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Riassunto esame biologia e genetica, prof. Mantecca, libro consigliato Invito alla biologia, Zanichelli

Appunti delle lezioni del corso di Biologia e Genetica integrati con lo studio del libro di testo e dispense del professore, dell'università degli Studi di Milano Bicocca - Unimib, facoltà di psicologia, Corso di laurea in scienze e tecniche psicologiche.

Esame di Biologia e genetica docente Prof. P. Mantecca

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ESTRATTO DOCUMENTO

• (gradiente di temperatura) → le reazioni chimiche possono liberare calore

Termica

• (radiazione elettromagnetica sotto forma di fotoni) → l’energia luminosa viene

Luminosa

captata dai pigmenti dell’occhio

• moto) → l’energia meccanica si sviluppa nei movimenti muscolari

Meccanica (energia del

Le leggi della termodinamica → l’energia non può essere creata ne distrutta

1. Prima legge della termodinamica → dopo una trasformazione energetica, parte

2. Seconda legge della termodinamica

non è più disponibile per compiere il lavoro

dell’energia

viventi sono complessi, donde la necessità di prelevare dall’ambiente esterno materia,

Gli organismi

per sintetizzare nuove molecole, ed energia, per compiere lavoro.

• L’energia e la materia non si creano e non si distruggono, possono solo essere trasformate

• Vi è un flusso di materia ed energia. Se questo flusso si arresta, si ha la morte (della cellula

o dell’organismo)

• I due processi di utilizzazione di materia ed energia sono correlati tra loro: gli organismi

viventi sono “macchine” che funzionano ad “energia chimica”

• Negli organismi viventi si verificano molte reazioni chimiche (metabolismo, enzimi)

La cellula necessita di energia chimica dall’ambiente sotto forma di nutrienti, che mediante reazioni

chimiche trasforma in energia utilizzabile per creare l’ordine (processi di biosintesi):

• → demolizione delle molecole nutrienti che produce energia sotto forma

Vie cataboliche

sia di calore che viene dissipato), sia di nuovi legami chimici in molecole che accumulano

energia utilizzabile dalla cellula (es. ATP)

• → sintetizzano macromolecole a partire delle unità strutturali

Vie anaboliche base quali

aminoacidi e nucleotidi, utilizzando energia prodotta dal catabolismo

Le reazioni chimiche liberano o assorbono energia:

• → perdita netta di energia libera (prodotti hanno meno energia dei

Reazione esoergonica

reagenti) la reazione procede spontaneamente

• → guadagno netto di energia libera (prodotti hanno più energia dei

Reazione endoergonica

reagenti) la reazione non procede spontaneamente

Il trasferimento di energia nelle reazioni redox

L’energia non è trasferita solo attraverso il gruppo fosfato dell’ATP, ma anche mediante il

trasferimento degli elettroni:

• →

Ossidazione processo chimico in cui

una sostanza perde elettroni

• →

Riduzione processo chimico con cui una

sostanza acquista elettroni

Una sostanza che si ossida, insieme ad elettroni

rilascia energia mentre una sostanza che si riduce,

riceve energia acquistando elettroni. Le reazioni

redox avvengono spesso in serie, ad esempio nella

respirazione cellulare. I trasportatori di elettroni

trasferiscono atomi di idrogeno. NAD+ è una delle

più comuni molecole accettrici di è- nei processi

cellulari.

Gli enzimi

Le reazioni da cui dipende la vita si svolgono

spontaneamente a velocità così ridotte che le

cellule non potrebbero sopravvivere se non

avessero il modo di accelerarle. I catalizzatori sono sostanze che aumentano la velocità di reazione;

la maggior parte dei catalizzatori biologici sono delle proteine chiamate enzimi.

La struttura molecolare determina la funzione enzimatica, il sito attivo è specifico per il substrato,

l’enzima cambia forma quando si lega al substrato. Le molecole di substrato si avvicinano tra loro

reagire più velocemente. Grazie al principio dell’adattamento

nei siti di legame e possono così

indotto, l’enzima si modifica quando il substrato si avvicina.

