Biologia applicata

La scoperta della struttura del dna in seguito chiarì la natura geni e le modalità di trasmissione

dell’informazione genetica.

Le prime tappe fondamentali che portarono all’identificazione del dna furono:

- Esistenza di un principio trasformante. Nel 1928 frederick griffith, condusse degli esperimenti

in due ceppi di batteri pneumococchi: un ceppo detto liscio (s) che causava la polmonite se

iniettato in un animale da esperimento ed un altro ceppo detto rugoso (r) che era invece

innocuo. Vide che se il ceppo s di batteri veniva ucciso con il calore prima di essere iniettato,

gli animali non si infettavano, la stessa cosa succedeva se veniva iniettato il ceppo r innocuo.

Se invece negli animali si iniettava una miscela ottenuta da batteri s, trattati con il calore e

batteri r vivi, l’animale da esperimento si ammalava di polmonite. Questo significava che nei

batteri s c’era qualche sostanza, da lui chiamata fattore trasformante, resistente al calore,

che era capace di trasformare le cellule vive del ceppo r.

- Nel 1944 avery, macleod e mccarty identificarono chimicamente il fattore trasformante di

griffith, lisando (rompendo) le cellule del ceppo s e separando il materiale in diverse frazioni di

proteine, lipidi, polisaccaridi e acidi nucleici (dna e rna). Provarono quindi a trasformare le

cellule r con le diverse frazioni e capirono che il fattore trasformante era il dna.

- Nel 1949 erwin chargaff ed i suoi collaboratori determinarono la composizione delle basi di

dna estratte dai tessuti di diversi organismi e videro che i rapporti tra le purine adenina a e

guanina g e le pirimidine rispettivamente timina t e citosina c erano sempre circa 1. Ciò

significava che nel dna il numero di a era uguale al numero di t ed il numero di c era uguale a

quello delle g.

- Tra il 1951 e il 1953 la ricercatrice rosalind franklin studiò, con la tecnica di diffrazione a raggi

x, la struttura tridimensionale dei cristalli di dna. I suoi risultati rivelarono che il dna aveva

una struttura elicoidale (a scala a chiocciola).

- Nel 1953 poi i ricercatori james watson e francis crick ebbero il merito di chiarire

definitivamente la struttura del dna, integrando tutte le informazioni disponibili fino a quel

punto, in un modello che spiegava come faceva questa molecola a portare l’informazione

genetica e come poteva servire da stampo per potersi duplicare.

nel loro modello, la struttura del dna è a doppia elica: due catene di zucchero-

fosfato fanno da scheletro alla molecola, mentre le coppie delle basi azotate purina

(doppio anello) - pirimidina (singolo anello), unite da legami ad idrogeno, formano i

gradini della cosiddetta “ scala a chiocciola”.

Il singolo filamento di dna ha un verso e va dall’estremità 5’ (il primo fosfato

dell’estremità libera è legato al carbonio 5’ del desossiribosio) fino all’estremità 3’

(l’ultimo fosfato è legato al c in 3’ dello zucchero). Il verso dei due filamenti che

compongono la struttura della doppia elica è opposto, se uno è disposto in direzione

5’ →3’ l’altro è 3’→5’ per questo motivo sono detti antiparalleli.

Nella molecola del dna l’adenina si unisce con due legami ad idrogeno alla timina (a-t) mentre la

guanina si lega con 3 legami ad idrogeno alla citosina (c-g). (the apple is on the tree. The cat is in the

.

garage)

Perché si formi la struttura della doppia elica, le basi in un filamento del dna devono essere appaiate

a quelle disposte sull’altro filamento. Quindi una sequenza su di un filamento richiede la sequenza

complementare sull’altro (es. 5’ gaattc 3’; 3’ cttaag 5’).

Il dna è un linguaggio, che usa delle specifiche parole composte da 3 basi azotate, i codoni, che

servono per codificare la sequenza degli amminoacidi quando la cellula deve produrre le proteine.

la specificità dell’appaiamento delle basi del dna del modello a doppia elica ha subito suggerito ai

ricercatori quale poteva essere il possibile meccanismo per la replicazione dell’informazione genetica.

Si è capito velocemente infatti che uno dei due filamenti poteva servire «da stampo» per la sintesi del

filamento complementare.

questo meccanismo di replicazione semiconservativa del

dna venne dimostrato sperimentalmente nel 1958, dai

ricercatori matthew meselson a franklin stahl, utilizzando delle

colture di batteri escherichia coli fatte crescere con l’isotopo

15n dell’azoto. Rompendo i legami ad idrogeno tra le purine e

le pirimidine si ottengono due filamenti di dna che possono

entrambi servire da stampi per la sintesi del filamento

complementare.

Questo meccanismo di replicazione semiconservativa

spiegava anche come potevano insorgere nei geni delle

modificazioni nella sequenza (mutazioni) che poi potevano

essere trasmesse alle generazioni successive. Se la copia del

filamento non avviene in maniera corretta possono crearsi

degli appaiamenti «sbagliati».

Nella cellula sono presenti anche molti meccanismi enzimatici

per la correzione degli errori di replicazione ma non tutti

vengono corretti. Circa 1 nucleotide mutato per miliardo infatti

sfugge a questi sistemi di controllo. Gli errori di replica, le

mutazioni (o polimorfismi) possono causare dei danni alle

cellule ed essere causa di malattie, in altri casi invece

possono dimostrarsi utili dal punto di vista evolutivo e

generare degli individui che meglio si adattano alle condizioni

ambientali.

