Appunti Biologia e genetica

Semiconservativa: Ad ogni ciclo di replicazione la doppia elica si apre e le

 cellule figlie avranno un filamento vecchio ed uno nuovo, con stesso corredo

genetico. Questo modello è l’unico possibile, e sfrutta la capacità del DNA di

denaturarsi sintetizzando una copia di sé stesso.

Dispersiva: In questo modello si hanno frammenti vecchi e frammenti

 nuovi all’interno dello stesso filamento; è un tipo di duplicazione ad alto

rischio di errori.

Esperimento di Meselson-Stahl (1958) è stato fondamentale per determinare il

meccanismo semiconservativo di duplicazione del DNA. Meselson e Stahl fecero

crescere dei batteri Escherichia coli in un terreno di coltura ricco dell'isotopo

pesante N15. L’utilizzo dell’azoto non era casuale, ma fu scelto poiché essendo

presente nelle basi azotate, i batteri una volta cresciuti prendevano l’azoto dal

terreno di coltura.

Questi batteri metabolizzarono N15, che si introdusse in molte molecole

biologiche, tra cui le basi azotate del DNA. In questo modo il DNA presente nei

batteri risultava un "DNA pesante", poiché inglobava atomi di azoto più pesanti

della norma. Alcuni batteri furono prelevati e da essi venne estratto il loro DNA,

per aggiungerlo ad una provetta contenente una soluzione concentrata di cloruro

di cesio e centrifugarla. In queste condizioni, nella provetta si formò un gradiente

di densità, perché il cloruro di cesio tende a concentrarsi verso il fondo. Una volta

formato il gradiente di densità, il DNA migra per fermarsi nella regione della

soluzione con densità uguale alla sua. Ciò che si vide sperimentalmente fu una

banda verso il fondo della provetta.

A questo punto, alcuni batteri furono trasferiti dal primo terreno di coltura ad un

nuovo terreno, in cui era presente N14. Trascorsi 20 minuti, tempo necessario per

la formazione di una nuova generazione di batteri, alcuni batteri furono prelevati

dal terreno standard per estrarre il loro DNA. In seguito ad una centrifugazione, si

ottenne un'unica banda posta in posizione superiore rispetto a quella del caso

precedente: il DNA era quindi più leggero. Questo metodo fu fondamentale poiché

permise di separare due molecole con peso molto simile, capendo quale fosse la

più leggera.

Esperimento di Griffith (1928) fu uno dei primi esperimenti a suggerire che i

batteri sono in grado di trasferire informazioni genetiche mediante il processo della

trasformazione. L'ufficiale medico inglese Frederick Griffith stava studiando il

batterio pneumococco, uno degli agenti patogeni della polmonite umana, per

sviluppare un vaccino contro questa malattia che al tempo, prima della scoperta

degli antibiotici, mieteva molte vittime.

L’esperimento dimostra che un agente chimico non vivente presente nel ceppo

virulento del batterio pneumococco è responsabile della morte del topo. Questo

agente chimico è in grado di trasferirsi e trasformare geneticamente i batteri non

virulenti della forma virulenta.

Il ceppo S (smooth) era costituito da cellule che producevano colonie a superficie

liscia. Essendo ricoperte da una capsula polisaccaridica, queste cellule erano

protette dagli attacchi del sistema immunitario dell’ospite. Se iniettate in topi di

laboratorio, esse si riproducevano e provocavano la polmonite (il ceppo era quindi

virulento). Il ceppo R (rough) era costituito da cellule che producevano colonie con

superficie irregolare, prive di una capsula protettiva e non virulente. Era già noto

dai tempi di Pasteur che il calore era in grado di rendere innocue le colture

batteriche, così Griffith inoculò in alcuni topolini degli pneumococchi S uccisi dal

calore e osservò che i batteri erano disattivati, cioè incapaci di produrre l’infezione.

Quando però Griffith somministrò a un altro gruppo di topi una miscela di batteri R

vivi e batteri S uccisi dal calore, notò che gli animali contraevano la polmonite e

morivano. Esaminando il sangue di questi animali, Griffith lo trovò pieno di batteri

vivi, molti dei quali dotati delle caratteristiche del ceppo virulento S; egli concluse

che in presenza degli pneumococchi S uccisi, alcuni degli pneumococchi R vivi si

erano trasformati in organismi del ceppo virulento S.

La struttura tridimensionale delle molecole di DNA è stata descritta nel 1953

da Watson e Crick. Proposero che il DNA è costituito da due catene

polinucleotidiche avvolte a spirale in senso destrogiro, formando una doppia elica.

Definirono anche che nelle molecole di DNA ci fossero uguali quantità di adenina-

timina e guanina-citosina. La doppia elica è stabilizzata da 2 tipi di interazioni:

Legami idrogeno tra le coppe di basi, che sporgono da ciascuna delle due

catene. Le basi devono presentare una corretta disposizione dei gruppi donatori e

accettori di legami idrogeno. Ciò si verifica solo se adenina si trova di fronte a

timina e guanina si trova di fronte a citosina, formando le coppie di basi

complementari (A-T e G-C). Le forze di van der Waals tra basi sovrapposte,

con molecole delle basi piatte che possono creare estese interazioni.

Le due catene hanno direzioni opposte, poiché dove troviamo estremità 5’,

nell’altra catena troviamo estremità 3’ (andamento antiparallelo). La sequenza

nucleotidica di una catena della doppia elica è libera, perché in ogni posizione può

essere presente uno dei quattro nucleotidi che costituisce il DNA; tuttavia, una

volta definita la sequenza di una delle due catene, la sequenza dell’altra è

completamente vincolata, in quanto deve presentare le basi complementari a

quelle presenti sulla catena opposta. Le due catene hanno quindi sequenze

diverse, ma complementari.

