Appunti parziali di Genetica

CELLULE EUCARIOTE E CELLULE PROCARIOTE

Tutti gli organismi viventi si possono differenziare in due gruppi a seconda della struttura fondamentale

delle loro cellule: i procarioti e gli eucarioti. I procarioti includono batteri ed archea e sono costituiti da

cellule antiche, piccole e semplici. Gli eucarioti comprendono alghe, protozoi, protisti e funghi e sono

costituti da cellule più complesse.

Il National Institute of Health (NIH) riporta che gli organismi procarioti si sono evoluti tra 3,8 e 3,9 miliardi di

anni fa, mentre gli organismi eucarioti (piante e animali) si sono sviluppati circa 2,7 miliardi di anni fa.

Attualmente, vi sono diverse teorie riguardanti questa evoluzione. La teoria più accreditata è

chiamata teoria endosimbiontica, formulata verso la fine degli anni Ottanta dalla genetista statunitense

Lynn Margulis. Secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che

si sono introdotti in cellule più grandi. Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi,

ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l’uno all’interno dell’altro.

COSA HANNO IN COMUNE I 2 TIPI DI CELLULE

Parete cellulare: posizionata all’esterno della membrana cellulare, costituisce uno strato molto più forte

• di quest’ultima conferendo resistenza strutturale alla cellula. La parete si trova in tutte le cellule delle

piante e in molti microrganismi, mentre è raro trovarla nelle cellule animali;

Membrana citoplasmatica (o cellulare): tutte le cellule possiedono una barriera di permeabilità che

• separa l’interno della cellula, costituito dal citoplasma, dall’ambiente esterno;

Citoplasma: miscela acquosa di macromolecole come proteine, lipidi, acidi nucleici e polisaccaridi;

• Ribosomi: organelli coinvolti nella sintesi delle proteine. Sebbene i ribosomi delle cellule eucariote siano

• più grandi, più complessi e legati da una membrana, in entrambi i tipi di cellule sono composti da due

subunità: una più grande e una più piccola (chiamate 60S e 40S negli eucarioti e 50S e 30S nei

procarioti).

DIFFERENZE

Nucleo/DNA: Gli eucarioti possiedono un nucleo delimitato da una doppia

• membrana nucleare interrotta da pori che permettono sia il passaggio di ioni e macromolecole, sia

l’interazione fra il nucleo e il citoplasma. La parte più attiva del nucleo, nella quale si trovano grandi

quantità di proteine enzimatiche e acidi nucleici, necessari a “leggere” il codice genetico, è

chiamata nucleolo. All’interno del nucleo vi si trova il materiale genetico del DNA lineare a doppia elica.

Le cellule procariote, invece, non hanno un nucleo ma una regione chiamata nucleoide, dove si colloca

il DNA. Oltre al DNA vi sono altri pezzi di DNA circolari, chiamati plasmidi.

Dimensioni celluari: le cellule procariote hanno un diametro generalmente compreso fra 1 e 5 µm, le

• cellule eucariote invece hanno diametri compresi tra i 10 e 30 micrometri.

Pluricellularità: le cellule procariote sono sempre unicellulari e non si aggregano in strutture più

• numerose e complesse, le cellule eucariote invece si possono associare in strutture pluricellulari.

COSA PRESENTANO SOLO GLI EUCARIOTI

Le cellule eucariotiche presentano organuli legati alla membrana:

Mitocondri: ovvero le “centrali energetiche” della cellula. Forse derivati da batteri che hanno iniziato a

• “convivere” con le prime cellule nucleate della storia, i mitocondri sono delimitati da una doppia

membrana che si flette all’interno formando creste e tubuli. Sulla membrana interna si trovano tutti gli

enzimi respiratori, mentre nella matrice che riempie lo spazio interno si trovano le sostanze necessarie

alla produzione di energia: zuccheri e grassi.

Lisosomi: vescicole sferoidali delimitate da una membrana singola, che contengono un’alta

• concentrazione di enzimi digestivi. Servono a distruggere organelli in eccesso o danneggiati, o molecole

inutilizzabili provenienti dall’interno della cellula o dall’esterno di questa;

Apparato di Golgi: organello di natura lipidica scoperto nel 1898 dall’italiano Camillo Golgi. L’apparato

• del Golgi immagazzina e rielabora proteine fino al momento del loro uso o fino alla loro espulsione dalla

cellula. Le vescicole, infatti, possono confluire nella membrana di altri organelli e arricchirli del proprio

contenuto, oppure possono fondersi con la membrana plasmatica ed espellere ciò che contengono;

Reticolo endoplasmatico: fitta rete di membrane doppie, ripiegate in varie forme che attraversa tutta la

• cellula. Alloggiati su queste membrane si trovano i complessi di enzimi che permettono specifiche

reazioni biochimiche. Inoltre sulle superfici si assemblano i ribosomi. La loro presenza massiccia dà al

reticolo endoplasmatico un aspetto “ruvido”: per contrasto, il reticolo endoplasmatico dove si trovano

pochi o nessun ribosoma, e la produzione di proteine è bassa o assente, è detto “liscio”;

Cellula VEGETALE

Vacuoli: organello legato alla membrana che è presente principalmente nelle cellule vegetali e fungine, la cui

• funzione principale è deputata alla riserva cellulare.

