seme rugoso e verde.

Dopo di che incrociò i due caratteri generando una F1, dal quale ricavò unicamente piante a seme liscio e giallo: GvLr: dominanza giallo e liscio.

A questo punto decise di incrociare gli ibridi ottenuti (per quanto riguarda il genoma) e ottenne un buon numero di semi gialli e lisci, solo un piccolo gruppo di semi verdi e rugosi, ma significativo fu il fatto che alcuni caratteri si erano segregati andando a mescolarsi con altri, infatti ottenne semi gialli e rugosi e semi verdi e lisci (F2). Secondo la tabella in rapporto 9:3:3:1.

Legge dell'assortimento indipendente

Incrociando individui che differiscono tra loro per due o più caratteri, ogni coppia di alleli per ciascun carattere viene ereditata in maniera del tutto indipendente dall'altra. Si hanno così tutte le possibili combinazioni degli alleli di ciascuna coppia e la comparsa di individui con caratteri nuovi.

I primi studi sul DNA

Esperimento di Griffith del 1928

Lo studioso Griffith studiò l’effetto del batterio della polmonite Streptococcus Pneumoniae, sui topi. Questo batterio esiste nella variante virulenta che causa la morte e una variante non virulenta non pericolosa.

Ecco i passaggi:

• Sottopose un topo alla variante virulenta che ne causò il decesso.
• Sottopose un topo alla variante non virulenta e non ebbe conseguenze.
• Causò la morte del batterio sottoponendolo a calore e poi sottopose il topo al batterio morto, in questo caso il topo sopravvisse.
• In ultimo sottopose il topo sia al batterio non virulento che al batterio virulento morto in precedenza, la conseguenza fu la morte del topo.

Griffith arrivò alla conclusione che secondo un principio di trasformazione il DNA del batterio virulento morto era stato trasferito al batterio non virulento, facendolo appunto diventare virulento e pericoloso causando la morte del topo.

Esperimento di Avery

L'esperimento di Avery si basa sull'impianto sperimentale di quello compiuto da Griffith. Avery si procurò una coltura di Streptococcus Pneumonie e ne lisò le cellule in modo tale da ottenere l’estratto cellulare.

Il materiale genetico doveva presumibilmente essere uno dei diversi tipi di macromolecole biologiche presenti nei batteri: (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici – ovvero DNA e RNA – e lipidi). Avery e colleghi riuscirono a separare l'estratto cellulare nelle varie componenti macromolecolari appena citate. Successivamente cercarono di capire quali di queste sostanze erano effettivamente in grado di trasformare batteri avirulenti in batteri virulenti. Le cavie sopravvivevano quando trattate con tutte le biomolecole tranne gli acidi nucleici: il materiale genetico doveva essere quindi DNA e/o RNA.

Il materiale genetico doveva presumibilmente essere uno dei diversi tipi di macromolecole biologiche presenti nei batteri: (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici – ovvero DNA e RNA – e lipidi). Avery e colleghi riuscirono a separare l'estratto cellulare nelle varie componenti macromolecolari appena citate. Successivamente cercarono di capire quali di queste sostanze erano effettivamente in grado di trasformare batteri R avirulenti in batteri S virulenti. Le cavie sopravvivevano quando trattate con tutte le biomolecole tranne gli acidi nucleici: il materiale genetico doveva essere quindi DNA e/o RNA.

Il DNA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è una molecola costituita da nucleotidi formati da:

• Molecola di desossiribosio
• Gruppo fosfato
• Base azotata

Il desossiribosio è uno zucchero pentoso a cinque atomi di carbonio. Si differenzia da ribosio in quanto il carbonio 2 invece di fare un legame con gruppo idrossilico, si lega esclusivamente a un atomo di idrogeno. Il carbonio 5 e il carbonio 3 invece sono implicati nel legame con il gruppo fosfato. La direzione opposta del carbonio 5 e carbonio 3 tra le due eliche le rende antiparallele.

Le basi azotate si dividono in:

• Pirimidine: in cui troviamo timina, uracile (nell’RNA) e citosina, che sono a singolo anello eterociclico esagonale.
• Purine: in cui troviamo adenina e guanina, che sono molecole a doppio anello eterociclico esagonale e pentagonale.

Il legame tra le rispettive basi segue regole precise: timina e adenina si legano tra di loro attraverso un doppio legame idrogeno; mentre citosina e guanina si legano tra di loro attraverso un triplo legame idrogeno.

Gli studi di Meselson e Stahl, sul DNA permisero di aggiungere un’altra proprietà alla molecola: il fatto che fosse semiconservativa. Ossia un filamento parentale è utilizzato come stampo per il nuovo filamento. Ma come arrivarono a questa conclusione?

Fecero cr