Biologia applicata - Appunti

BIOLOGIA GENERALE

1953 --> Watson e Crick: struttura DNA

1958 --> Meselson e Stahl: Replicazione DNA semiconservativa

GRIFFITH: 1928 --->Streptococcus pneumoniae --> forma patogena e innocua. Batteri

uccisi dal calore incapaci di causare infezione.

Batteri patogeni morti + batteri innocui vivi --> topo muore.

Batteri patogeni “trasformano” quelli innocui in patogeni. Cambiamento ereditabile --> il

materiale di cui sono fatti i geni doveva essere il DNA.

AVERY: 1930/1940 ---> “Principio trasformante è il DNA”. Separano le varie componenti

delle cellule virali e ne inserirono una ad una in colture diverse con batteri vivi non

virulenti. Diventano virulenti solo quei batteri in cui vi era presente il DNA dei batteri morti

virulenti.

HERSEY E CHASE: 1953 ---> Virus T2 infetta E.Coli. Marcano radiottivamente DNA e

proteine e centrifugano i virus marcati con E.Coli. Cellule batteriche pesanti sul fondo,

leggere sulla superficie. Scoprirono che il DNA radioattivo entrava nelle cellule batteriche

mentre le proteine marcate rimanevano nelle teste virali vuote.

DNA

Nucleotidi = Zucchero pentoso + uno o più gruppi fosfato + base azotata.

Nel DNA lo zucchero è il DEOSSIRIBOSIO e le basi sono Adenina e Guanina (purine), e

Citosina e Timina (pirimidine).

2-desossiRiboso è uno zucchero a cinque atomi di carbonio che manca di un gruppo

ossidrile (-OH) in posizione 2. C5 fuori dall’anello. C1---base. C5---H3PO4.

Due nucleotidi si legano tra loro tramite l’H3PO4 attraverso un legame fosfodiesterico tra il

C3 e il C5.

Distanza tra le basi: 0,34nm. L’alfa elica ha un diametro di 20 A ° (2nm).

REGOLE DI CHARGAFF:

1)A/T e C/G = 1

2)A+T/C+G varia

3)A+G/C+T = 1

Tra A e T si formano due legami ad idrogeno, tra C e G tre.

I filamenti dell’elica sono antiparalleli. Un’estremità della catena presenta una sporgenza (il

fosfato 5’), l’altra una nicchia (l’ossidrile 3’).

DNA + proteine = CROMATINA.

CROMOSOMI

Le cellule umane hanno tutte (tranne germinali e globuli rossi) due copie di ciascun

cromosoma --> cromosomi omologhi.

CARIOTIPO = immagine del corredo completo dei 46 cromosomi umani.

GENE = segmento di DNA che contiene le istruzioni per sintetizzare una certa proteina.

GENOMA = corredo completo di informazione contenuto nel DNA di un organismo. Nei

batteri è organizzato nel NUCLEOIDE.

ORIGINE DI REPLICAZIONE = sito dove il DNA comincia a duplicarsi. Sempre molti nei

cromosomi per assicurare che si replichi rapidamente. 1

TELOMERO = estremità cromosoma.

CENTROMERO = zona del cromosoma in cui i cromatidi sono a contatto.

NUCLEOLO = zona in cui si raggruppano i tratti di DNA che codificano gli RNA ribosomiali

appartenenti a cromosomi diversi.

NUCLEOSOMI

ISTONI = proteine attorno alle quali si avvolge il DNA.

NUCLEOSOMI = complessi di 8 molecole istoniche e un tratto di DNA lungo 147 nucleotidi

che si avvolge intorno all’ottamero istonico.

CROMATINA

DNA+proteine.

EUCROMATINA = regioni cromosomiche trascritte in modo attivo, prive di sequenze

ripetute.

ETEROCROMATINA = regioni cromosomiche che rimangono allo stato condensato. Sono

geni trascrizionalmente inattivi.

REPLICAZIONE DNA

E’ detta SEMICONSERVATIVA perché ogni elica figlia contiene un filamento originale più

uno completamente nuovo.

Inizio: proteine iniziatrici si legano al DNA e rompono i legami a idrogeno in zone ricche di

A e T perché hanno solo due legami tra loro.