Cloroplasti: organelli contenenti clorofilla presenti in organismi fototrofi eucarioti, grazie a cui avviene la fotosintesi.

• Come i mitocondri, i cloroplasti possiedono una membrana esterna permeabile ed una membrana interna che

circonda la matrice interna, chiamata stroma, contenente gli enzimi chiave del ciclo di Calvin. I cloroplasti fanno parte

principalmente delle cellule vegetale e non delle cellule animali.

RNA: STRUTTURA E FUNZIONE

DNA: due catene polinucleotidiche che si avvinghiano l’una all’altra formando una struttura a doppia elica

del DNA. La molecole di DNA non è la prima molecola informazionale a comparire sulla Terra, ma è stata

preceduta da delle strutture più semplici, quelle dell’RNA, in un periodo spazio-tempo genetico che prende

il nome di “Mondo a RNA”.

Differenze tra RNA e DNA

Le differenze tra i due acidi nucleici non riguarda solo la STRUTTURA, ma anche la COMPOSIZIONE delle

molecole stesse.

La differenza strutturale tra DNA e RNA sta nel fatto che, l’RNA è costituita da una singola elica, mentre il

DNA da una doppia elica. —> differenza strutturale.

La differenza tra i due riguarda anche i loro elementi di base, i nucleotidi. —> differenza della

composizione.

Le basi azotate che entrano a costituire la molecola di DNA sono: Adenina, Gianina, Citosina e Timina.

Quelle che compongono l’RNA sono: Uracile, Gianina, Citosina e Timina.

L’altra differenza fondamentale è lo zucchero: deossiribosio per il DNA, ribosio per l’RNA.

L’ultimo costituente dei nucleotidi, cioè il gruppo fosfato, rimane inalterato nel DNA e nell’RNA, l’acido

ortofosforico.

Quali tipi di RNA sono presenti nella cellula?

Esistono almeno 3 diversi tipi di RNA all’interno della cellula; queste 3 entità si muovono simultaneamente

ed in perfetta sincronia:

1. RNA messaggero (mRNA): è una molecola a singolo filamento che assume nello spazio una

conformazione tridimensionale molto precisa; ha la funzione di trasportare un messaggio da un punto

all’altro della cellula, o meglio da una molecola ad un’altra entità. RNA messaggero si chiama così

perché ha la funzione di trasportare l’informazione genetica presente nel DNA verso altre entità cellulari,

i ribosomi, quegli organuli, presenti sia nelle cellule eucaristiche che procariotiche, in cui avviene il

processo di sintesi proteica.

2. RNA ribosomale (rRNA): non si tratta di una molecola lineare (come l’mRNA), ma di una molecola che

si ripiega su se stessa, perché ci sono all’interno della sequenza delle regioni che sono complementari e

che conseguentemente si appaiano tra di loro dando origine a delle strutture secondarie. Queste

strutture secondarie, che nello spazio assumono una forma precisa, sono fondamentali perché

permettono di prendere il contatto con le proteine ribosomali, con le, se si appaiano, formano un

complesso funzionante, ovvero un ribosoma funzionante. È ovvio che il nome è dovuto al fatto che sono

parte integrante degli orfanelli che svolgono la sintesi proteica.

3. RNA transfer o di trasferimento (tRNA): apparentemente è più semplice degli altri, ma più complesso.

È molto corto rispetto all’rRNA, ma analogamente ad esso, si formano delle strutture secondarie grazie

alla presenza di sequenze complementari all’interno della molecola. Tale conformazione prende il nome

di struttura a “trifoglio”. Svolge una funzione fondamentali: trasferiscono l’informazione genetica e

fanno parte del processo di traduzione.

Le due regioni chiave di questa molecola sono: l’estremità 3’ è il punto in cui si lega covalentemente ad

un determinato AA; oltre a questa regione, vi è l’ANTICODONE, costituito da 3 basi che prenderà

contatto, durante la traduzione, a 3 nucleotidi complementari dell’mRNA presente sui ribosomi.