Alcuni enzimi richiedono altre molecole non proteiche per funzionare:

• →

Gruppi prostetici atomi o aggregati molecolari (non amminoacidici) legati in modo

permanente agli enzimi

• →

Cofattori inorganici ioni come Cu, Zn e Fe legati in modo permanente agli enzimi

• → piccole molecole organiche necessarie per l’azione di uno o più enzimi,

Coenzimi si

legano solo temporaneamente

La concentrazione del substrato influenza la velocità di reazione:

• del substrato la presenza dell’enzima fa aumentare di molto la

A basse concentrazioni

velocità della reazione

• Ad alte concentrazioni di substrato la velocità massima viene raggiunta quando tutte le

molecole di enzima sono legate a molecole di substrato

• In assenza di enzima, la velocità della reazione aumenta in misura costante ad aumentare

della concentrazione del substrato

Regolazione enzimatica delle proteine

• Concentrazione dell’enzima e del substrato

• Inibizione retroattiva (a feedback)

• Attivazione dell’enzima (il sito attivo assume una conformazione adatta al substrato per

azione di pH, ioni o aggiunta di gruppi P

• Inibizione per interazione con sito allosterico (regolatori allosterici)

Inibizione enzimatica

• Reversibile

➢ → l’inibitore compete con il normale substrato per il sito

Inibizione competitiva

attivo dell’enzima. Un inibitore competitivo occupa il sito attivo solo

temporaneamente

➢ → l’inibitore si lega con l’enzima in un sito diverso dal

Inibizione non competitiva

sito attivo, alterando la forma dell’enzima e di conseguenza inattivandolo

• → l’inibitore inattiva permanentemente o distrugge un enzima, combinandosi

Irreversibile

con un suo gruppo funzionale nel sito attivo o in un altro sito

L’estrazione dell’energia chimica

Il combustibile chimico più diffuso è il glucosio. Altri carboidrati, grassi e proteine possono fornire

energia all’organismo, ma devono prima essere convertiti in glucosio o in altri composti intermedi

del metabolismo del glucosio.

Come le cellule ottengono energia dal glucosio

dell’idrogeno all’ossigeno è

Il processo di redox che trasferisce elettroni complesso ed avviene

attraverso numerosi passaggi. L’energia libera degli elettroni è utilizzata per produrre ATP →

respirazione aerobica. In realtà la respirazione cellulare non è una singola reazione, ma una serie

di reazioni a catena che produce fino a 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio. Il

coenzima NAD+ è un trasportatore di elettroni fondamentale nelle reazioni redox.

La respirazione aerobica si può suddividere in 4 fasi:

• → serie di reazioni in cui il glucosio è degradato a piruvato;

Glicolisi guadagno netto di due

molecole di ATP; gli atomi di idrogeno sono trasferiti ai trasportatori di elettroni; può

avvenire in anaerobiosi

• Formazione dell’acetil coenzima A → il piruvato è degradato e combinato

(acetil-CoA)

con il coenzima A per formare acetil-CoA; gli atomi di idrogeno sono trasferiti ai

trasportatori; è rilasciata CO2

• Ciclo dell’acido → serie di reazioni in cui il radicale acetile dell’acetil-CoA

citrico è

degradato a CO2; è sintetizzato ATP

• → catena

Trasporto degli elettroni e chemiosmosi di parecchie molecole enzimatiche per

il trasporto degli elettroni; gli elettroni sono trasferiti tra i componenti della catena; l’energia

rilasciata è utilizzata per creare un gradiente protonico; l’ATP è sintetizzato grazie alla

dei protoni; l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni

diffusione secondo gradiente

che avvengono in compartimenti diversi della cellula.

La glicolisi (avviene nel citosol):

Una molecola di glucosio (a sei atomi di carbonio) è trasformata in due molecole di piruvato (a tre

atomi di carbonio ciascuna). Parte dell’energia del glucosio è utilizzata per la fondazione di due tipi

di trasportatori di energia, l’ATP e il NADH2. Il NADH è una molecola ridotta che trasferisce

energia mediante il trasferimento di elettroni come parti di atomi di idrogeno.

Formazione dell’acetil coenzima A (avviene nel mitocondrio):

Ciascuna molecola di piruvato, nel mitocondrio, si ossida per dare luogo ad una molecola di acetato

l’acetil coenzima A; in

(a due atomi di carbonio), che reagisce con il coenzima A per formare

questo passaggio sono prodotti NADH e, come scarto, anidride carbonica.

Ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs) (avviene nel mitocondrio):

Il gruppo acetato dell’acetil coenzima A reagisce con una molecola a quattro atomi di carbonio

(ossalacetato) per formare una molecola a sei atomi di carbonio (citrato). Attraverso il ciclo, il

citrato è riportato ad ossalacetato in una serie di reazioni che portano all’estrazione di energia per

formare ATP, alla formazione dei composti ridotti altamente energetici NADH e FADH2, e al

rilascio di molecole di anidride carbonica come prodotti di scarto.

