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Genetica

Indice degli argomenti trattati

I legami chimici

• La struttura della cellula

• Riproduzione cellulare

• Il materiale genetico

• Replicazione del DNA

• Trascrizione del DNA

• Traduzione

• Mutazioni

• Genetica Mendeliana

• Genetica Batterica

• Regolazione dell’espressione genica

• Fago λ

• Ingegneria Genetica

•

CdL in Scienze Biologiche Anno Accademico 2019-2020

I legami chimici

Si definisce legame una forza che tiene unite due entità

• Il legame chimico è un legame che si instaura fra gli atomi (legame intramolecolare) o fra le

• molecole (legame intermolecolare)

Legami intramolecolari

Per quanto riguarda i legami intramolecolari si distinguono legami ionici e legami covalenti:

• legame ionico

Il è un legame fra ioni, ovvero fra atomi dotati di carica, si ha un atomo più

• elettronegativo che diventerà lo ione negativo, l’anione; questo acquisisce un elettrone

dall’atomo meno elettronegativo che diventa uno ione positivo (catione)

legame covalente

Il si instaura fra atomi che condividono una coppia di elettroni, i quali si

• trovano ad orbitare intorno ai due atomi molto vicini

Per rompere tale tipo di legame serve una notevole quantità di energia

• Si distinguono legame covalente puro e polare

• Il legame covalente si definisce puro se si instaura fra atomi uguali e avrà una nuvola

• elettronica simmetrica

Il legame covalente polare si ha fra due atomi diversi, la nuvola elettronica non è

• simmetrica ed è spostata verso l’atomo più elettronegativo con la conseguente formazione

di un dipolo

Legami intermolecolari

Rientrano nei legami intermolecolari i legami a idrogeno, dove la parte parzialmente negativa

• della molecola interagisce con quella positiva delle molecole vicine

Genetica - II Anno, I Semestre I legami chimici

La struttura della cellula

Viventi e classificazione

Per poter definire un essere vivente devono essere rispettate quattro caratteristiche, le quali

• devono sussistere contemporaneamente:

Riproduzione

• Informazione genetica

• Metabolismo

• Evoluzione

•

I viventi si classificano in due domini, eucarioti e procarioti:

• I procarioti vengono a loro volta suddivisi in:

• Batteri

• Archei

•

Gli eucarioti vengono suddivisi in

• Monocellulari e pluricellulari

• Animali e vegetali

•

Struttura della cellula

Partendo dall’esterno della cellula ed “entrando” al suo interno si possono ritrovare varie parti,

• la cui forma è sempre collegata alla funzione

Membrana cellulare e organuli

Si tratta di una membrana con proteine adese sopra

• All’interno di tale membrana si ritrova una grande quantità di molecole che vibrano

• Si possono ritrovare enzimi liberi nel citosol, tali enzimi sono molecole quasi tutte di natura

• proteica, le quali interagiscono con il substrato e lo trasformano nel prodotto

Tale enzima non altera l’equilibrio della reazione

• Gli enzimi di una stessa via metabolica si trovano tutti vicini fra loro mentre alcuni vanno ad

• associarsi agli organuli

Si possono trovare i mitocondri, la cui forma è legata alla funzione che devono svolgere

• Sono dotati di una doppia membrana

• Sono dotati di creste mitocondriali che aumentano la superficie per lo scambio dei gas

• respiratori

I mitocondri hanno un proprio DNA circolare a doppia elica (il quale deriva dai batteri, in quanto

• all’origine dell’evoluzione prima di essere organuli erano batteri)

I mitocondri replicano il proprio DNA autonomamente

• Si può trovare l’apparato del Golgi

• Si possono incontrare i ribosomi, i quali sono sede della sintesi proteica

• Possono trovarsi adesi al RER oppure possono essere liberi nel citoplasma

• La porzione più voluminosa della cellula è il nucleo

•

Nucleo

Il nucleo è rivestito di una membrana dotata di numerosi pori virtuali

• All’interno si ritrova il DNA, costituito da una doppia elica di nucleotidi legati fra loro

• Nucleotidi di una stessa elica sono legati fra loro tramite legami covalenti

• Nucleotidi di eliche diverse sono legati fra loro tramite legami a idrogeno

•

Nel caso del DNA si ritrovano 46 molecole di DNA (46 cromosomi)

•

Genetica - II Anno, I Semestre Pagina 1 di 2 La struttura della cellula

Differenze fra i vari tipi di cellule

Le cellule vegetali, a differenza di quelle animali, sono dotate di:

• Una parete cellulare, la quale conferisce turgore alla cellula e contrasta la pressione osmotica

• Il vacuolo

• I cloroplasti, i quali sono deputati alla fotosintesi clorofilliana ossigenica e contengono un loro

• DNA

Le cellule procariotiche, a differenza di quelle eucariotiche, non hanno la parete cellulare e

• hanno un DNA libero e circolare 13

10

Nell’organismo si contano circa cellule mentre si contano circa 100.000 batteri

• Nell’uomo si hanno un totale di circa 30.000 geni mentre la totalità dei batteri nell’organismo ne

• conta 3.000.000 circa

Struttura della cellula batterica

Le cellule batteriche sono dotate di un flagello esterno per la ricerca del nutrimento

• Alcuni batteri sono dotati di una parete cellulare rigida semipermeabile

• La membrana cellulare ha la stessa composizione molecolare degli eucarioti

• Il citoplasma è strutturato nella stessa maniera degli eucarioti ma non si ritrovano gli organuli, si

• hanno solo i ribosomi

Nella maggior parte dei casi non si incontra una membrana

• I batteri possono avere uno, due o tre cromosomi (molecole di DNA), sia circolari che lineari

• Sono dotati di molecole di DNA trasferibili da un batterio all’altro (plasmidi) le quali sono

• all’origine della plasticità genetica dei batteri

Hanno una grandissima abilità di adattamento grazie all’enorme variabilità genetica

•

Genetica - II Anno, I Semestre Pagina 2 di 2 La struttura della cellula

Riproduzione cellulare

Riproduzione conservativa

Nel caso della riproduzione conservativa si ha la produzione di cellule figlie identiche alla cellula

• madre

Nel caso delle cellule somatiche, ad esempio, si ha la produzione di “cloni”, ovvero di entità

• geneticamente identiche fra loro

La cellula eucariotica si riproduce per mezzo della mitosi

• Le cellule procariotiche si riproducono tramite scissione binaria

•

Variabilità genetica ed identità biologica

L’organismo tende a mantenere la propria identità biologica tramite la riproduzione conservativa,

• tuttavia il solo mantenimento dell’identità biologica non poterebbe a nessun tipo di evoluzione,

di conseguenza si ritrovano nella riproduzione cellulare due forze in contrasto ed in equilibrio fra

loro:

Mantenimento dell’identità biologica

• Variabilità genetica

•

La variabilità genetica della meiosi controbilancia il mantenimento dell’identità biologica

• della mitosi

Per arrivare ad avere un qualsiasi tipo di evoluzione si ha necessità di organismi biologicamente

• diversi, in ogni organismo infatti si sono sviluppati progressivamente meccanismi che mirano a

mantenere la variabilità genetica, nello specifico:

Nei batteri si hanno trasformazione, trasduzione, fusione e coniugazione

• crossing-over

Negli eucarioti si ha il fenomeno del

•

Fase S del ciclo cellulare

Si tratta del momento successivo allo stadio in cui la cellula è nel pieno del metabolismo

• cellulare ma non è impegnata nella duplicazione del DNA (fase G1 dell’interfase)

L’interfase cellulare si compone infatti di tre stadi: fase G1, fase S e fase G2

• Durante la Fase S si ha la duplicazione di ognuno dei 46 cromosomi contemporaneamente

• Per ognuna delle 46 molecole di DNA che si duplicano è necessario che il processo segua un

• meccanismo perfettamente organizzato

Il DNA durante la duplicazione presenta un punto in cui non viene duplicato, si tratta del

• centromero, il punto in cui le due molecole neoformate restano collegate

La molecola di DNA si compatta quindi nel cromosoma, dando luogo ad un corpuscolo

• colorabile ed osservabile al microscopio ottico

Il cromosoma è quindi formato da due molecole di DNA perfettamente identiche e legate nel

• centromero (cromatidi fratelli)

Successivamente alla Fase S la cellula entra in una fase di riposo che precede la mitosi o la

• meiosi, la Fase G

L’interfase cellulare si divide in:

• Fase G1 (duplicazione degli organuli)

• Fase S (duplicazione del DNA)

• Fase G2 (formazione di strutture necessarie alla mitosi o meiosi)

•

Genetica - II Anno, I Semestre Pagina 1 di 3 Riproduzione cellulare

Mitosi

Inizialmente i cromosomi vengono allineati sullo stesso piano al centro della cellula mentre i

