Genetica per biologia

UNIFI- Laurea in Scienze

Biologiche Genetica

I legami chimici

Prima di addentrarci nello studio della vera e propria genetica è bene fare un ripasso di

chimica generale/organica, su quelli che sono i legami chimici fondamentali che vanno

necessariamente saputi per affrontare al meglio questa materia.

I legami chimici si dividono in legami intramolecolari e legami intermolecolari. I primi

sono forze di natura elettrostatica tengono uniti più atomi in una specie chimica, tra questi

troviamo (verranno indicati solo i legami di interesse alla materia), il legame covalente e il

legame ionico.

Il legami intermolecolari sono interazioni deboli di natura elettrostatica tra molecole neutre

e ioni, tra questi di nostro interesse è il legame idrogeno.

Andiamo a descriverli:

Il legame covalente è un legame che vede interagire due atomi che mettono in

 compartecipazione un doppietto elettronico. Possiamo avere due casi: legame

covalente apolare, dove gli atomi in gioco sono uguale e non vi è differenza di

elettronegatività, dunque l’elettrone sarà portato a ruotare in modo equivalente

intorno alle orbite di entrambi gli atomi. Gli esempi sono molteplici: O2, H2….

Poi abbiamo il legame covalente polare, un esempio tipico è l’HCl

(acido cloridrico), dove in gioco ci sono due atomi la cui differenza di

elettronegatività è molto più risentita (non maggiore di 1,9) e in

questo caso l’elettrone sarà portato a ruotare verso l’atomo più

elettronegativo, in questo caso il Cloro, generando due dipoli

momentanei: uno negativo verso l’atomo di Cloro e uno positivo verso

l’atomo di idrogeno.

Il legame ionico si definisce legame ionico la forza di attrazione

 elettrostatica che si stabilisce tra due ioni di carica opposta. Il legame ionico si

forma tra atomi o gruppi di atomi tra i quali sia avvenuto uno scambio di elettroni:

l'atomo o il gruppo atomico che cede elettroni si

trasforma in ione positivo (catione), l'atomo o il

gruppo atomico che acquista elettroni si

trasforma in ione negativo (anione). Il legame

ionico si instaura con facilità tra elementi aventi un'elevata differenza di

elettronegatività. (Se sei interessato ci sono altre info su Sapere.it)

Per quando riguarda il legame idrogeno si tratta di una forza di natura elettrostatica

 che avviene tra due molecole (o più). Il legame idrogeno implica un legame

covalente tra un atomo di idrogeno (H) e atomi più elettronegativi, precisamente

Fluoro (F), Azoto (N) e Ossigeno (O). L’interazione che si instaura tra questi atomi

internamente alla molecola è di tipo covalente polare (vista a differenza di

elettronegatività), ma si vede che tra le molecole vi è un’interazione reciproca che

permette di legare le une alle altre. Entriamo in un esempio specifico per intendersi

meglio. La molecola di acqua H2O. Singolarmente la molecola di acqua è unita

insieme da un legame covalente polare, il quale genererà due dipoli, uno positivo

sull’atomo di idrogeno e uno negativo su quello dell’ossigeno, i legami che si

verranno a instaurare con le altre molecole di acqua, saranno favoriti dall’attrazione

tra le diverse carica H+ con O- e viceversa.

Cellule procariote e cellule eucariote

La cellula è l’unità fondamentale della vita. Ne esistono di due tipi procariote e

eucariote. Le prime riguardano organismi unicellulari o archei, le seconde invece a

organismi pluricellulare e anche unicellulari. Ma andiamo a descriverle

separatamente. Ricordo che non ci addentreremo nel dettaglio specifico di ogni

organulo, dunque eventualmente è consigliato consultare un libro.

Le cellule procariote sono molto semplici, sono più piccole rispetto all’eucariote e

 strutturalmente più semplificate. Queste cellule presentano il materiale genetico

libero nel citoplasma, gli organelli di membrana non sono presenti ma troviamo i

ribosomi implicati nella sintesi delle proteine. Il fatto che la cellula eucariotica sia

così semplice risiede nel fatto che essa deve avere tempi di adattamento

all’ambiente esterno molto brevi, ad esempio un banale cambiamento di

temperatura, deve causare un’immediata mutazione a livello cellulare per

permetterne la sopravvivenza, cosa che nelle cellule eucariote richiederebbe tempi

molto più lunghi. In genere si replicano molto velocemente grazie alla scissione

binaria.

