Genetica agraria

DNA:

Nel 1945 viene scoperto che il DNA è l’elemento portatore dell’informazione

biologica attraverso gli studi di genetisti, biologici, chimici ecc. Il primo contributo

interessante lo abbiamo nel 1871 da parte di Miescher che isola da delle bende

infette i globuli bianchi dai quali estrae i nuclei producendo un preparato formato

essenzialmente dal materiale genetico. Questo materiale (denominato nucleina)

viene analizzato e si nota che è acido e molto ricco in fosforo; si nota inoltre che è

composito e la sostanza acida viene detta acido nucleico. Si notano delle

nucleoproteine appartenenti ad un gruppo basico associate con il materiale acido.

Queste proteine sono dette istoni e presentano un contenuto elevato di lisina e/o

arginina (in alcune specie a sostituire gli istoni troviamo le protamine che presentano

una struttura relativamente semplice e presentano una carica netta positiva causato

dall’elevato contenuto di arginina). Con studi sui pesci si nota che nelle cellule

somatiche c’è una maggiore presenza di istoni mentre nelle cellule sessuali si

nota una maggiore presenza di protamina e si comprese quindi che

l’informazione genetica è all’interno dell’acido nucleico.

Struttura primaria:

Levene scoprì che l’acido nucleico è un polimero composto da 4 nucleotidi.

Questi monomeri sono formati a loro volta da uno zucchero pentoso, un gruppo

fosfato e una porzione contenente azoto. Si scoprì in seguito che gli acidi nucleici

possono essere di 2 tipi: formati da ribosio, in questo caso l’acido nucleico viene

rappresentato con la sigla RNA ossia acido ribonucleico, o da 2-desossi-ribosio, in

questo caso l’acido nucleico viene rappresentato con la sigla DNA ossia acido

desossiribonucleico. In questi acidi non vi è mescolanza di uno zucchero rispetto ad

un altro: c’è la presenza di un solo tipo di zucchero in ciascun acido nucleico. A

marcare questa differenza si vide che la distribuzione non era la stessa: nel nucleo vi

è una netta prevalenza di DNA con quantità di RNA diverse a seconda dell’intensità

dell’attività metabolica cellulare con quantità elevate nel caso di cellule più attive.

L’RNA è più presente nel citoplasma e il DNA è presente nel citoplasma solo

in organelli come i mitocondri e i cloroplasti. Un altro componente che varia tra DNA

e RNA è la componente azotata: queste basi azotate possono essere di 4 tipi e 3 di

loro potevano essere comuni a RNA e DNA mentre una era diversa. Si nota che queste

basi erano composte da atomi di carbonio e di azoto formanti anelli: pirimidine

quando è presente un solo anello, purine con doppio anello. Si scoprì che

potevano esserci in RNA e DNA 2 purine, Guanina e Adenina, mentre la variazione si

ha con le pirimidine: Citosina comune ad entrambi mentre Timina presente solo nel

DNA e Uracile presente solo nell’RNA. Quindi l’unica cosa che varia fra i vari nucleotidi

sono le basi azotate.

Si è deciso di dare il suffisso “primo” agli atomi di carbonio delle basi azotate: in

posizione 2’ nel desossiribosio è presente un atomo di idrogeno mentre nel ribosio è

presente un OH che lo rende nettamente più instabile.

Il gruppo fosfato è legato all’atomo di carbonio presente in posizione 5’. Questo

gruppo fosfato presenta un atomo di idrogeno dissociato e quindi dona al DNA una

carica negativa. La carica negativa, in vivo, è saturata da ioni metallici come

Magnesio, Manganese, Zinco, Calcio e questo è necessario perché in caso contrario il

pH avrebbe un valore di 3 che renderebbe difficile svolgere molte reazioni chimiche

necessarie alla vita. La base azotata è legata nel carbonio 1’ attraverso un

legame glicosidico carbonio-azoto coinvolgendo gli atomi di azoto in posizione 9 per

le purine mentre l’atomo di azoto in posizione 1 per le pirimidine. Generalmente i

biopolimeri a base zuccherina hanno una scarsa solubilità in acqua ma in DNA e RNA si

ha una elevata solubilità in acqua.

Levene ipotizzo che il gruppo fosfato facesse da ponte fra i nucleotidi: si realizzava un

ponte fosfodiesterico che impegnava gli atomi di carbonio in 5’ e 3’ di

nucleotidi adiacenti. Ipotizzò, inoltre, che il DNA fosse un anello composto da solo 4

pirimidine (1:1:1:1) ed era quindi inadatto per la manifestazione di un determinato

carattere. Questa ultima teoria si rivelò scorretta e nuove analisi da parte di Chargaff

rivelarono che il contenuto di pirimidine poteva variare in percentuale (solo in E. coli

viene confermata l’ipotesi di un rapporto equimolare) e che nelle cellule si nota solo

una quasi ugualianza fra A e T e una quasi uguaglianza fra G e C. Questa caratteristica

non dipende nemmeno dal livello di ploidia. Quello che Chargaff nota è che la

composizione in basi del DNA varia da specie a specie: il contenuto in basi

del DNA corrisponde al primo elemento della firma genomica della specie. Si

scoprì che il DNA è una molecola molto lunga formata da centinaia di migliaia di

nucleotidi agganciati l’uno all’altro: questo lo rende una molecola estremamente

variabile e quindi è possibile che questa sequenza possa portare, in determinati tratti,

l’informazione biologica. Con ulteriori studi viene confermato che il contenuto di A

sia in rapporto 1:1 con T e che G sia in rapporto 1:1 con C (era quindi possibile

calcolare la percentuale di tutti i nucleotidi conoscendo la percentuale di uno solo):

questo permette di ipotizzare la presenza di relazioni fra le basi. Se si sommano le

percentuali A + G si nota che sono uguali alla C + T. Citosina e Adenina sono

amminobasi per la presenza in posizione 4 e 6 di un gruppo amminico mentre

Guanina e Timina sono chetobasi per la presenza in posizione 4 e 6 di un gruppo

chetonico: la somma delle percentuali di amminobasi è uguale alla somma delle

percentuali di chetobasi. Si inizia a ipotizzare, quindi, la presenza di una struttura

secondaria del DNA.

