Genetica agraria

Genetica agraria

La genetica è la scienza che studia i fenomeni dell’ereditarietà e della variabilità. Le fonti di variabilità sono: mutazione

(variazioni nel DNA dei singoli individui), ricombinazione (dei geni durante il processo meiotico) e selezione (la selezione

della progenie verrà determinata dagli individui con caratteristiche migliori). La gen. agraria studia (in ordine di

scoperta):

1. la genetica della trasmissione: trasmissione dei geni da una generazione alla successiva;

2. la genetica quantitativa: l’eredità di caratteri determinati dall’azione di molti geni, soggetti all’influenza

dell’ambiente (eredità poligenica);

3. la genetica di popolazione: l’eredità di caratteri determinati da pochi geni in gruppi di individui;

4. la genetica molecolare: la struttura e la funzione degli acidi nucleici.

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La genetica molecolare Possiamo individuare delle tappe storiche fondamentali:

• 1866: Mendel pubblica i risultati dei suoi esperimenti dove introdurrà i principi dell’eredità

• 1871: Miescher isola dal nucleo una sostanza contenente elevata quantità di azoto e fosforo che chiama

“nucleina”.

• 1902: Bateson traduce in inglese la ricerca di Mendel

• 1925-1929: Levene determinò la composizione della “nucleina” formata da due acidi nucleici (DNA, RNA)

• 1944: Avery, McCarty, Mcleod dimostrarono una volta per tutte che il materiale ereditario si trova negli acidi

nucleici, nello specifico nel DNA.

• 1953: Watson e Crick dedussero il modello a doppia elica del DNA.

Intorno agli anni 40 si cercò di identificare la molecola che potesse essere responsabile dell’ereditarietà e della

variabilità; molti avevano individuato erroneamente questa molecola nelle proteine. Questa molecola, dunque, doveva

avere delle caratteristiche:

• Replicazione accurata

• Struttura stabile

• Trasportare l’informazione biologica

• Trasferire l’informazione biologica a tutte le cellule

• Subire piccoli cambiamenti (mutazioni) ereditabili.

Scoperta della trasformazione batterica basata sugli esperimenti di Griffith:

Prese 2 ceppi di Streptococcus pneumoniae, nell’uomo produce polmonite mentre nei topi è letale, di cui uno detto S

per smooth (liscio), in quanto possiede una capsula carboidratica che rende il ceppo virulento perché il sistema

immunitario non lo riconosce, e l’altro detto R per rough (rugoso), che non possiede la capsula, il che rende il ceppo non

virulento.

1) Quando iniettato in un topo, il ceppo S lo uccide ed è possibile recuperarne batteri S.

2) Quando iniettato in un topo, il ceppo R lo lascia in vita ed è possibile recuperarne batteri R.

3) I batteri S vennero quindi sottoposti al calore per smantellarne la struttura cellulare, e dopo essere stati iniettati nel

topo questo rimane in vita, ma non è possibile recuperare nessuna colonia.

4) I batteri R vivi e mescolati a batteri S uccisi col calore, quando iniettati nel topo questo muore ed è possibile

estrarne ANCHE batteri S. È avvenuta una trasformazione dal ceppo R al ceppo S, ciò significa che l’estratto

acellulare del ceppo S contiene un principio trasformante.

Esperimenti di Avery, McCarty, Mcleod per identificare il Principio trasformante.

Si prese il ceppo R + l’estratto acellulare S.

I batteri vennero separati dai loro componenti con lo scopo di scoprire quale fosse a determinare la trasformazione,

laddove questa non avveniva a seguito dell’esclusione. Il risultato fu che, allontanando i polisaccaridi, lipidi, proteine ed

RNA il ceppo R continuava a trasformarsi. A seguito della separazione dal DNA era possibile estrarre soltanto il ceppo R.

Ciò che accadeva era che, a seguito della degradazione della cellula con il calore, i cromosomi contenenti il gene S

(virulento) si frammentavano per andarsi poi a reinserire tramite una ricombinazione in una cellula R non virulenta,

avvenendo così la trasformazione.

Esperimento Harsey e Chase, che ha lo scopo di dare una universalità alla scoperta di Avery, McCarty, Mcleod, in quanto

altri ricercatori sostenevano che la loro scoperta era legata solamente al mondo dei batteri.

L’esperimento diede la prova definitiva che il materiale genetico si trova nel DNA, anziché nelle proteine come si

credeva inizialmente.

I batteriofagi sono virus che colpiscono i batteri, e sono costituiti da un corpo di natura proteica e da una testa

contenente DNA. L’infezione di un batteriofago prevede che solo il DNA venga iniettato all’interno del batterio.

