Genetica generale - Appunti

Genetica molecolare

Cellula eucariotica

Ogni cellula ha una forma e una funzione diversa. All'interno della cellula c'è il nucleo, che contiene il genoma, ovvero l'insieme delle informazioni scritte (DNA) che è ciò che è presente nei cromosomi.

Cellula procariotica

Le cellule procariotiche non hanno il nucleo e il DNA è libero nella cellula. Sono avvolti da una parete cellulare e da una membrana cellulare.

Batteriofagi

Non sono in grado di vivere da soli. Devono infettare una cellula batterica per poter svolgere le proprie funzioni. Sono costituiti da un capside che contiene il DNA o l'acido nucleico di cui sono dotati. Questo è connesso ad uno stelo proteico, che serve per contattare la parete batterica e, con degli enzimi, degrada la parete causando l'infezione. L'acido nucleico dirige la sintesi di nuovi fagi che poi usciranno dalla cellula e si propagheranno all'esterno infettando altre cellule.

Costituenti cellulari

• Zuccheri = Polisaccaridi
• Acidi grassi = Membrane, lipidi, grassi
• Amminoacidi = Proteine
• Nucleotidi = Acidi nucleici

Il corpo umano è costituito dal 70% di acqua e dal 30% da composti chimici: proteine, RNA, piccole molecole o ioni, polisaccaridi e DNA.

Proteine

Capire la struttura di una proteina è importante per conoscere la sua funzione. Con la svolta della ricerca, si è riusciti a sequenziare l'intero genoma umano e, perciò, si è potuto capire come conoscere la sequenza degli amminoacidi nella proteina. In ogni proteina sono riconosciuti dei domini funzionali, come quello chinasico = fosforila dei substrati, perché la sequenza di amminoacidi glielo permette. Molti domini servono per riconoscere determinate proteine.

Tutte le proteine hanno una vita media che dipende dalla loro stabilità:

• Esse fanno vivere la cellula
• Svolgono funzione ormonale
• Svolgono funzione strutturale
• Sono anche enzimi: catalizzatori biologici che permettono reazioni, rendendole più veloci.

DNA

Nel 1953 Watson e Crick scoprono la struttura del DNA, con l'aiuto di Chargaff, che valutò numericamente le quantità di basi azotate all'interno dello stesso. Il DNA è costituito da due lunghe catene polinucleotidiche formanti un'elica destrorsa. I nucleotidi sono composti da uno zucchero (deossiribosio) al quale è attaccato un gruppo fosfato e una base azotata tra quattro possibili: adenina, citosina, guanina e timina. I nucleotidi sono tenuti assieme tramite gli zuccheri e i fosfati. In più, i due filamenti, per permettere i legami a idrogeno tra le basi (A e T – G e C), devono essere posti antiparallelamente tra loro.

Basandosi su una foto a raggi X, Watson e Crick notarono delle precise distanze che poi si scoprì essere importanti. Tra due nucleotidi adiacenti c'è una distanza di 0,34 nm. Il passo è di 34 nm ovvero di dieci nucleotidi. Il DNA deve essere capace di replicarsi, di controllare l'espressione dei tratti genici (proteine, enzimi) e di mutare in maniera stabile.

Mutazione

Cambiamento di carattere nucleotidico del DNA che viene poi trasmesso alla progenie. Ha effetti negativi, ma anche positivi, poiché senza di essa non ci sarebbe stata l'evoluzione. Ha modificato le funzioni delle cellule adattandole all'ambiente.

Esperimento di Griffith

Griffith prese due colonie di batteri, una R avirulenta con strutture rugose, e una S virulenta con strutture lisce. Iniettando il ceppo S in un topo, questo moriva. Iniettando quello R, continuava a vivere. Iniettando il ceppo S scaldato, in modo da uccidere i batteri, il topo viveva. Denaturandolo aveva perciò perso la caratteristica di essere virulento. Mettendo assieme il ceppo R con quello S scaldato, il topo moriva. Nei batteri di tipo S esiste una caratteristica che dà la virulenza e, interagendo con i batteri R era in grado di mantenerla, modificandoli.

Esperimento di Avery

Mettendo il ceppo R con le proteine del ceppo R e, separatamente il ceppo R con del DNA del ceppo S, si è visto che in un caso, il topo viveva, e nell'altro moriva. Questo significava che nel DNA del ceppo S era presente l'informazione che dava la virulenza e che era in grado di trasformare i batteri R in S. Nonostante ciò, c'era ancora molto scetticismo. La svolta avvenne con l'uso di batteriofagi.