• centrioli si dispongono ai due poli opposti della cellula stessa

Dai centrioli si propagano fibre contrattili che vanno a legare i centromeri dei cromosomi,

• formando il fuso mitotico

Il centriolo contrattile quindi separa i cromatidi fratelli simultaneamente e molto velocemente, si

• ha poi la scomparsa del fuso e la conseguente formazione di due molecole di DNA identiche

posizionate ai poli della cellula

La successiva citodieresi, ovvero la contrazione della cellula nel suo centro, dà origine a due

• cellule perfettamente identiche

Meiosi

Genera variabilità genetica attraverso la ricombinazione, ovvero la formazione di nuove

• combinazioni di geni

Si possono distinguere due tipi di ricombinazione:

• Ricombinazione intercromosomica, ovvero quella intuita da Mendel

• crossing-over

Ricombinazione intracromosomica, dovuta al

•

La ricombinazione intercromosomica non prevede lo scambio di materiale genetico fra DNA

• La ricombinazione intracromosomica prevede lo scambio di materiale genetico fra un

• cromosoma ed un altro

crossing-over

Il è catalizzato dall’enzima RecA, coinvolto anche in altri processi

• crossing-over

L’enzima RecA è presente anche nelle cellule procarioti, il infatti era già comparso

• ai primordi della vita in alcuni batteri

La meiosi consta di due parti, una equazionale ed una riduzionale

• La meiosi è esclusiva delle cellule germinali e porta al dimezzamento del corredo cromosomico

• Le cellule da un corredo diploide (2n) arrivano ad avere un corredo aploide (n)

• Da 46 cromosomi (di cui 22 + 22 autosomi e 1 + 1 cromosomi sessuali) si avranno quindi 23

• cromosomi di cui 22 autosomi ed 1 cromosoma sessuale

La meiosi dimezza il numero di cromosomi per ripristinare il corredo diploide al momento della

• fecondazione e della fusione spermio-uovo

Ricombinazione intracromosomica

La ricombinazione intracromosomica avviene fra un cromosoma e l’altro, i quali sono chiamati

• cromosomi omologhi e sono in numero di 22 coppie

Lo scambio di materiale genetico si ha fra cromosomi omologhi poiché, affinché si possa avere

• crossing-over,

il la proteina RecA può scambiare solo sequenze identiche o molto simili fra loro

(nei cromosomi non omologhi le sequenze sono diverse, ad esempio fra il cromosoma

1-paterno e 2-materno; di conseguenza si può avere solo fra il cromosoma 1-materno ed

1-paterno)

I cromosomi omologhi portano la stessa informazione genetica

• Il processo è velocissimo e porta ad errori, di conseguenza si ha necessità di meccanismi che

• rendano inefficaci le mutazioni, ovvero si ha bisogno di determinati sistemi di correzione

La cellula non può impedire gli errori ma deve avere un meccanismo capace di rendere inefficaci

• tali errori

Genetica - II Anno, I Semestre Pagina 2 di 3 Riproduzione cellulare

Ricombinazione intercromosomica

La ricombinazione intercromosomica si ha nel

• caso di uno scambio di cromosomi

Nel corso della meiosi I i cromosomi omologhi

• (formati dai cromatidi fratelli) si appaiano e si

allineano lungo il piano equatoriale della cellula

Nel caso della ricombinazione

• intercromosomica si ha lo scambio dei

cromosomi materni e paterni

Seconda fase della mitosi

Nella seconda divisione meiotica si ha un processo simile a quello della mitosi

• Alla fine delle due meiosi da una cellula diploide si ottengono quattro cellule aploidi

•

Genetica - II Anno, I Semestre Pagina 3 di 3 Riproduzione cellulare

Il materiale genetico

Nel corso della ricerca alla molecola dell’informazione genetica si sviluppò il principio secondo il

• quale tale molecola doveva essere grande, complessa e interna alla cellula

La molecola del materiale genetico, di conseguenza, doveva essere una fra proteine, lipidi,

• carboidrati e acidi nucleici

I lipidi e gli zuccheri vennero inizialmente esclusi poiché “troppo semplici”, così come gli acidi

• nucleici

Di conseguenza la logica degli anni precedenti portava a pensare che l’informazione genetica

• fosse contenuta nelle proteine

Nel corso degli anni ’20 si venne a conoscenza della effettiva presenza di un principio

• trasformante tramite l’esperimento di Griffith

Griffith (1920) Streptococcus Pneumoniae,

Si conoscevano due ceppi del batterio il ceppo IIR e il ceppo IIIS

• Tali ceppi di batteri se iniettati in topi vivi causavano tre diverse conseguenze:

• Con il ceppo IIR il topo continuava a vivere

• Con il ceppo IIIS il topo moriva e tali batteri si ritrovavano anche dopo la morte

• Con il ceppo IIIS reso inoffensivo tramite calore il topo continuava a vivere

•

Iniettando una miscela di batteri IIIS non più virulenti e batteri IIR vivi il topo moriva lo stesso e si

• ritrovavano batteri virulenti anche dopo la morte del topo

Di conseguenza questo indicava che il batterio IIR inizialmente inoffensivo si trasformava in

• batterio IIIS virulento, e di conseguenza questo andava a significare che qualcosa del ceppo S

era passato al ceppo R

Si intuì di conseguenza la presenza di un principio trasformante nel ceppo S che ha passato la

• caratteristica virulenta al ceppo R

Da questo esperimento si cominciò a cercare quale effettivamente fosse il principio

• trasformante

Avery, MacLeod e McCarty (1942)

I tre ricercatori, nel 1942, cercarono di dimostrare quale fosse precisamente la molecola

• dell’informazione genetica; partendo dal presupposto che questa fosse l’acido nucleico

Per prima cosa i ricercatori uccisero una colonia di batteri IIIS inizialmente virulenti e li

• depositarono in sei provette:

Nella provetta Numero 1 lasciarono solo l’estratto di batteri S

• Nella provetta Numero 2 inserirono enzimi in grado di degradare gli acidi nucleici, le

• proteine, i lipidi e gli zuccheri

Nella provetta Numero 3 inserirono enzimi in grado di degradare le proteine

• Nella provetta Numero 4 inserirono enzimi in grado di degradare gli zuccheri

• Nella provetta Numero 5 inserirono enzimi in grado di degradare i lipidi

• Nella provetta Numero 6 inserirono enzimi in grado di degradare gli acidi nucleici

•

Successivamente vennero inseriti in tutte le provette batteri del ceppo R non virulenti

• Il contenuto di ogni singola provetta venne quindi iniettato in topi diversi

• Osservando i risultati dell’esperimento si notò che:

• Il topo a cui era stato iniettato il contenuto della provetta Numero 1 non sopravviveva

• Il topo a cui era stato iniettato il contenuto della provetta Numero 2 continuava a vivere

• Il topo a cui era stato iniettato il contenuto della provetta Numero 3 non sopravviveva

• Il topo a cui era stato iniettato il contenuto della provetta Numero 4 non sopravviveva

• Il topo a cui era stato iniettato il contenuto della provetta Numero 5 non sopravviveva

• Il topo a cui era stato iniettato il contenuto della provetta Numero 6 continuava a vivere

•

Genetica - II Anno, I Semestre Pagina 1 di 7 Il materiale genetico

Di conseguenza conclusero che:

• Nella provetta Numero 1 si ha solo estratto cellulare, quindi il principio trasformante sarà

• presente e il topo morirà

Nella provetta Numero 2 gli enzimi presenti degradano tutto e di conseguenza il principio

• trasformante verrà eliminato

Nelle provette Numero 3, Numero 4 e Numero 5 gli enzimi presenti non degradano il

• principio trasformante e il topo morirà

Nella provetta Numero 6, viene degradato il principio trasformante e di conseguenza il topo

• continuerà a vivere

Poiché il batterio con gli acidi nucleici degradati non trasmetteva il carattere virulento si arrivò a

• capire e confermare che gli acidi nucleici fossero alla base dell’informazione genetica

3 4 5

2 6

1 Prot Carb Lipidi

Tutto A. nucl

Solo S degrad degrad degrad

degrad Degrad

✞ ✞ ✞ ✞

! !

Una volta appurato che il principio trasformante si trovasse negli acidi nucleici rimaneva da

• capire quale fosse dei due, il DNA o l’RNA

Tale scoperta lasciava spazio a tre possibili scenari:

• Il DNA era la molecola informazionale

• L’RNA era la molecola informazionale

• Sia il DNA che l’RNA erano le molecole informazionali

•

L’esperimento successivo era mirato a capire quale effettivamente delle due fosse

• Vennero preparate due provette con estratto cellulare di batteri IIIS non più virulenti

• Nelle provette vennero quindi aggiunti determinati enzimi:

• Nella provetta Numero 1 vennero inserite delle RNAsi

• Nella provetta Numero 2 vennero