Successivamente questo si replicherà, costruirà particelle proteiche e genererà altri virus che verranno rilasciati con lo

scoppio del batterio. Detto questo, gli acidi nucleici contengono fosforo, mentre le proteine contengono zolfo.

L’esperimento consistette nel far crescere due colonie di batteriofagi in presenza di fosforo radioattivo o zolfo

radioattivo (la radioattività permette di marcare le proteine del corpo dei virus da un lato, e il materiale genetico

dall’altro).

I batteriofagi marcati dallo zolfo (proteine), dopo l’infezione, lasciarono la radioattività nelle loro ombre (i loro corpi

ormai privi di DNA).

I batteriofagi marcati dal fosforo (ac. nucleici), dopo l’infezione, lasciarono la radioattività all’interno dell’ospite e nella

progenie.

In questo esperimento viene scartato definitivamente la linea di pensiero che le proteine fossero responsabili della

trasmissione del materiale ereditario.

Esperimenti di Gierer, Schramm, Fraenkel-conrat, Singer, si prende come punto di riferimento il virus del moscaio del

tabacco, che è appunto un virus che provoca delle lesioni a mo’ di mosaico nelle foglie del tabacco, costituito

esternamente da una porzione proteica ed internamente da una molecola di RNA.

Questo esperimento dimostrò che nel mondo vegetale vi è la possibilità di trovare del materiale ereditario nell’RNA

I ricercatori effettuarono 4 tipi di inoculazioni nelle foglie del tabacco

1) Inoculazione del virus intero, si ottengono dei sintomi e quindi lo sviluppo della malattia

2) Inoculazione delle solo proteine della capsula, non si attiene nessun tipo di lesione

3) Inoculazione con l’RNA integro, si ottengono delle lesioni

4) Inoculazione con l’RNA degradato, non si attiene nessun tipo di lesione

Una ulteriore conferma fu data dalla creazione di due ibridi in laboratorio, utilizzando due ceppi di virus A e B

caratterizzati dalla manifestazione di sintomi di diversa colorazione. L’ibrido era formato dalla componente proteica di

uno (es. A) e dalla molecola di RNA dell’altro (es. B), mentre l’altro ibrido viceversa. Il risultato fu che, inoculando i due

ibridi in due foglie di tabacco diverse, il colore delle lesioni era determinato dalla molecola di RNA utilizzata inizialmente.

Biodiversità

Le reazioni biochimiche che avvengono all’interno degli organismi viventi sono la causa della loro biodiversità morfologica

e fisiologica. Dal momento che all’interno della cellula le reazioni avvengono grazie a PROTEINE con funzione enzimatica,

il particolare corredo enzimatico determina in un individuo il metabolismo e al contempo la sua IDENTITA’. La via

metabolica è quella serie di reazioni che conducono da un substrato ad un prodotto finale. Ogni step prevede l’azione di

un enzima che rende possibile la trasformazione biochimica del substrato in un prodotto.

La produzione di proteine avviene su stampo del DNA. Il DNA possiede 2 funzioni fondamentali:

• trasferimento dell’informazione genetica a scopo ereditario da una generazione all’altra.

• manifestare il suo effetto sulle caratteristiche della cellula in cui è contenuto.

Chiamiamo gene quel tratto di DNA che porta l’informazione per una proteina.

La prima fase per la manifestazione del DNA in una cellula prevede che il gene venga trasferito attraverso la

TRASCRIZIONE nell’RNA messaggero che verrà “Tradotto” in una proteina attraverso la TRADUZIONE.

Organizzazione fondamentale delle cellule:

• Una cellula procariotica contiene il suo materiale genetico non racchiuso da una membrana (priva di nucleo).

Sono costituite da una parete esterna, una membrana cellulare e all’interno troviamo il citoplasma che non

contiene sistemi membranosi al suo interno. Il DNA è libero costituito da una sola molecola a doppia elica

circolare chiusa.

• Una cellula eucariotica è dotata di nucleo, cioè una struttura membranosa che racchiude il materiale ereditario.

All’interno del citoplasma è compartimentata in organuli.

DNA

Può essere definito da tre livelli strutturali: l’unità monomerica ripetitiva degli acidi nucleici è il nucleotide, che se ne

conoscono 4 tipologie diverse. Il nucleotide è la molecola che costituisce il DNA.

1. La struttura primaria è formata dall’unione dei nucleotidi uno adiacente all’altro (polimero) tramite legami

covalenti, che costituisce un filamento di DNA a singola elica.