ORIGINE DI REPLICAZIONE = porzione in cui il DNA comincia ad aprirsi.

FORCELLE REPLICATIVE = In questi punti il DNA apre i due filamenti e li utilizza come

stampo per formare un nuovo filamento. Ad ogni origine di replicazione si formano due

forcelle replicative che scorrono in direzioni opposte.

PROCARIOTI --> 1 origine; 1 bolla di replicazione bidirezionale. Alla replicazione segue

immediatamente la divisione cellulare.

EUCARIOTI --> Molte bolle di replicazione. La replicazione avviene nella fase S del ciclo.

DNA POLIMERASI sintetizza il nuovo DNA usando come stampo uno dei due filamenti

originali --> aggiunge nucleotidi all’estremità 3’. Non si dissocia dal DNA ogni volta che

aggiunge un nuovo nucleotide alla catena ma scorre lungo il filamento stampo.

La replicazione può avvenire solo in direzione 5’ --> 3’. Essendo i filamenti antiparalleli,

quello che deve allungarsi all’estremità 5’ viene sintetizzato in modo discontinuo, in brevi

tronconi detti FRAMMENTI DI OKAZAKI.

Il filamento sintetizzato in modo discontinuo viene detto FILAMENTO LENTO, l’altro

FILAMENTO GUIDA.

Quando la DNA polimerasi “sbaglia” nell’accoppiare delle basi, si corregge in direzione

3’-->5’.

La DNA polimerasi è incapace di creare un filamento ex novo. La molecola in grado di

farlo, unendo semplicemente due nucleotidi e facendo a meno di un terminale a doppio

filamento, è la PRIMASI.

INNESCO (PRIMER) = Brevi tratti di RNA (uracile al posto di timina, ribosio al posto di

deossiribosio) sintetizzati dalla PRIMASI utilizzando il DNA come stampo.

La primasi è un esempio di RNA POLIMERASI. 2

COMPLESSO D’INIZIO = PRIMER + ELICASI (che si incunea tra i due filamenti stampo e

apre la forcella di replicazione) + proteine SSB (che sono capaci di legare i singoli

filamenti di stampo e tenerli distesi) + TOPOISOMERASI (che sono capaci di svolgere i

superavvolgimenti positivi che si formano a valle della forcella di replicazione.

Filamento guida --> necessita di un solo innesco. Filamento lento --> più inneschi.

Per eliminare inneschi ad RNA e sostituire con DNA:

1)NUCLEASI --> degrada RNA.

2)POLIMERASI RIPARATIVA --> sostituisce DNA all’RNA.

3)DNA LIGASI --> unisce il fosfato terminale 5’ di un frammento con l’ossidrile 3’ del

seguente.

MORSETTO SCORREVOLE = mantiene la DNA polimerasi ben salda sullo stampo

durante la sintesi dei nuovi filamenti di DNA. Viene montato dal FISSATORE DEL

MORSETTO. Sul filamento guida serve un solo evento di fissaggio per ogni ciclo

replicativo; sul filamento lento invece il morsetto si sgancia dalla DNA polimerasi e si

riaggancia ad ogni frammento di Okazaki.

TELOMERASI --> completano il cromosoma duplicato con dei nucleotidi sotto forma di

sequenza ripetitiva terminale, questo perché quando la forcella replicativa sta per arrivare

in fondo al cromosoma non c’è più spazio per l’innesco a RNA necessario per iniziare

l’ultimo frammento di Okazaki.

Nei procarioti:

DNA POLIMERASI I --> rimuove il primer.

DNA POLIMERASI II --> capace di riempire i gap (buchi) di DNA, che hanno quindi una

singola elica, senza bisogno di un primer a RNA.

DNA POLIMERASI III --> Attività 3’-->5’ esonucleasica e correzione di bozze. Due

molecole di DNA POL III che proseguono insieme --> REPLISOMA.

PRIMOSOMA --> PRIMASI + ELICASI.

TRASCRIZIONE RNA PROCARIOTI EUCARIOTI

CITOPLASMA NUCLEO

TRASCRIZIONE CITOPLASMA CITOPLASMA

TRADUZIONE CONTEMPORANEE NON CONTEMPORANEE

TIPI DI RNA:

-mRNA (messaggero) --> porta l’informazione precisa di come sarà costituita la proteina.