Le cellule eucariote sono invece più complesse. Innanzi tutto si possono

 suddividere in cellule eucariote vegetali e animali. Le prime presentano una parete

cellulare rigida che garantisce la filtrazione, sono poi presenti due strutture

aggiuntive che tra cui i vacuoli, vescicole all’interno delle quali si trovano le

sostanze tossiche o di rifiuto e i cloroplasti implicati nella sintesi clorofilliana

(6CO2+2H20C6H12O6+6 O2). Le cellule eucariote animali sono simili alle

vegetali l’unica differenza risiede nel fatto che le strutture sopracitate sono assenti,

dunque noi troviamo: una membrana plasmatica, costituita da fosfolipidi, il

citoplasma all’interno del quale troviamo: Apparato di Golgi, mitocondri, ribosomi,

citoscheletro, reticolo endoplasmatico, lisosomi e centrioli. Ovviamente il nucleo

presente sia nelle vegetali che animali contiene il DNA.

Mitosi

La mitosi è un processo di riproduzione cellulare

asessuata tra cellule, dove da una

cellula madre si passa a due cellule

figlie identiche.

Il ciclo cellulare si suddivide in tre fasi:

Interfase: G1 (intervallo pre-

 sintesi), S (sintesi del DNA), G2

(intervallo post-sintesi)

Mitosi

 Citodieresi: divisione

 cellulare.

La meiosi si divide in quattro fasi:

Profase: la cromatina si

 addensa, i centrioli si separano, i

cromosomi si ispessiscono, il

nucleo inizia a sparire.

Metafase: si forma il fuso mitotico e i cromosomi si allineano sulla piastra

 metafisica , scopare la membrana nucleare.

Anafase: separazione dei due cromatidi fratelli, i cromosomi migrano ai poli

 opposti.

Telofase: si forma la membrana nucleare attorno a ogni gruppo di cromosomi.

 Meiosi

La Meiosi è un processo di

replicazione attraverso il quale

da una cellula eucariotica con

corredo cromosomico diploide

(2n) si passa a 4 cellule aploidi

(n).

Abbiamo due divisione

meiotiche entrambe precedute

un’interfase, ma soltanto nella

prima si ha la replicazione del

DNA.

Nella prima divisone meiotica

(seguendo l’esempio qui di fianco),

abbiamo quattro cromosomi.

Caratteristica è la profase I,

perché in questa fase abbiamo il

processo chiamato crossing over,

che permette la ricombinazione genica attraverso lo scambio di parti di cromosoma

permesso dalla proteina RecA, la cui funzione è quella di attaccare porzioni

omologhe di materiale genetico, fra due cromatidi appartenenti a

due cromosomi diversi di una coppia di omologhi.

Poi abbiamo il susseguirsi delle altre rispettive fasi Metafase I, Anafase I (che non

vede la divisone dei cromatidi fratelli, ma i cromosomi, a coppie di due si separano

ai poli opposti), Telofase I, la quale darà come risultante due cellule con ancora

corredo cromosomico doppio rispetto al necessario. Per questo motivo sarà

necessario entrare in una seconda divisione meiotica, preceduta da una interfase,

ma questa volta senza replicazione del DNA, il cui processo sarà praticamente

uguale a quello visto della mitosi. Il risultato darà quattro cellule con corredo

dimezzato aploide.

Le leggi di Mendel

Tra i primi studi genetici troviamo quelli del monaco Mendel che in certo senso

diede le prime basi, per gli studi che lo seguirono.

Lui si concentrò sullo studio della pianta del pisello odoroso ( Lathyrus odoratus), in

quanto esisteva in più varianti (fiore giallo, fiore rosso, gambo lungo e corto, pisello rugoso,

liscio, verde e giallo), era ermafrodita e inoltre il bocciolo del fiore aveva una struttura quasi

protettiva il che permetteva una facile autoimpollinazione, senza contaminazioni esterne.

I primi studi si concentrarono sulle varianti del colore del fiore, rispettivamente

Rosso e Giallo. Prima di procedere all’incrocio tra i due caratteri si accertò di avere

due linee pure, ossia fece riprodurre per più generazioni piante con fiori rossi con

piante con fiori rossi, in modo da avere la garanzia di avere un gruppo con

unicamente quel carattere, allo stesso modo decise di procedere con le piante a

fiore giallo.

Decide poi di incrociare le due line pure, ossia fiori rossi con fiori gialli, come

risultante ottenne unicamente fiori di colore rosso, il che significava che in qualche

modo esistevano dei caratteri dominante (rossi) rispetto ad altri, che in incrocio

prevalevano sui recessivi (gialli). Dunque il fenotipo, ossia la caratteristica visibile

all’occhio, era quella rossa, ma il genoma era ibrido, ossia conteneva sia geni

contenenti caratteristiche rosse che geni contenenti caratteristiche gialle. Ecco la

tabella sulla prima generazione filiale (F1): R=rossi g=gialli

Rg=eterozigoti dominanti rossi

Legge della dominanza dei caratteri o della uniformità degli ibridi

Incrociando tra loro individui che differiscono per un solo carattere, si

ottengono alla prima generazione ibridi tutti uguali.