2. La struttura secondaria è formata due filamenti singoli organizzati a doppia elica, tramite legami ad idrogeno.

3. La struttura terziaria si viene a formare quando il doppio filamento si avvolge e assume nello spazio una

struttura tridimensionale.

Il nucleotide è costituito da tre parti: uno zucchero pentoso (a cinque atomi di carbonio), una molecola di acido fosforico

ed una base azotata.

• Lo zucchero pentoso che entra a far parte del DNA (deossinucleotidi) si chiama “2’ deossiribosio” (2-

primodeossiribosio), perché in posizione 2’ non abbiamo un gruppo ossidrilico (OH) bensì un atomo di idrogeno.

Il ribosio invece entra a far parte dei ribonucleotidi (RNA), e in posizione 2’ occupa un gruppo OH. Il carbonio 5’

si trova fuori dalla struttura ciclica che va a legarsi con il gruppo fosfato.

• Il gruppo fosfato dei nucleotidi è legato con un legame di tipo estere al carbonio 5’ dello zucchero. Questo

legame si crea per eliminazione di una molecola di acqua dal gruppo OH alcolico dello zucchero e il gruppo OH

acido del fosfato.

• Le basi azotate sono legate al carbonio 1’ dello zucchero, con un legame βglicosidico che si forma grazie

all’eliminazione di una molecola di acqua. Le basi azotate contenute negli acidi nucleici appartengono o alla

classe delle pirimidine, monocicliche o delle purine costituite da 2 cicli.

Le pirimidine utilizzo l’azoto 1 per legarsi al nucleotide e comprendono timina (nel DNA), uracile (nell’RNA) e citosina,

mentre le purine utilizza l’azoto 9 per legarsi al nucleotide che comprendono adenina e guanina.

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Deossinucleotidi DNA 2’ lega un H, troviamo adenina A, guanina G, timina T e citosina C.

• →

Ribonucleotidi RNA 2’ lega un OH, troviamo adenina A, guanina G, uracile U e citosina C.

È possibile trovare molecole con più gruppi fosfato, fino a 3 (alfa, beta, gamma). La molecola di ATP per esempio

(adenosinatrifosfato) ha una struttura identica ad una molecola di RNA legata all’adenina ma contiene 3 gruppi fosfato.

Il legame covalente che caratterizza l’unione di due singoli nucleotidi lungo il filamento si chiama legame fosfodiestere.

Il gruppo OH del carbonio 3’ di uno zucchero pentoso si lega al gruppo OH del carbonio 5’ dell’acido fosforico di un

secondo nucleotide, andando così a perdere una molecola di H2O. Lo zucchero e il gruppo fosfato rimarranno uniti da

un singolo atomo di O.

La porzione non variabile nella struttura del DNA è costituita dallo scheletro dei fosfati ribosi creando un direzionalità,

iniziano con un gruppo 5’ fosfato libero e si chiude con un gruppo 3’ OH libero; mentre la parte variabile è rappresentata

dalle basi azotate A, G, T, U, C, che ne caratterizza la biodiversità.

Le ricerche di Chargaff, Franklin e Wilkins ci suggerirono informazioni fondamentali sulla struttura del DNA:

• La composizione in basi di DNA varia di specie in specie.

• Nelle specie il rapporto fra Adenina e Timina è sempre molto vicino ad uno. Le quantità di Guanine e Citosine

sono sempre molto vicine ad uno. Ciò significa che in natura per ogni Adenina deve corrispondere una Timina.

Lo stesso discorso vale per Guanina e Citosina - (Regole di Chargaff).

• Le molecole di DNA isolate da tessuti diversi della stessa specie hanno la stessa composizione in basi. La

composizione in basi del DNA di una specie non si modifica con l’età dell’organismo, con la sua nutrizione o in

seguito a variazioni ambientali.

• Il numero di residui di Adenina è uguale al numero di residui di Timina, ed i residui di Guanina è uguale al

numero di residui di Citosina.

L’analisi eseguita alla rifrazione raggi X da Franklin e Wilkins metteva in evidenzia che il diametro della molecola di DNA

era compatibile con 2 filamenti e che il diametro della molecola era uniforme lungo tutto il filamento.

Lungo i filamenti una purina veniva associata ad una pirimidina in modo che la molecola abbia un diametro costante.

L’associazione dei due filamenti è antiparallela (una in direzione 5’- 3’ e una in direzione 3’-5’) . I due filamenti, che si

dicono complementari, vengono tenuti insieme da un legame ad idrogeno fra le tue basi azotate. I legami sono due se si

parla di un legame fra T e A, mentre i legami sono tre se si parla di un legame G e C.

