Riassunto esame Biologia dei Microrganismi, prof. Rizzello

ELEMENTI GENETICI DELLA CELLULA BATTERICA

Gli elementi genetici della cellula batterica sono: cromosoma, plasmidi, elementi trasponibili (sequenze

d’inserzione e trasposomi) e virus (presenti solo temporaneamente).

CROMOSOMA BATTERICO

I batteri hanno generalmente un unico cromosoma circolare, formato da una molecola di DNA a doppia

elica, che pur essendo legato a proteine, si può considerare nudo. La lunghezza del DNA è espressa in basi.

Una doppia elica di DNA di 4000 basi, equivale a quattro paia di kilobasi; quando la lunghezza raggiunge un

milione di paia di basi, si parla di megabasi (Mb). La doppia elica è organizzata in domini superavvolti in

cui proteine specifiche si legano al DNA rendendolo più stabile. Nell’E. Coli sono stati evidenziati circa 50

domini superavvolti. Il suo cromosoma è lungo circa 4,6 Mb e misura circa 1 mm, ma essendo

superavvolto, occupa solo il 10% dell’intero volume cellulare.

All’interno di una cellula batterica però, il DNA può essere presente anche in forma rilassata (non

sono necessari. Il superavvolgimento serve all’impacchettamento

superavvolta) ed entrambi questi due stati

del DNA all’interno della cellula, la forma rilassata è necessaria per la sua replicazione.

Gli enzimi coinvolti nella transizione fra questi due stadi, appartengono alle topoisomerasi:

- DNAgirasi che partecipa al superavvolgimento del DNA;

- topoisomerasi I, che contribuisce alla struttura rilassata.

L’informazione genetica si esprime attraverso tre fasi:

- replicazione, processo di duplicazione che utilizza uno stampo del DNA;

- trascrizione, processo di sintesi di mRNA su uno stampo di DNA;

processo di sintesi delle proteine che utilizza come stampo l’informazione genetica dell’mRNA.

- traduzione, basi dell’mRNA.

La sequenza degli amminoacidi di ogni proteina, è determinata dalla specifica sequenza di

Necessitano tre basi (codone) per codificare un singolo amminoacido. Il codice genetico è tradotto in

proteine da un complesso di sintesi a cui partecipano ribosomi (rRNA) RNA transfer (tRNA) e numerosi

enzimi.

La replicazione è il meccanismo attraverso cui le informazioni genetiche passano da una generazione

all’altra. La cellula figlia riceve un cromosoma identico a quello della cellula madre.

Nella replicazione una molecola di DNA a doppia elica, è convertita in due identiche molecole figlie. La

struttura complementare delle sequenze delle basi e l’orientamento antiparallelo dei due filamenti della

doppia elica, sono la chiave della replicazione.

Inizia sempre in un punto specifico detto origine di replicazione. Qui, la doppia elica di DNA si apre e la

replicazione comincia su entrambi i filamenti, procedendo in entrambe le direzioni lungo la forcella di

replicazione. Spesso la replicazione è bidirezionale e si formano due forcelle di replicazione che si muovono

in direzioni opposte dando origine a una forma caratteristica a theta.

Il meccanismo replicativo è semiconservativo, perché le due nuove doppie eliche, sono formate da un

filamento neosintetizzato e da uno parentale.

Sulla forcella di replicazione, la doppia elica del DNA si srotola e i due filamenti si separano per azione

dell’elicasi. Dato l’orientamento antiparallelo dei due filamenti (5’P→3’OH, 3’OH →5’P) e dato che la

replicazione procede sempre dal 5’P al 3’OH, la crescita sarà diversa sui due filamenti. Sul filamento che

in direzione 5’P→3’OH, la sintesi del nuovo DNA è continua perché sulla forcella di replicazione c’è

cresce

sempre un gruppo 3’OH libero a cui aggiungere il nuovo nucleotide per azione della DNA polimerasi. Sul

filamento che cresce in direzione 3’OH →5’P, invece, la sintesi sarà discontinua (frammenti di Okazaki)

perché sulla forcella di replicazione manca il gruppo 3’OH libero (filamento leading o guida). Su questo

l’enzima

filamento (filamento lagging), primasi sintetizza un innesco di RNA che fornisce gruppi 3’OH

liberi. La DNA polimerasi III continua la sintesi discontinua aggiungendo frammenti di Okazaki.

Successivamente interviene la DNA polimerasi I che sostituisce gli inneschi di RNA con nuovo DNA. A

neosintetizzate, con l’ottenimento del filamento

questo punto interviene la ligasi che unisce le catene

completo.

L’insieme delle proteine e degli enzimi coinvolti nella replicazione forma un complesso detto replisoma.

Oltre a legare fra loro i nucleotidi, le DNA polimerasi svolgono un compito di correzione della lettura detto

proofreading, che rimuove rapidamente i nucleotidi in possesso di basi azotate non correttamente appaiate.

Nella cellula batterica sono presenti tre tipi di RNA:

che trasferisce l’informazione genetica dal DNA ai

- mRNA, messaggero ribosomi, dove avviene la sintesi

proteica. L’informazione genetica di una sequenza di basi del DNA stampo, è riscritta in modo che la stessa

appaia nella sequenza di basi dell’mRNA;

- tRNA, transfer;

- rRNA, ribosomiale.

Questi ultimi sono coinvolti nella sintesi proteica. Il primo trasferisce gli amminoacidi e il secondo si trova nei

ribosomi, dove avviene la sintesi.