Due guppi acetile entrano nel ciclo dell’acido citrico per ciascuna molecola di glucosio iniziale.

Ciascun gruppo acetile, molecola a due atomi di carbonio, si combina con l’ossalacetato, composto

a quattro atomi di carbonio, per formare il citrato, molecola a sei atomi di carbonio. Due molecole

di CO2 osno rimosse, l’energiaè catturata in forma di un ATP, tre NADH ed un FADH2 per ciascun

gruppo acetile, ovvero il doppio per ciascuna molecola di glucosio.

Catena di trasporto degli elettroni e chemiosmosi (avviene nel mitocondrio):

Gli elettroni estratti dal glucosio sono negli stadi precedenti sono trasferiti dal NADH al FADH2 ad

una catena di molecole accettrici di elettroni da un accettore al successivo, una porzione della loro

energia è utilizzata per pompare ioni idrogeno (protoni) attraverso la membrana mitocondriale

l’energia del

interna dando origine ad un gradiente protonico. Nel processo chiamato chemiosmosi

gradiente protonico è infine utilizzata per produrre ATP.

Fasi della respirazione cellulare aerobica:

glucosio → 2 molecole di piruvato → → 2 molecole di ATP + 2 molecole

fosforilazione di NADH

→ le molecole di piruvato rilasciano anidride carbonica → i due gruppi residui si uniscono al

2

coenzima A → formazione di due molecole di acetil CoA → le 2 molecole di acetil CoA

trasferiscono 2 atomi di idrogeno ciascuna a tre molecole di NAD+ e ad una di FAD + viene

prodotta 1 molecola di ATP → chemiosmosi che produce ATP

La riproduzione cellulare Ciclo cellulare, mitosi e meiosi

Eventi che devono susseguirsi perché una cellula si divida

• della cellula)

Presenza di un segnale riproduttivo (originato all’interno

• Replicazione del DNA (per fare in modo che le nuove cellule abbiano un corredo genetico

completo)

• Segregazione (distribuzione ordinata del DNA alle due cellule figlie)

• Citodieresi (separazione delle due cellule figlie)

I procarioti si dividono per scissione binaria:

comincia sull’origine di replicazione

1. La replicazione del DNA verso il centro della cellula

2. Il DNA del cromosoma si replica a mano a mano che la cellula cresce

3. I DNA si separano, in un processo guidato dalla regione ori. La cellula inizia a dividersi

4. La citodieresi è completa, si sono formate due nuove cellule

Gli eucarioti si dividono per mitosi o meiosi:

• → le cellule figlie sono identiche alla cellula genitrice, sia per la qualità sia per il

Mitosi

tipo di DNA. La mitosi è tipica delle cellule somatiche.

• → le cellule figlie non sono uguali ai progenitori; in quanto la quantità di materiale

Meiosi

genetico è dimezzata ed è diverso, produce quindi diversità genetica. La meiosi è tipica delle

cellule germinative implicate nella riproduzione sessuale.

Alcune cellule si dividono molto rapidamente e in continuazione, altre invece non si dividono

affatto.

Il ciclo cellulare

Il ciclo cellulare è il periodo tra una divisione cellulare e la successiva. Esso è suddiviso in

Quest’ultima ha tre sottofasi:

mitosi/citodieresi e interfase.

• → ogni cromosoma è una singola molecola di DNA (differenze di lunghezza in G1 sono

G1

responsabili della diversa lunghezza dei cicli cellulari). Le cellule che non si dividono

possono entrare in una fase di quiescenza detta G0.

• → avviene la replicazione del DNA. Ogni cromosoma

S viene duplicato e risulta ora

formato da 2 cromatidi fratelli

• → la cellula sintetizza le strutture necessarie per la mitosi

G2

La regolazione del ciclo cellulare

L’avanzamento del ciclo cellulare dipende dall’attività di proteine chinasi ciclina-dipendenti (Cdk).

La proteina Cdk è sempre presente, ma il suo sito attivo non è esposto. La proteina ciclina è

sintetizzata solo in un certo stadio del ciclo cellulare.

1. Il legame della ciclina modifica la Cdk, esponendo il suo sito attivo

Il substrato proteico e l’ATP si legano alla Cdk. Il substrato proteico viene fosforilato

2.

