Genetica per biologia

IL DNA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è una molecola costituita da nucleotidi formati da:

 Molecola di desossiribosio

 Gruppo fosfato

 Base azotata

Il desossiribosio è uno zucchero pentoso a cinque atomi di

carbonio. Si differenzia da ribosio in quanto il carbonio 2 invece di

fare un legame con gruppo idrossilico, si lega

esclusivamente a un atomo di idrogeno. Il carbonio 5 e il carbonio

3 invece sono implicati nel legame con il gruppo fosfato. La direzione

opposta del carbonio 5 e carbonio 3 tra le due eliche le rende

antiparallele. Le basi azotate si dividono in:

Pirimidine: in cui troviamo timina, uracile

 (nell’RNA) e citosina, che sono a singolo anello

eterociclico esagonale.

Purine: in cui troviamo adenina e guanina, che sono

 molecole a doppio anello eterociclico esagonale e pentagonale.

Il legame tra le rispettive basi segue regole precise: timina e

adenina si legano tra di loro attraverso un doppio

legame idrogeno; mentre citosina e guanina si legano tra di

loro attraverso un triplo legame idrogeno.

Gli studi di Meselson e Stahl, sul DNA permisero di

aggiungere un’altra proprietà alla molecola: il fatto che fosse

semiconservativa. Ossia un filamento parentale è

utilizzato come stampo per il nuovo filamento. Ma

come arrivarono a questa conclusione?

Fecero crescere dei batteri di E.coli (il batterio

maggiormente usato perché più conosciuto) in un

terreno di coltura contenete l’isotopo pesante

15

dell’azoto , in quanto sappiamo che l’azoto è un

N

atomo presente nelle basi azotate e inoltre il DNA può

essere messo in evidenza in seguito

all'introduzione di particolari sostanze che si

legano ad esso e divengono visibili se illuminate

da luce ultravioletta. Gli E.coli furono centrifugati

e inseriti in una provetta contenente Cloruro di Cesio

(CsCl) e ci si accorse che si veniva a formare un banda in basso alla provetta, in quanto

l’azoto 15 essendo un isotopo pesante tendeva a scendere. In seguito si eseguì la stessa

procedura ma questa volta all’azoto 15 fu inserito un isotopo più leggero . Quello che

14

N

ne derivò fu un ibrido contenente sia azoto 15 che 14, i quale si andava a posizionare più

in alto rispetto alla banda contenente esclusivamente azoto 15, in quanto quest’ultima

molecola era più leggera. Ci fu infine una replicazione di ibridi che diede come risultante

bande sempre più leggere contenete ibridi di azoto 15/14 che si conservavano e molecole

contenente l’isotopo leggero.

Esperimento di Hershey e Chase del 1952

Un altro esperimento rilevante fu quello di Hershey e Chase i quali cercarono di capire

quale fosse la molecola che trametteva l’informazione genetica. Per questo esperimento

utilizzarono dei batteri di E.coli e fagi T2. L’ipotesi era che una volta che i fagi avessero

infettato il batterio, attraverso un ciclo litico all’interno della cellula si sarebbero replicati

utilizzando tutto il materiale circostante disponibile. Questa volta i marcatori utilizzati

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furono l’isotopo* dello zolfo e l’isotopo del fosforo .

S P

Allora decisero di piastrare un gruppo di E. coli in una piastra contenente l’isotopo dello

zolfo e poi sottoporli al fago T2 e piastrare un altro gruppo in una piastra contenente

fosforo e poi sottoporli al fago.

Ne derivò che i fagi replicati nella piastra contenente lo zolfo, avevano acquisito questo

isotopo nel capside. Mentre quelli contenenti il fosforo invece avevano acquisito il

marcatore all’interno dell’acido nucleico.

Ci fu una seconda replicazione ma questa volta le piastre non contenevano alcun tipo di

marcatore e ne risultò che: i fagi contenente l’isotopo dello zolfo sul capside non avevano

trasmesso il marcatore, mentre i fagi contenente l’isotopo dello fosforo del DNA avevano

trasmesso il marcatore alle generazioni successive. In conclusione si arrivò a capire che

era necessariamente il DNA a essere la molecola di trasmissione dell’informazione genica.

*Un isotopo è un atomo di uno stesso elemento chimico, avente perciò lo stesso numero atomico Z, che ha

differente numero di massa A, e quindi differente massa atomica M. La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un

diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo, a parità di numero atomico.

La replicazione del DNA

Ha inizio nei punti di origine della replicazione detti ORI, sono luoghi ricchi di adenina e

timina in quanto rompere due legami idrogeno è molto più semplice che romperne tre

come tra citosina e guanina. L’enzima elicasi ha il compito appunto di rompere questi

legami in modo tale da aprire le bolle di replicazione, che nelle cellule

eucariote sono circa 20-80 aperture, in quanto il

DNA è più vasto e necessita di essere

replicato in breve tempo, mentre le cellule

procariote essendo più semplici e avendo filamenti più

brevi hanno una sola bolla di replicazione.

Una volta che le basi azotate sono state separate, queste devono essere tenute

distanziate in quanto tendenti a riaccoppiarci, ecco che entra in gioco la proteina SSB

(single strand binding protein), che ha il compito di mantenere la bolla di replicazione

aperta.

Il compito di replicare i filamenti di DNA è svolto dalla DNA polimerasi, il quale riconosce

un filamento di RNA primer, non codificante sintetizzato dall’enzima primasi.