è un processo in cui l’informazione genetica del DNA è

La trascrizione trascritta in una sequenza di basi

sintesi di un filamento di mRNA su uno stampo di DNA: l’RNA

complementari di mRNA. Consiste nella

differisce dal DNA per lo zucchero (ribosio e non desossiribosio), per una base (uracile e non timina) e per

struttura (è a singola elica).

La trascrizione ha inizio quando l’RNA polimerasi si lega al DNA in regioni specifiche, dette promotori. La

doppia elica del DNA è aperta dall’RNA polimerasi a livello del promotore e brevi segmenti di DNA si

srotolano e le basi dell’elica stampo sono ricopiate in un filamento di RNA complementare. Solo una delle

due eliche del DNA è trascritta e la scelta è determinata dall’orientamento delle sequenze del promotore.

Il processo si ferma in corrispondenza di sequenze dette terminatori della trascrizione. A questo punto

l’RNA polimerasi e la molecola di RNA neoformata si staccano dal DNA.

L’enzima chiave processo è l’RNA polimerasi, che in E. Coli, è formata da 4 subunità proteiche (α, α, β,

del

β) ed un fattore proteico detto σ.

fattore Questo è responsabile del riconoscimento della sequenza del

parte dell’RNA polimerasi e partecipa solo alla formazione del complesso di inizio della

promotore da

trascrizione, fra complesso enzimatico e DNA. Grazie all’interazione con σ, le 4 subunità, formano il core

dell’enzima e si legano saldamente al promotore iniziando la σ.

trascrizione. Ciò comporta il rilascio di

è il processo attraverso cui l’informazione

La traduzione genetica viene trasferita tramite il tRNA e i

dall’mRNA alle proteine.

ribosomi,

La sintesi proteica si dice traduzione perché decodificando il linguaggio degli acidi nucleici mediante il codice

genetico, lo traduce nel linguaggio delle proteine.

Il codice genetico è la correlazione fra le triplette di basi dell’mRNA (codoni) e gli amminoacidi: ogni codone

codifica uno specifico amminoacido. Ci sono 64 possibili codoni, di cui 61 sono di senso e codificano uno

specifico amminoacido e tre sono di non senso o stop, a cui non corrisponde alcun amminoacido.

Dato che gli amminoacidi sono 20 e i codoni 61, più codoni codificano lo stesso amminoacido (Es. UCU,

UCC, UCA, UCG, codificano tutti la serina). Si dice quindi che il codice è degenerato.

Nei batteri la traduzione inizia sempre col codone AUG che codifica quando è a inizio sequenza, la N-

formilmetionina.

La traduzione termina infine con uno dei codoni non senso (UAA, UGA e UAG).

A questo punto avviene la sintesi proteica. Questa, pur svolgendosi in modo continuo sui ribosomi, può

suddividersi in tre fasi: inizio, elongazione e terminazione-rilascio.

il codone d’inizio AUG e una sequenza a monte di

Nella fase di inizio una molecola di mRNA, portante

esso, si lega a una subunità ribosomiale piccola (30S). Quindi, uno speciale t-RNA di partenza, si lega al

codone di inizio AUG. Il tutto si lega alla subunità più grande (50S) dando vita a un ribosoma funzionale, che

possiede due siti di legame: il sito P (peptidico) e il sito A (accettore).

L’elongazione consiste nell’aggiunta di un amminoacido per volta alla catena polipeptidica nascente.

Consta di tre passaggi: in cui l’anticodone del tRNA, recante l’amminoacido, si appaia col codone

- riconoscimento del codone,

dell’mRNA nel sito A;

- formazione del legame peptidico, il polieptide si stacca dal sito P e si lega con legame peptidico

all’amminoacido del sito A;

- traslocazione, in cui il tRNA del sito P abbandona il ribosoma e il tRNA del sito A col polipeptide si sposta

in P.

La fase di terminazione si ha quando nel sito A giunge un codone di arresto (UAA, UGA, UAG) per il quale

non è codificato alcun amminoacido.

PLASMIDI

Nel citoplasma, oltre al cromosoma, si possono trovare molecole più corte di DNA, generalmente circolari,

dette plasmidi. Questi elementi genetici, replicano indipendentemente dal cromosoma.

I plasmidi codificano per funzioni non indispensabili alla cellula, ma possono essere essenziali o vantaggiosi

in particolari ambienti. Ad esempio, veicolano spesso trasposoni o geni che codificano per la resistenza agli

antibiotici (plasmidi R) o anche geni che codificano per la sintesi di batteriocine. Esistono altri tipi di plasmidi:

- plasmidi metabolici, che portano geni che codificano per enzimi degradanti sostanze come composti

aromatici, pesticidi, e alcuni zuccheri;

- plasmidi di virulenza, che rendono il batterio che li ospita più patogeno in quanto diventa capace di

di resistere meglio alle difese dell’ospite;

produrre tossine o

- plasmidi criptici, di tipo sconosciuto;

- episomi, che possono duplicarsi indipendentemente dalla duplicazione del DNA plasmidico.

L’instabilità fenotipica dei caratteri, determinata da geni plasmidici, può essere dovuta alla perdita del

plasmide relativo al carattere stesso. Una delle principali caratteristiche di un plasmide è quella di poter

essere perso dalla cellula ospite, in seguito a condizioni di crescita o trattamenti diversi. Questo processo,

curing, è dovuto all’inibizione della replicazione del plasmide, senza la contemporanea inibizione della

replicazione del cromosoma.

I sistemi di duplicazione utilizzati dal DNA plasmidico sono tutti semiconservativi e possono seguire

meccanismi diversi. In linea di massima, i batteri gram- replicano secondo il modello theta, quelli gram+

secondo il modello RC (a circolo rotante).

La duplicazione