I filamenti si avvolgono in una struttura elicoidale. L’avvolgimento della molecola fa in modo che fra una base e un’altra

ci sia una distanza di 3,4 angstrom (0,34 nm). Un giro completo dell’elica è lungo 34 angstrom (3,4 nm), ogni giro

comprende 10 coppie di basi. Inoltre, l’avvolgimento va a formare la presenza di un solco minore e un solco maggiore.

Anche la molecola di RNA mantiene una sua direzionalità e sarà sempre a singolo filamento.

Struttura terziaria :

La lunghezza del DNA contenuto in una cellula è migliaia di volte maggiore rispetto alla lunghezza delle cellule e si

misura in paia di basi (bp). Ciò significa che il DNA per essere contenuto deve essere fortemente impacchettato. In

questo caso parleremo di struttura terziaria del DNA.

Nel caso dei batteri troviamo un'unica molecola di DNA circolare chiusa sotto forma di cromosoma. Affinché questa

possa essere impacchettata, alcune proteine fanno da ancoraggio alla molecola in modo che questa si richiuda

organizzando la molecola con domini ad anse, successivamente ogni singola ansa subirà un superavvolgimento che

permetterà un impacchettamento totale della molecola, fino a 1000 volte dell’originale.

Nella cellula eucariotica invece ogni singolo cromosoma è costituito da una molecola di DNA lineare. Anche qui avviene

l’associazione fra DNA e proteine, che costituiscono nel loro insieme la cromatina. Il DNA si avvolge attorno alle

proteine istoni (H1, H2A, H2B, H3, H4). Due copie delle proteine H2A, H2B, H3 E H4, di natura basica, si associano a

costituire un ottamero di proteine sul quale la molecola di DNA lineare si avvolte per un giro e tre quarti (146bp), questa

struttura è chiamata nucleosoma. Un tratto di DNA, il dna linker, rimane libero per connettersi ad altri nucleosomi (la

struttura formata ricorda una collana di perle. Attorno alle perle il DNA si attorciglia per accorciarsi), riducendo di 7

volte la molecola di DNA.

L’istone H1, che si lega ai DNA linker, ha lo scopo di compattare tutti i nucleosomi fra loro, formando una struttura detta

solenoide, riducendo di altre 7 volte la lunghezza del DNA. Abbiamo ottenuto la cromatina.

L’ulteriore impacchettamento prosegue quando la cromatina, formando delle anse, si attacca ad

una base proteica detta matrice nucleare che funge da impalcatura, formando l’eucromatina

(300 nm). A sua volta l’eucromatica si compatterà formando delle anse nelle impalcature,

formando l’eterocromatina (700 nm), l’eterocromatina è talmente compattata da non

permettere più variazioni alla molecola di DNA. La compattazione dell’eterocromatina formerà i

CROMOSOMI. Man mano che il DNA si super avvolge diventa sempre meno accessibile il materiale genetico in esso

contenuto, importante invece che venga impacchettato durante la fase di trasferimento alle cellule figlie.

I cromosomi eucariotici sono costituiti da un’unica molecola di DNA, sono formati da un centromero e da due bracci

(inferiore e superiore), l’intera struttura prende il nome di Cromosoma 1C (contenente un solo cromatidio). Il

centromero è la parte che rimane fortemente compattata, così come anche le estremità dette telomeri . Quando il

cromosoma deve duplicare l’informazione genetica assume momentaneamente la struttura 2C (2 cromatidi). I due

cromatidi fratelli sono identici.

Divisione cellulare, duplicazione del materiale genetico:

→ → →

Ciclo di una cellula: cellula madre fase M (mitosi) 2 cellule figlie che entrano in un ciclo di Interfase Fase G1 di

→

una delle due figlie in cui la cellula cresce, troveremo i cromosomi 1C Fase S replicazione del materiale ereditario

→

DNA, troveremo cromosomi 2C (stato di condensazione eucromatico) Fase G2 in cui la cellula cresce preparandosi

→ →

per la mitosi Fase M infinito.

Il processo di replicazione del DNA è semiconservativo, cioè durante la replicazione del DNA le due eliche di una

molecola si aprono in un punto specifico detto forca replicativa, rendendo disponibile la loro informazione. Le due

nuove molecole di DNA sono costituite da un filamento originario che fungerà da stampo, e dal nuovo filamento

complementare.

• La replicazione del DNA inizia in punti ben precisi: Origine della replicazione.

• Le due catene della madre si snodano man mano che procede la replicazione delle 2 nuove molecole. La

replicazione procede attraverso un meccanismo bidirezionale per una questione di velocità.

• Nei procarioti riscontriamo solo un’unica origine della replicazione (il DNA si apre in un solo punto); la