Vi sono tre DNA polimerasi (anche 5 ma noi guardiamo solo quelle di nostro interesse):

DNA polimerasi I: la quale svolge un’attività esonucleasica cioè di correzione

 degli errori della DNA polimerasi (considerando che legge 500 bp al secondo) e

inoltre ha il compito di sostituire gli inneschi (primer) del lagging strand, che ora

analizzeremo.

DNA polimerasi II: riempie le zone di DNA non complete.

 DNA polimerasi III: direttamente implicata nella replicazione del DNA e svolge

 anche un’attività di proof reading cioè di autocorrezione degli errori.

La DNA polimerasi nella replicazione va in direzione 5’3’ in riferimento al nuovo

filamento replicato. Considerando che però abbiamo due filamenti di DNA da replicare essi

verranno appunto letti in due modi diversi. Abbiamo un leading strand ossia un

filamento in cui troviamo un primer e la DNA polimerasi legge senza interruzione in

direzione 5’3’. Nel versante opposto avremo un lagging strand, letto in

modo frammentato (direzione 3’5’, del nuovo filamento), dove per ogni

piccola parte, chiamati frammenti di okazaki, troveremo un

primer diverso, che poi in seguito verrà sostituito dalla

DNA polimerasi II.

Al termine della replicazione l’enzima ligasi avrà il compito di rilegare i due

filamenti che erano stati separati.

I telomeri

Alla fine di ogni doppio filamento di DNA troviamo dei primer di innesco non codificanti che

non possono essere sostituiti da nessuno DNA polimerasi. Dunque ogni volta un filamento

neosintetizzato sarà più corto, la parte finale viene chiamata telomero. Possiamo trovarci

difronte a due casi: se trattiamo con cellule somatiche questi parti finali non vengono

sostituite, dunque ne deriverà una morte della cellula (motivo per cui vi è ad esempio

l’invecchiamento della pelle); in alternativa se trattiamo con cellule germinali o cellule

somatiche queste parti di RNA finale vengono sostituite grazie all’enzima telomerasi che

inseriscono sequenze ripetitive non codificanti, TTAAGGG, in modo da tale da evitare la

perdita di informazioni.

Il gene

Partiamo intanto affermando che il codice genetico è l’insieme di regole che fa passare

da un linguaggio a 4 lettere (DNA) a uno a 20 lettere (amminoacidi). Mentre il genoma è il

contenuto di una cellula o un organismo. Il gene è l’unità ereditaria. Ogni gene è presente

in un determinato locus che sono i cromosomi, ne esistono di più varianti detti alleli.

Il genoma ovviamente varia a seconda degli organismi che andiamo a trattare.

Nei procarioti i genomi sono più piccoli, sono molto compatti, spesso contengono

 plasmidi, ossia piccoli filamenti di DNA a doppia elica circolare super avvolto, sono

parti codificanti aggiuntive che garantiscono al batterio caratteristiche in più come

per esempio la resistenza agli antibiotici. I batteri non possiedono un nucleo

delimitato e le attività metaboliche avvengono nel citoplasma. Un operone regola

l’espressione genica nei batteri e comprende: uno o più geni strutturali, un tratto di

DNA promotore, un operatore a cui si lega il repressore. Un operone è

generalmente implicato in una via metabolica e presenta i geni strutturali molto

vicini li uni agli altri, in modo tale che essi vengano tradotti molto velocemente.

Negli eucarioti il codice genetico è molto più complesso. Abbiamo una parte

 regolatrice in cui troviamo un promotore e un regolatore, una ORF (opening

reading frame), esoni (brevi regioni codificanti) e introni(regioni non codificanti

molto più vaste), una tripletta di chiusura e un punto di PoliA in 3’. Sono presenti

inoltre i trasposoni, sequenze mobili che si spostano nel genoma.

Fondamentali sono anche gli enhancer che sono sequenze di DNA che svolgono il

loro ruolo pro-trascrizione attraverso l'associazione con diverse proteine, tra cui diversi

fattori coinvolti nell'avvio della trascrizione stessa. Gli enhancers sono sequenze

nucleotidiche cis-agenti che esplicano la loro funzione aumentando notevolmente (fino

a 1000 volte) la frequenza di trascrizione del gene che controllano.

I silenziatori sono una sequenza di DNA capace di legare fattori di regolazione della

trascrizione, chiamati repressori. Il DNA contiene i geni e fornisce lo stampo per

produrre l'RNA messaggero (mRNA), utilizzato per la sintesi di proteine che attivano o

inattivano l'espressione genica nella cellula. Quando un repressore si lega alla regione

del DNA relativa al silenziatore, inibisce il legame del promotore con l'RNA polimerasi -

enzima che è coinvolto nella trascrizione del DNA in RNA - e perciò blocca la sintesi.

La funzione dei silenziatori, quindi, è di impedire l'espressione genica.

Trascrizione

La trascrizione e il processo mediante il quale le informazioni contenute nel DNA

vengono trascritte enzimaticamente in una molecola complementare di RNA. C’è

quindi il trasferimento dell'informazione genetica dal DNA all'RNA. Nel caso in cui il

DNA codifichi per una proteina, la trascrizione e l'inizio del processo che porta,

attraverso la produzione intermedia di un mRNA, alla sintesi di peptidi o proteine

funzionali.

Nei procarioti

Nei procarioti quando parliamo di trascrizione possiam