Qual’è la funzione dell’RNA transfer? Da chi a che cosa trasferisce l’informazione genetica?

La molecole di tRNA trasferisce l’informazione genetica dall’mRNA alla proteina stessa; quindi è il

tramite, grazie al quale, si può trasformare un’informazione contenuta nell’mRNA ad una molecola più

complessa, la proteina.

Come avviene il legame covalente tra un AA e un tRNA specifico?

l’AA si lega al tRNA specifico grazie a degli enzimi specifici, gli amminoacil-tRNA-sintetasi (gli enzimi

chiave dell’evoluzione dei sistemi biologici). L’aminoacil-tRNA-sintetasi ha 3 siti di legame: uno per il

tRNA specifico, uno per l’AA che richiama quello specifico tRNA e uno per l’ATP (energia).

Il primo legame che permette di giungere alla formazione di un legame covalente tra AA e tRNA

specifico, è il legame tra l’AA e l’enzima, nel sito di legame per l’AA stesso. Nel secondo sito di legame

invece vi si lega l’ATP, in quanto, la sua successiva idrolisi, fornisce energia finché si possa giungere al

prodotto desiderato. L’enzima catalizza il legame tra AA e AMP (adenosin-monofosfato), a formare un

amminoacil-AMP; tale reazione porta alla perdita di 2 gruppi fosfato. La molecola di tRNA scarico (ciò

non legato ad un AA - è carico quando è legato all’AA), va a legarsi all’enzima sul 3 sito di legame.

L’enzima, a questo punto, trasferisce l’AA, dalla molecola di amminoacil-AMP, al tRNA legandolo

covalentemente, formando un amminoacil-tRNA. Tale reazione comporta il rilascio, nel mezzo esterno,

dell’AMP e dell’amminoacil-tRNA (tRNA carico). L’enzima ritorna al suo stato originale e può dunque

andare incontro ad un altro ciclo.

Deve esistere una molecola differente per ogni AA, perché sennò potrebbe accadere che non si leghi

correttamente al suo specifico tRNA.

IL SIGNIFICATO BIOLOGICO DEGLI INTRONI ED I RIBOZIMI- IL MONDO AD RNA

Sappiamo molto bene che i geni eucariotici sono molto diversi con quelli procariotici.

Un gene procariotico è essenzialmente costituito da una sequenza codificante (una proteina, un tRNA, un

rRNA) ed è circondata da sequenze regolare: la sequenza Shine e Dalgarno, il promotore e il terminatore di

trascrizione.

Un gene eucariotico, invece è molto diverso, in quanto la stragrande maggioranza di essi contengono (ad

esclusione dei geni che codificano gli istoni - gli istoni sono proteine basiche che costituiscono la

componente strutturale della cromatina. Il ruolo strutturale degli istoni determinato dalla loro capacità di

impacchettare e condensare il DNA, in modo tale che una lunga molecole di DNA lineare venga

impacchettato in un’ammasso di cromatina dalle dimensioni molto ridotte) delle sequenze non codificanti,

gli introni che si intercalano tra le sequenze codificanti, gli esoni. Gli introni sono sequenze che vengono

trascritte nel nucleo, ma dal passaggio da nucleo a citoplasma vengono perse. Sono sequenze molto più

lunghe degli esoni e sono un dispendio energetico e di materiale per la cellula, in quanto vengono trascritti.

Ciò significa che i geni degli eucarioti contengono una stragrande maggioranza di materiale che non serve

a codificare una proteina o un rRNA o tRNA. —> deve avere un importante significato biologico.

Nei procarioti gli introni non sono presenti, questo gli dà un vantaggio selettivo (vedi lezione sul genoma

dei batteri), vediamone 2 motivazioni:

- Accoppiamento trascrizione-traduzione: significa che l’mRNA viene tradotto dai ribosomi prima che sia

stato completamente trascritto, ciò permette ai batteri di rispondere velocemente alla fluitazione dei

parametri ambientali. Se nei geni procarioti fossero presenti gli introni, questa risposta sarebbe molto più

lenta, in quanto questi ultimi devono essere trascritti e poi eliminati prima di essere tradotti, e ciò

potrebbe portare il batterio a non sopravvivere in quelle determinate condizioni ambientali.

- Non dobbiamo immaginarci il mondo microbico. In un grammo di suolo ci sono 1 miliardo di cellule.

Questi microrganismi sono in cooperazione tra di loro, ma anche in competizioni perché possono usare

gli stessi nutrienti per sopravvivere —> (vedi lezione sul genoma dei batteri).