Es. Di mutazioni positive:

La tolleranza al lattosio, che permette la digeribilità del latte e degli alimenti che lo contengono anche

dopo lo svezzamento.

Delezione di 32 coppie di basi nel gene umano ccr5 (ccr5-32) che codifica per un recettore presente

sui globuli bianchi e che conferisce all'uomo la resistenza all'aids negli omozigoti, mentre ritarda i suoi

effetti negli eterozigoti

Mutazione dell'apolipoproteina apo a-1, chiamata apo a-1 milano, conferisce ad alcuni abitanti di

limone sul garda (portatori di questa mutazione) un’innata resistenza agli effetti dannosi del

«colesterolo cattivo» sulle patologie cardiovascolari. Questa proteina mutata ha conferito, inoltre, agli

abitanti del paese un'estrema longevità, una dozzina di residenti ha infatti superato i 100 anni.

La replicazione del dna richiede l’azione congiunta di molti enzimi e proteine ed è un meccanismo

molto complesso. I passaggi principali sono:

la replicazione inizia in punti specifici della molecola del dna chiamati origini di replicazione dove la

doppia elica si svolge. Le dna elicasi sono gli enzimi che «aprono» la doppia elica. Sappiamo che i

filamenti di dna sono tenuti insieme da legami ad idrogeno tra le basi

azotate che presi singolarmente sono legami

deboli, ma son complessivamente forti

quando sono moltissimi come nella

molecola del dna, perciò è necessario un

enzima per romperli e separare i 2

filamenti.

I due filamenti si replicano

contemporaneamente e si forma una

struttura a y chiamata forca di

replicazione.

Una volta che l’elicasi ha aperto la doppia elica, si legano ai due singoli

filamenti le proteine ssb (single strand binding proteins) che li stabilizzano

in posizione aperta. Quando una parte di dna si svolge, il resto della molecola rischia di

superavvolgersi, si possono formare nodi che potrebbero bloccare la replicazione.

Per evitare il superavvolgimento ci sono le topoisomerasi che tagliano il dna a monte della forca di

replicazione e lo risaldano in una posizione più rilassata.

Gli enzimi che sintetizzano il dna sono le dna

polimerasi che aggiungono nucleotidi solo

all’estremità libera in 3’ della molecola. Quindi i

filamenti nuovi di dna crescono sempre in direzione 5’

→ 3’

Le dna polimerasi possono aggiungere nucleotidi solo

ad estremità già esistenti di acidi nucleici (non

possono partire da zero). Per questo motivo sono

necessari dei primer, delle piccole molecole (di 5-14

nucleotidi) che funzionano da innesco fatte di rna (rna

primer).

La sintesi è contemporanea sui due filamenti del dna

che sono:

 Uno orientato «giusto» 3’ →5’ che quindi

viene copiato facilmente dalla dna polimerasi

(filamento guida)

 uno orientato 5’ → 3’ e quindi deve essere

letto al contrario dalla dna polimerasi (filamento

in ritardo).

Per questo motivo un’altra molecola di dna polimerasi sintetizza solo dei piccoli frammenti di dna dal

filamento in ritardo (i frammenti di okazaki) che vengono poi uniti da una dna ligasi.

Nella duplicazione del dna degli eucarioti, che hanno cromosomi molto lunghi, la sintesi avviene

contemporaneamente da più origini e poi i filamenti sintetizzati vengono legati insieme.

La dna polimerasi commette degli errori mentre replica il dna, per questo motivo si sono sviluppati dei

meccanismi di correzione dei nucleotidi sbagliati che quando non funzionano bene possono

causare malattie come per esempio un tipo di cancro al colon.

Telomeri

Quando la replicazione di un intero cromosoma arriva alla fine il filamento in ritardo (quello che viene

sintetizzato in frammenti) non riesce a replicarlo completamente fino all’ultimo nucleotide (perché sugli

ultimi nucleotidi si lega il primer) e quindi ad ogni ciclo cellulare si perdono delle piccole porzioni di dna

che non vengono replicate. Per questo motivo i cromosomi hanno delle specie di cappucci terminali,

chiamati telomeri, che contengono delle sequenze di nucleotidi ripetute molte volte e che non

codificano per nessuna proteina.

Questi cappucci durante la vita di un individuo si «consumano» e fanno sì che le cellule adulte

abbiano un numero limitato di possibili replicazioni.

Es. Le cellule di un uomo di 70 anni hanno ancora la possibilità di dividersi, senza perdere

informazioni genetiche, per 20-30 volte, mentre quelle di un bambino possono dividersi 80-90 volte.

Alcune cellule adulte che devono continuamente replicarsi, per esempio le cellule del sangue

possiedono un enzima, la telomerasi, che allunga i telomeri.

Il controllo dell’attività della telomerasi può essere un punto chiave per sviluppare nuovi farmaci per

l’uomo. Il suo potenziamento potrebbe contribuire a rallentare l’invecchiamento, «ringiovanendo» le

cellule degli anziani, dall’altra parte però potrebbe causare dei tumori permettendo la replicazione

incontrollata delle cellule cancerose.

Espressione

Le informazioni contenute nel dna sono in grado di determinare la sequenza delle proteine.

L’informazione contenuta nel dna delle cellule ha bisogno di un altro intermediario per poter essere

trasferita alla sintesi proteica . Questo intermediario è l’rna, che è l’acido ribon