Negli eucarioti codifica per una sola proteina, nei procarioti per molte.

-tRNA (di trasporto) --> trasporta i diversi amminoacidi collocandoli in maniera opportuna

sul ribosoma.

-rRNA (ribosomiale) --> forma il nucleo base dei ribosomi.

CONFRONTO REPLICAZIONE / TRASCRIZIONE:

IN COMUNE: 3

-La trascrizione, come la replicazione, comincia con l’apertura e la despiralizzazione di un

breve tratto della doppia elica del DNA in cui vengono esposte le basi presenti su ciascun

filamento, uno dei quali farà poi da stampo per la sintesi dell’RNA. Il trascritto si allunga di

un nucleotide alla volta e la sua sequenza è esattamente complementare a quella del

filamento di DNA stampo.

-RNA POLIMERASI, come la DNA POL, catalizza la formazione di legami fosfodiesterici

tra i nucleotidi

DIVERSITA’:

-Il DNA rimane appaiato al DNA stampo, quello di RNA invece se ne distacca. Quindi le

molecole di RNA prodotte nella trascrizione hanno un filamento unico, complementare a

uno solo dei filamenti di DNA.

-Enzimi della trascrizione --> RNA POLIMERASI.

-Sintesi RNA molto più veloce di quella di DNA.

-RNA polimerasi NON ha bisogno di un INNESCO.

TRASCRIZIONE NEI PROCARIOTI:

PROMOTORE = sequenza specifica di nucleotidi che indica il punto di inizio per la sintesi

di RNA. Sequenza ricca in T ed A detta PRIBNOBOX. Riconosciuto dal FATTORE

SIGMA.

SEGNALE DI TERMINAZIONE = punto in cui l’RNA polimerasi si ferma.

RNA polimerasi trascrive il filamento di DNA in direzione 5’ --> 3’.

TRASCRIZIONE NEGLI EUCARIOTI:

Tre tipi di RNA polimerasi:

1) RNA polimerasi I --> Si trova nel NUCLEOLO. Trascrive un filamento precursore

45S da cui vengono poi ritagliati i tre rRNA: 28S, 18S e 5,8S.

2) RNA polimerasi II --> Si trova nel NUCLEO. Trascrive i diversi tRNA e rRNA 5S.

3) RNA polimerasi III --> Si trova nel NUCLEO. Trascrive hnRNA che poi diventeranno

mRNA dopo la maturazione.

RNA batterica dà inizio alla trascrizione per conto proprio, mentre l’RNA eucariotica ha

bisogno dei FATTORI GENERALI DI TRASCRIZIONE --> si aggregano al promotore

posizionando l’RNA polimerasi, aprono poi la doppia elica esponendo il filamento stampo

e fanno partire l’enzima che comincia a trascrivere. Si vanno a legare alla sequenza TATA

BOX del promotore.

MATURAZIONE DELL’RNA:

L’estremità 5’ viene incappucciata con un nucleotide (7-metilguanosina) già molto prima

che l’RNA polimerasi abbia trascritto tutto il gene.

L’estremità 3’ viene invece corredata di una coda di poli-A.

INTRONI = sequenze non codificanti dell’RNA.

ESONI = sequenze codificanti.

INTRONI = ESONI - 1.

SPLICING --> processo attraverso cui gli introni vengono rimossi.

snRNA = molecole di RNA che riconoscono il confine tra introni ed esoni. Si aggregano ad

altre proteine a costituire le snRNPs.

SPLICEOSOMA = snRNA + snRNPs --> aggregato che provvede a tagliare gli introni ed a

ricucire gli esoni. 4

Solo l’RNA maturo passerà attraverso i pori nucleari per essere tradotto, il resto viene

degradato.

STRUTTURA mRNA

PROCARIOTI:

Il filamento di mRNA inizia con la sequenza LEADER che non viene tradotta in proteina,

contenente la sequenza di Shine-Delgarno che si appaia durante la traduzione con l’RNA

16S. La sequenza codificante inizia sempre con la tripletta AUG e termina con una tripletta

di STOP. Segue un tratto detto TRAILER non codificante.