La duplicazione del DNA è bidirezionale e avviene mediante bolle di

replicazione. L’innesco che rende disponibile estremità 3’ è un frammento di RNA

primer, sintetizzato da DNA primasi, successivamente rimosso. Dato che DNA

polimerasi può sintetizzare il DNA solo in direzione 5’-3’, soltanto il filamento

parentale con estremità libera 3’ può essere copiato in modo continuo; l'altro

filamento viene invece copiato in direzione 3’-5’, replicandosi per frammenti di

Okazaki (brevi catene nucleotidiche che si formano durante la duplicazione di una

molecola di DNA sul filamento con estremità libera 5’) man mano che DNA

polimerasi avanza svolgendo la doppia elica, grazie all’apertura della forcella di

replicazione. I frammenti di Okazaki sono poi uniti da DNA ligasi, formando l'intero

filamento complementare allo stampo parentale.

Gli istoni sono proteine associate al DNA,

coinvolte in determinazione della struttura

cromosomica ed espressione genica. Possiamo suddividere gli istoni in 5 categorie:

H1, che forma interazione tra nucleosomi, e H2A-H2B-H3-H4, che formano i

nucleosomi. Il ruolo strutturale degli istoni è determinato dalla loro capacità di

immagazzinare e condensare il DNA, raggruppando la lunga molecola in un breve

ammasso di cromatina detto nucleosoma, primo livello di condensazione del

DNA. Esso è costituito da un core, formato da tanti giri di DNA avvolti attorno ad un

ottamero proteico, costituito da 4 coppie di unità istoniche differenti.

La sequenza di DNA che costituisce il gene per la sintesi proteica presenta, al suo

interno, altre sequenze ripetute di nucleotidi, chiamate introni, che non vengono

utilizzate per codificare gli amminoacidi da inserire nella proteina. Il gene è perciò

formato da sequenze nucleotidiche che codificano gli amminoacidi, chiamate

esoni, intervallate da sequenze di introni non codificanti. Il processo di rimozione

degli introni è detto splicing, condotto da RNA messaggero.

Il DNA, insieme a diverse proteine, si organizza in una struttura detta

cromosoma. I cromosomi sono 46 molecole di DNA duplicate e spiralizzate, visibili

solo durante la divisone cellulare. Sono costituiti da cromatina, contenuto

granulare del nucleo formato da fibre contenenti DNA e proteine. Quando una

cellula non è in divisione, la cromatina si trova sotto forma di lunghi filamenti.

Esiste eucromatina, regioni attive poco condensate con sequenze trascritte, ed

eterocromatina, regioni silenziate molto condensate con elementi ripetitivi.

L’impalcatura della cromatina è formata da proteine non istoniche, dotate di carica

parzialmente negativa.

Il secondo tipo di acido nucleico è RNA, coinvolto nel processo di sintesi proteica.

Ogni RNA è caratterizzato da una propria sequenza nucleotidica, specificata dalla

sequenza nucleotidica del segmento di DNA che costituisce il gene per quel RNA;

uno dei filamenti di DNA che costituisce il gene, in base alla legge di

complementarità delle basi, funge da stampo e seleziona i nucleotidi del RNA. RNA

è composto da una singola catena polinucleotidica, che può ripiegarsi a formare

tratti a doppio filamento intramolecolare. Esistono 3 tipi di RNA:

RNA ribosomiale: Entra nella costituzione dei ribosomi, coinvolti nella

 sintesi proteica.

RNA transfer: Trasportatori degli aminoacidi per la sintesi proteica.

 RNA messaggero: Deputato al trasferimento di informazioni per la

 sequenza di aminoacidi delle proteine sintetizzate, nel processo di sintesi

proteica.

La sintesi proteica è il processo che porta alla formazione di una nuova proteina,

ossia una sequenza di amminoacidi denominata catena polipeptidica. Avviene in 2

fasi: Trascrizione: Avviene nel nucleo, dove mRNA possiede il gene del DNA

 trascritto, con l’informazione che passa da DNA a RNA.

Traduzione: Avviene nei ribosomi del citoplasma, e viene tradotta

 l'informazione da sequenze di nucleotidi a sequenze di amminoacidi, che

formeranno in seguito la proteina. Al processo servirà per forza il codice

genetico, con l'informazione, indispensabile per la sintesi proteica, che passa

dai geni alle proteine (Dogma Centrale della Biologia).

La trascrizione vede RNA-polimerasi sintetizzare il nuovo filamento di mRNA, che

ha trascritto il messaggio dalla sequenza genica del filamento stampo di DNA, per

uscire dai pori nucleari del nucleo, subendo il processo di splicing. Si assemblano

nel citoplasma le 2 subunità del ribosoma, con la minore che si aggrega al tratto

iniziale del mRNA e la maggiore che si attacca ad essa subito dopo.

Nel punto di attacco dell’enzima RNA-polimerasi, i due filamenti del tratto di DNA

corrispondenti ad un gene si aprono, con uno di essi che fa da stampo per la

sintesi di una molecola di mRNA ad esso complementare. RNA-polimerasi si sposta

lungo il filamento stampo di DNA aggiungendo nuovi ribonucleotidi ad estremità 3’

del nuovo filamento di mRNA, con direzione 5’-3’. Per iniziare la si