Struttura secondaria:

Alcuni fisici ipotizzano che il DNA abbia struttura cristallina e quindi si cerca di

studiarlo con la tecnica della diffrazione (i raggi X colpiscono il cristallo

impressionando degli spettri di diffrazione). Fra questi fisici c’erano Rosaline Franklin e

Wilkins che ipotizzarono, in base alla diffrazione regolare notata, una struttura

elicoidale del DNA che fa sì che si venga a generare una spirale di 20 Armstrong

e ipotizzano una distanza di 3-4 Armstrong fra i nucleotidi.

Esperimenti di titolazione acido base fecero notare che se si tratta il DNA con una base

forte, il grado di assorbimento della luce ultravioletta del DNA cambia:

l’assorbimento della luce ultravioletta è dovuta dalla presenza delle basi

azotate (per la loro forma ad anello). Abbiamo un picco di assorbimento intorno ai

260 nanometri mentre nelle proteine con amminoacidi aromatici si ha un

assorbimento intorno ai 280 nanometri: queste 2 lunghezze d’onda si utilizzano per

notare quanto DNA è stato estratto (260 nm) e la sua qualità (grado di assorbimento

della luce ultravioletta a 260 e 280: un rapporto 1:2 indica una buona qualità). Si nota

che se si effettua un cambio di temperatura si ha un cambio di proprietà: la stessa

assorbanza della luce ultravioletta aumenta con la temperatura.

Si nota, inoltre, che con un ritorno alle condizioni di neutralità e di temperatura il DNA

torna alle sue condizioni originali. Il DNA quindi cambia natura (denatura) con

variazioni di pH e temperatura e può rinaturare e tornare a manifestare le

proprietà iniziali. Questa denaturazione è dovuta alla scissione di legami meno forti

come i legami ad idrogeno che al ristabilirsi delle condizioni possono riformarsi: le

relazioni fra basi potevano essere associate alla formazione dei legami ad idrogeno.

Watson e Crick nel 1953 costruirono il primo modello del DNA (grazie ai dati di

Franklin e Wilkins e tutti gli esperimenti precedenti come quelli di Chargaff): la

molecola di DNA è composta da due catene polinucleotidiche avvolte su sé

stesse a formare una spirale. Le due catene non si possono separare senza una

mutuarotazione delle estremità libere. Il diametro della doppia elica è di 20

Armstrong formata da una ossatura di basi azotate interne disposte su un piano

perpendicolare all’asse dell’elica stessa mentre all’esterno troviamo catene

formate dai fosfati e dagli zuccheri. Le basi delle due catene si fronteggiano con

legami ad idrogeno. Ciascuna base è distanziata dall’altra di 3 Armstrong e

sono sfasate di 36 gradi. Il numero di paia di basi (bp: base pairs) è l’unità di

misura della lunghezza della catena del DNA. Le basi di un filamento risultano

appaiate alle basi dell’altro seguendo le regole di Chargaff: A-T con 2 legami ad

idrogeno e C-G con tre legami ad idrogeno (questa regola garantisce che il

diametro della spirale sia sempre fisso a 20 Armstrong). A è la base complementare

di T e C è la base complementare di G ed è quindi necessario conoscere solo la

sequenza di una catena perché questa determina quella dell’altra. Non si formano

legami ad idrogeno fra C e A e legami fra T e G in quanto le chetobasi devono

appaiarsi con le amminobasi. La distanza fra una coppia di basi e l’altra è 3,4

Armstrong. Ci sono 10 coppie di basi per ogni giro. Per rendere disponibile

l’informazione biologica è necessaria una denaturazione, almeno parziale, del DNA.

n

Per calcolare il numero di sequenze di DNA si usa la formula 4 dove n è il

numero di nucleotidi.

Le due catene sono orientate in senso antiparallelo: ad un capo troviamo libero un

gruppo fosfato legato al 5’ mentre all’altro capo troviamo un terminale gruppo OH

legato al carbonio 3’ e ovviamente dall’altra parte della catena si ha la situazione

opposta. Questo ottimizza le distanze fra basi contrapposte all’interno della doppia

elica.

Watson e Crick ipotizzarono che l’andamento della doppia elica fosse

destrogiro: in realtà esistono anche tipi e sezioni di DNA in cui l’andamento è

levogiro. Il DNA descritto da Watson e Crick è detto B-DNA ma esistono anche lo

Z-DNA (che ha struttura meno regolare ed è più allungato) e l’A-DNA (prodotto in

laboratorio). La struttura Z si realizza nel B-DNA con alcune sequenze specifiche in

particolare nel caso di sequenze ricche di citosina e guanina (sequenze poli CG). Sono

quindi presenti isole CG in cui vi è un contenuto relativamente elevato di citosina e

guanina e dove la struttura del DNA sia a Z. La forma Z ha una forma più slanciata e ci

sono 12 coppie di basi per ogni giro.

DNA e cromosomi:

Se si valuta il contenuto medio di DNA pe