Ci sono almeno 4 motivi per cui gli introni sono presenti all’interno del gene eucariotico:

1. Legato alle MUTAZIONI: nella maggior parte dei casi sono deleterie, quindi se cambia la sequenza

nucleotidica di un gene può cambiare la struttura della molecola che viene codificata. La frequenza con cui

avviene una mutazione, durante la trascrizione, è 1/1000000. Quindi avere una sequenza di un gene

costituita totalmente da esoni significherebbe che, nel caso ci fosse una mutazione, colpirebbe una

sequenza codificanti compromettendone la struttura e la funzione del prodotto codificato da quel gene.

Avere degli introni molto lunghi, che si intercalano tra gli esoni, fa sì che nel caso di una mutazione tale

mutazione ricade con maggiore probabilità negli introni rispetto agli esoni. Quindi è come se gli introni

fossero delle spugne che proteggono le regioni codificanti dalle mutazioni che ricadono all’interno delle

sequenze di DNA.

2. Il secondo motivo è legato all’evento di CROSSING-OVER, cioè lo scambio di materiale genetico tra

cromatidi non fratelli di 2 cromosomi omologhi negli organismi eucariotici a riproduzione sessuale. Il

processo di crossing-over è un processo estremamente veloce. Come sappiamo, la velocità può andare a

scapito della accuratezza. Ne consegue che quando la Proteina RecA catalizza la rottura dei due cromatidi

fratelli, le molecole di DNA all’interno dei cromatidi interessati dalla rottura, vengono tagliate in molti punti.

La Ricombinasi RecA, una volta provocato il taglio, deve anche scambiare la molecola di DNA paterna con

quella materna e “ricucire” le molecole. Poiché le molecole del DNA sono tagliate in molti punti e lo

scambio deve avvenire velocemente è ALTAMENTE PROBABILE che si possano verificare degli errori

(MUTAZIONI) durante il processo di crossing-over.

Se questo è vero, ciò implica che durante la meiosi si dovrebbero verificare sempre delle mutazioni a carico

dei cromosomi interessati dal crossing-over. Queste mutazioni potrebbero essere, in linea di principio,

deleterie per la cellula.

Ne consegue che le cellule devono aver messo a punto un “meccanismo molecolare” che faccia in modo

che tali mutazioni non abbiamo effetto sulla cellula o che riducano moltissimo la probabilità che tali

mutazioni abbiano un effetto deleterio sulla sopravvivenza della cellula.

C’è un meccanismo che fa sì che venga ridotta tantissima la probabilità che queste mutazioni (durante il

processo di crossing-over) siano deleterie per la cellula? La presenza degli introni fa sì che tali mutazioni,

che avvengono durante il crossing-over ricadono all’interno degli introni.

3. È legato al meccanismo dello SPLICING ALTERNATIVO: un unico gene possa codificare più proteine

(questo vale anche nell’uomo). Consideriamo 5 casi (come in figura):

1 caso: gene costituito da 3 esoni (Ex1, Ex2, Ex3) e 2

introni. Si ha un processo di splicing normale in cui i

2 introni vengono eliminati in modo tale che la

proteina codificata sia costituita essenzialmente dai 3

esoni.

2 caso: avviene lo splicing tra il 1 espone e il 3

espone e quindi vengono eliminati sia Ex2, sia i due

introni. Ciò significa che la proteina che viene

codificata è costituita solamente da 2 esoni.

3 caso: viene mantenuto un introne. Ovvero viene

tolto solamente il 2 esone. Ciò significa che non

sempre gli introni sono sequenze non codificanti.

4 caso: l’eliminazione del 1 introne non avviene

correttamente, ma viene eliminato anche l’inizio del secondo esone e quindi si forma una proteina molto

più corta.

5 caso: anche in questo caso si forma una proteina più corta dell’originale, ma diversa dal caso 4, perché

vengono eliminate sia i 2 introni ma anche la parte terminale del 1 esone.

Quindi è un modo con cui la cellula può ottenere più proteine a partire da un unico gene, grazie alla

presenza di introni.

4. Il quarto motivo è quello che viene chiamato

l’EXON SHUFFLING (=rimescolamento degli esoni).

Prendiamo in considerazione 2 geni: Gene1 e Gene2,

diversi nella parte terminale. Analogamente anche il

Gen4, condividono con il Gene2, l’esone A.

È possibile che i geni 3 e 4 si siano originati dai geni 1

e 2? È legata ai processi di crossing-over, che può

avvenire tra tutte le molecole di DNA basta ci sia una

certa omologia di sequenze.

Amettiamo che i Geni1 e Geni2, presenti su due molecole di DNA diverse, si siano appaiati e che la

proteina RecA abbiamo effettuato un evento di crossing-over i