Decide a questo punto di fare un incrocio tra ibridi e quello che ottenne furono per

la maggior parte piante a fiore rosse e un piccolo gruppo di piante a fiore giallo (F2)

in rapporto 3:1.

RR=omozigote dominante rosso

Rg=eterozigote dominante rosso

gg=omozigote recessivo giallo

Legge della segregazione

Alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli ibridi

della prima, gli alleli che controllano un determinato carattere si

separano (segregano) e vengono trasmessi a gameti

diversi. Si ottengono 1/4 degli individui con il carattere recessivo e

3/4 con il carattere dominante. Di questi ultimi 2/3 sono eterozigoti, 1/3 è

omozigote.

A questo punto Mendel decise di fare un incrocio tra più caratteri e questa volta

si concentrò sul pisello stesso che poteva essere, giallo e liscio e verde e

rugoso.

Prima di tutto separò le due linee pure, dunque per più generazioni fece

incrociare piante a seme liscio e giallo e dall’altra parte piante a seme rugoso e

verde.

Dopo di che incrociò i due caratteri generando una F1, dal quale ricavò

unicamente piante a seme liscio e giallo:

GvLr: dominanza giallo e liscio

A questo punto decise di incrociare gli ibridi ottenuti (per quanto riguarda il genoma) e

ottenne un buon numero di semi gialli e lisci, solo un piccolo gruppo di semi verdi e rugosi,

ma significativo fu il fatto che alcuni caratteri si erano segregati andando a mescolarsi con

altri, infatti ottenne semi gialli e rugosi e semi verdi e lisci (F2). Secondo la tabella in

rapporto 9:3:3:1.

Legge dell'assortimento indipendente

Incrociando individui che differiscono tra loro per

due o più caratteri, ogni coppia di alleli per ciascun

carattere viene ereditata in maniera del tutto

indipendente dall'altra. Si hanno così tutte le

possibili combinazioni degli alleli di ciascuna

coppia e la comparsa di individui con caratteri

nuovi.

I primi studi sul DNA

Esperimento di Griffith del 1928

Lo studioso Griffith studiò l’effetto del batterio della polmonite Streptococcus

Pneumoniae, sui topi. Questo batterio esiste nella variante virulenta che causa la morte e

una variante non virulenta non pericolosa.

Ecco i passaggi:

 Sottopose un topo alla variante virulenta che ne causò il decesso

 Sottopose un topo alla variante non virulente e non ebbe conseguenze

 Causò la morte del batterio sottoponendolo a calore e poi sottopose il topo al

batterio morto, in questo caso il topo sopravvisse.

 In ultimo sottopose il topo sia al batterio NON virulento che al batterio

virulento morto in precedenza, la conseguenza fu la morte del topo.

Griffith arrivò alla conclusione che secondo un principio di trasformazione il DNA del

batterio virulento morto era stato trasferito al batterio non virulento, facendolo appunto

diventare virulento e pericoloso causando la morte del topo.

Esperimento di Avery

L'esperimento di Avery si basa sull'impianto sperimentale di quello compiuto da Griffith.

Avery si procurò una coltura di Streptococcus Pneumonie e ne lisò le cellule in modo tale

da ottenere l’estratto cellulare.

Il materiale genetico doveva presumibilmente essere uno dei diversi tipi

di macromolecole biologiche presenti nei batteri: (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici –

ovvero DNA e RNA– e lipidi). Avery e colleghi riuscirono a separare l'estratto cellulare

nelle varie componenti macromolecolari appena citate. Successivamente cercarono di

capire quali di queste sostanze erano effettivamente in grado di trasformare

batteri avirulenti in batteri virulenti. Le cavie sopravvivevano quando trattate con tutte le

biomolecole tranne gli acidi nucleici: il materiale genetico doveva essere quindi DNA e/o

RNA.

Il materiale genetico doveva presumibilmente essere uno dei diversi tipi

di macromolecole biologiche presenti nei batteri: (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici –

ovvero DNA e RNA– e lipidi). Avery e colleghi riuscirono a separare l'estratto cellulare

nelle varie componenti macromolecolari appena citate. Successivamente cercarono di

capire quali di queste sostanze erano effettivamente in grado di trasformare

batteri R avirulenti in batteri S virulenti. Le cavie sopravvivevano quando trattate con tutte

le biomolecole tranne gli acidi nucleici: il materiale genetico doveva essere quindi DNA e/o

RNA.

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 cr