I geni che codificano per proteine sono POLICISTRONICI (ad un unico promotore

seguono tutti i geni di una determinata via metabolica per cui vengono trascritti tutti di

seguito).

EUCARIOTI:

Simile ai procarioti ma, in aggiunta:

-5’ CAP (7-metilguanosina): che si legherà all’rRNA 18S durante la traduzione.

-coda di poli-A al 3’.

I geni che codificano per proteine sono MONOCISTRONICI (ciascun gene ha il suo

proprio promotore).

STRUTTURA tRNA:

Il filamento 5’ --> 3’ assume una forma a trifoglio.

A sinistra: ANSA D: vi si lega l’AMINOACILSINTETASI (20, una per aminoacido) per

legare un aminoacido al suo tRNA.

Di sotto: ANSA DELL’ANTICODONE: contiene una tripletta complementare e antiparallela

al codone che sull’mRNA codifica per un determinato aminoacido.

A destra: ANSA DEL TpsiC: necessaria per il legame tra il tRNA e rRNA 5S presente nella

subunità maggiore del ribosoma.

Di sopra: codone CCA aggiunto post-trascrizionalmente a cui viene legato l’aminoacido

specifico di quel tRNA.

CODICE GENETICO

Tre basi specificano per un aminoacido --> 4^3 = 64 combinazioni per 20 aminoacidi.

Ogni tripletta è detta CODONE.

Triplette di STOP = UAG; UGA; UAA. --> 64-3 = 61 triplette per 20 aminoacidi.

Il codice è:

-DEGENERATO o RIDONDANTE --> Gli aminoacidi sono specificati da più di un codone.

-NON AMBIGUO --> Un determinato codone specifica per un solo aminoacido.

-UNIVERSALE --> Uguale per tutti gli esseri viventi.

INDUTTORI = composti che stimolano la sintesi di una proteina.

INDUCIBILI = proteine prodotto.

COSTITUTIVE = proteine prodotte in una certa quantità in ogni momento.

OPERONI = unità di trascrizione dei procarioti. 5

I procarioti arrestano la trascrizione ponendo un ostacolo tra il promotore e i geni strutturali

da esso controllati: qui si trova un segmento di DNA definito OPERATORE a cui si lega un

REPRESSORE per creare ostacolo. L’intera unità è l’OPERONE.

MUTAZIONI

TRANSIZIONE: da purina a purina, o da pirimidina a pirimidina.

TRASVERSIONE: da purina a pirimidina o viceversa.

CONSEGUENZE:

-Nessuna se ad essere colpita è la terza base di un codone e il nuovo codone codifica per

lo stesso aminoacido

-Cambio dell’aminoacido specificato dal codone ora mutato.

-Proteina più corta se un codone per l’aminoacido si tramuta in un codone di STOP.

-Proteina più lunga se da un codone di STOP per mutazione si passa ad un aminoacido

qualsiasi.

DELEZIONE O INSERZIONE DI UNA BASE: cambio del codice di lettura. Da quel

nucleotide (deleto o inserito) la proteina sarà tutta diversa perché a codoni diversi

corrisponderanno AA diversi.

TRADUZIONE

RIBOSOMA = RNA ribosomici (rRNA) + proteine. Composti da:

-subunità grande --> catalizza la formazione dei legami peptidici che uniscono gli

amminoacidi tra loro.

-subunità piccola --> accoppia i tRNA ai codoni dell’mRNA.

Ogni ribosoma contiene:

-Un sito di legame per una molecola di mRNA.

-Tre siti di legame (A, P, E) per le molecole di tRNA.

Processo:

La traduzione procede dall’estremità N-terminale all’estremità C-terminale del polipeptide.

La traduzione ha sempre inizio con Formil-metionina nei procarioti e Metionina in eucarioti.

-L’mRNA si lega alla subunità piccola e al tRNAmet grazie a FATTORI DI INIZIO. L’mRNA

in procarioti si lega con la sequenza SHINE-DALGARNO al 16S rRNA; mentre in eucarioti

l’mRNA si lega con il cappuccio al 18S rRNA.

-Si assembla la subunità grande contenente i siti A e P per accogliere i tRNA.