Esperimento di Hershey e Chase

Hershey e Chase svolgevano studi su un fago, ovvero un virus in grado di infettare i batteri; in particolare il fago di loro interesse era noto come "T2". Questo virus è in grado di attaccare E. coli (un batterio utilizzato spesso come modello in questo genere di studi). All'epoca era noto che T2 era formato esclusivamente da DNA protetto da un involucro proteico. I due scienziati prepararono in parallelo due colture di E. coli:

• Nel terreno di coltura della prima introdussero fosforo marcato radioattivamente (l'isotopo ³²P).
• Nel terreno di coltura della seconda introdussero zolfo marcato radioattivamente (l'isotopo ³⁵S).

I batteri delle due colture metabolizzarono da una parte il fosforo marcato e dall'altra lo zolfo marcato introducendo questi atomi radioattivi nelle biomolecole presenti all'interno delle cellule. In particolare:

• Il fosforo marcato si troverà in gran parte nei nucleotidi e di conseguenza anche negli acidi nucleici; non sarà presente invece in quantità significative nelle proteine.
• Lo zolfo marcato si troverà nelle proteine (in particolare nell'amminoacido cisteina) e non si troverà nei nucleotidi.

A questo punto i ricercatori infettarono parallelamente le due colture batteriche con il fago T2. Questo virus utilizza l'apparato biosintetico delle cellule di E. coli per replicare il proprio DNA e per sintetizzare le proteine del rivestimento. Dal momento che i nucleotidi e gli amminoacidi utilizzati nella sintesi del DNA e delle proteine virali sono quelli presenti all'interno della cellula infettata, ne risulta che i fagi sviluppati dall'infezione nel prima coltura avranno un DNA marcato radioattivamente, mentre quelli sviluppati dall'infezione della seconda coltura avranno il rivestimento proteico esterno marcato radioattivamente. Hershey e Chase separarono i fagi neoformati (quelli marcati) dai due terreni di coltura e, separatamente, li utilizzarono per infettare altre due colture di E. coli, in questo caso cresciute su terreni "standard" privi di isotopi radioattivi.

• Nel caso in cui i fagi infettanti avessero il DNA marcato, in seguito all'infezione gran parte della radioattività veniva misurata all'interno delle cellula batteriche colpite (e nel DNA di una parte dei nuovi fagi sviluppatisi in seguito a questa infezione).
• Nel caso in cui i fagi infettanti avessero il rivestimento proteico marcato la radioattività veniva misurata solamente all'esterno delle cellule batteriche colpite (e non era presente sul rivestimento proteico dei nuovi fagi sviluppatisi in seguito a questa infezione).

Il processo utilizzato per determinare se la radioattività provenisse dall'interno o dall'esterno delle cellule fu il seguente: dopo un certo tempo dall'inizio dell'infezione, il terreno di coltura veniva posto in un omogenizzatore. La conseguente agitazione provocava il distacco del rivestimento proteico dei virus dalla membrana cellulare (in questo caso si parla di "ombre fagiche" poiché questi rivestimenti proteici non contengono il DNA che è già stato iniettato nella cellula). Il tutto veniva poi centrifugato: la parte cellulare (contenente eventualmente il DNA marcato) rimaneva sul fondo della provetta, mentre i rivestimenti proteici distaccati dalle membrane cellulari rimanevano in sospensione. A seconda di dove si misurava la maggiore radioattività era possibile dedurre se la molecola marcata si trovasse o meno all'interno della cellula.

DNA e codifica delle informazioni

Il DNA codifica l'informazione tramite l'ordine, o sequenza dei nucleotidi in ciascun filamento. Ciascuna base può essere considerata come una lettera di un alfabeto a quattro lettere in cui sono scritti i messaggi biologici nella struttura chimica del DNA. Quasi tutto il DNA di una cellula eucariotica è contenuto nel nucleo. L'involucro nucleare permette alle proteine che agiscono sul DNA di concentrarsi dove sono necessarie nella cellula. La funzione del DNA è quella di portare i geni. I genomi degli eucarioti sono divisi in cromosomi e, il genoma umano è lungo circa 1 m. Ogni molecola di DNA è un cromosoma, a cui si associano a proteine che ripiegano e compattano la struttura. Con l'eccezione delle cellule germinali, ogni cellula contiene due copie di ciascun cromosoma. Uno del padre e uno della madre. L'insieme dei 46 cromosomi umani è detto cariotipo.

Gli istoni

Le proteine che si legano al DNA per formare i cromosomi, sono divisi in istoni e le proteine non istoniche. Il complesso di entrambe le classi di proteine con il DNA è detto cromatina. Normalmente il DNA è molto poco condensato. Si addensa nelle fasi di mitosi e meiosi. Gli istoni sono responsabili del primo livello di base dell'organizzazione dei cromosomi, i nucleosomi. Ogni nucleosoma è composto da otto proteine istoniche (due molecole di H2A, H2B, H3 e H4) e del DNA a doppio filamento lungo 146 nucleotidi che si avvolge attorno al nucleo ottamerico di istoni. Questa struttura a perline è possibile poiché gli istoni sono proteine molto basiche che sono quindi in grado di legarsi al DNA.