-Il secondo tRNA con l’amminoacido corrispondente si lega all’mRNA nel sito A grazie a 2

FATTORI DI ALLUNGAMENTO ed a una molecola di GTP. I due AA sono così vicini da

legarsi attraverso il COOH della metionina e l’NH2 del secondo AA. Legame che avviene

ad opera della PEPTIDIL-TRANSFERASI. 6

-Il primo AA, scarico della metionina, si stacca --> traslocazione: l’mRNA scivola di un

codone trascinandosi il secondo tRNA che passa dal sito A al sito P, lasciando libero il sito

A per l’arrivo di un terzo amminoacido. Traslocazione permessa da un FATTORE DI

TRASLOCAZIONE e da una molecola di GTP.

-Quando sul sito A si trova un codone di STOP la sintesi si arresta. FATTORI DI

RILASCIO impediscono l’attacco a qualsiasi AA nel sito A --> forzano la peptidil transferasi

ad aggiungere una molecola di acqua al peptidil-tRNA.

-IDROLASI permette la separazione della catena polipeptidica dal tRNA. Le due subunità

ribosomiali si diassemblano.

PROTEINE

Polimeri di aminoacidi.

STRUTTURA PRIMARIA: rappresentata dalla sequenza lineare di aminoacidi.

STRUTTURA SECONDARIA: struttura ad alfa-elica o beta-foglietto. Strutture date da

legami ad idrogeno che si instaurano tra differenti gruppi peptidici.

STRUTTURA TERZIARIA: Struttura secondaria che si piega su se stessa.

STRUTTURA QUATERNARIA: Associazione di più catene polipeptidiche.

DIVISIONE CELLULARE

MITOSI = divisione nucleare.

CITOCHINESI = divisione cellulare.

CICLO CELLULARE diviso in INTERFASE e FASE M (mitosi+citochinesi). L’interfase è a

sua volta divisa in:

-FASE G1 --> la cellula si accresce.

-FASE S --> il DNA si duplica.

-FASE G3 --> la cellula si accresce.

Il primo segno visibile che una cellula sta per entrare nella fase M è la progressiva

CONDENSAZIONE dei suoi cromosomi.

SISTEMA DI CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE:

Si assicura che le cellule replichino tutto il DNA e gli organelli prima di dividersi.

Punti di controllo:

-In G1 --> Entrare in fase S solo con ambiente favorevole.

-In G2 --> Per entrare in mitosi DNA deve essere completamente replicato ed eventuali

danni al DNA riparati.

-In mitosi --> Per separare i cromosomi fratelli i cromosomi devono essere correttamente

legati al fuso mitotico.

CHINASI = proteine del sistema di controllo. Si attivano solo in determinati momenti in

seguito a uno stimolo da parte di un altro tipo di proteine: le CICLINE. Per questo vengono

chiamate CHINASI CICLINA-DIPENDENTI.

MITOSI

Processo di divisione cellulare che garantisce la conservazione e la distribuzione dello

stesso numero di cromosomi da una cellula madre alla due cellule figlie. 7

Il materiale cromosomico si raddoppia UNA volta e la cellula si divide UNA volta.

INTERFASE = Fondamentale la duplicazione del CENTROSOMA, il principale centro

organizzatore dei microtubuli della cellula.

PROFASE = Cromosomi si condensano. I centrosomi cominciano ad allontanarsi.

METAFASE = L’involucro nucleare si disgrega e i cromosomi si schierano all’equatore del

fuso.

ANAFASE = I cromatidi fratelli di tutti i cromosomi si separano e vengono tirati verso il

polo del fuso al quale sono collegati.

TELOFASE = I gruppi di cromosomi raggiungono i poli del fuso. Il citoplasma comincia a

dividersi. La cellula viene separata da un anello contrattile di ACTINA e MIOSINA.

CINETOCORI --> zona del cromosoma che si lega al fuso mitotico.

APOPTOSI --> morte programmata delle cellule.

MEIOSI

Processo di divisione cellulare che porta alla produzione di cellule APLOIDI.

Il materiale cromosomico si raddoppia UNA volta e la cellula si divide DUE volte.

PROFASE I = Cromatina si condensa. I cromoso