3. La proteina fosforilata regola il ciclo cellulare. Ogni Cdk ha uno specifico bersaglio proteico

Le successioni delle fasi del ciclo cellulare sono finemente regolate. I differenti complessi di

ciclina-Cdk funzionano come punti di controllo del ciclo cellulare (checkpoint); ci sono tre punti

di controllo in interfase e uno in mitosi (G1-Cdk; S-Cdk; G2-Cdk; M-Cdk).

Prima della mitosi il DNA viene impacchettato in cromosomi estremamente compatti. I cromosomi

sono i portatori dell’informazione genetica negli eucarioti. Essi sono composti da cromatina , che è

organizzata sotto forma di lunghi e sottili filamenti parzialmente srotolati. Al momento della

divisione cellulare la cromatina si condensa e i cromosomi diventano visibili.

I nucleosomi

Ciascun nucleosoma contiene un gruppo di otto molecole di istoni che forma un nucleo proteico

intorno al quale si avvolge il DNA a doppia elica. Il tratto di DNA che circonda gli istoni è lungo

146 coppie di basi; un altro segmento di DNA, della lunghezza di circa 60 coppie di basi, collega i

nucleosomi tra loro.

Durante l’interfase la cromatina che forma ogni cromosoma è meno impacchettata e consiste di una

singola molecola di DNA. In questa fase il DNA è accessibile alle proteine per la sua replicazione e

trascrizione. Durante la fase S, il DNA si duplica ed ogni cromosoma risulta così costituito da due

molecole di DNA (cromatidi fratelli). Quando si forma

il cromosoma mitotico, molto compatto, il DNA non è più

accessibile a fattori di replicazione e trascrizione.

La mitosi → la cellula svolge le sue normali

1. Interfase

funzioni vitali. I cromosomi si duplicano

→ le

2. Profase lunghe fibre di cromatina si

condensano in compatti cromosomi mitotici,

ciascuno costituito da due cromatidi uniti a livello

dei centromeri. Il citoscheletro si disassembla e si

forma il fuso mitotico tra i centrioli, che sono

L’involucro nucleare

migrati ai poli della cellula.

comincia a sparire

→ i microtubuli del fuso si

3. Prometafase

attaccano ai cinetocori dei cromosomi. I

cromosomi cominciano a spostarsi verso il piano equatoriale della cellula

→ i cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale

4. Metafase della cellula. I microtubuli

del fuso attaccano ciascun cromosoma ad entrambi i poli

→ i cromatidi fratelli si separano a livello dei loro centromeri. Un gruppo di

5. Anafase

cromosomi si muove verso ciascun polo della cellula. I poli del fuso si allontanano

→ i cromosomi sono raggruppati ai poli. Essi si decondensano e comincia a

6. Telofase

formarsi l’involucro nucleare. La citodieresi produce due cellule figlie

La divisione non regolata è alla base del cancro

In tessuti normali il tasso di divisione cellulare è compensato dal tasso di morte cellulare. Le cellule

HeLa continuano a crescere perché hanno uno sbilanciamento genetico che favorisce la

riproduzione cellulare rispetto alla morte. Henrietta fu infettata dal papilloma virus umano, che ha

favorito la divisione delle cellule della cervice uterina. Inoltre in queste cellule è over-espresso il

gene di un enzima chiamato telomerasi che mantiene il DNA intatto, prevenendo la morte cellulare.

Questa combinazione determina lo straordinario tasso di crescita delle cellule HeLa.

La meiosi (è una divisione cellulare che dimezza il numero di cromosomi)

Le cellule somatiche dell’uomo hanno 46 cromosomi, costituiti da 23 coppie di omologhi (uno di

origine paterna, l'altro materna); corredo cromosomico diploide (2n).

I cromosomi omologhi contengono l’informazione per gli stessi caratteri, ma l’informazione non è

necessariamente identica Per garantire il successo della riproduzione sessuata (fusione di gameti

maschile e femminile), ogni gamete deve avere un corredo cromosomico aploide (n), e ristabilire il

corredo 2n nello zigote.

Meiosi I: → cromosomi duplicati

1. Interfase I → i cromosomi omologhi si appaiano e si scambiano dei segmenti;

2. Profase I avviene

l’appaiamento dei cromosomi omologhi e la formazione delle tetradi

→ le tetradi si allineano

3. Metafase I

→ le coppie di cromosomi omologhi

4. Anafase I si dividono

Appaiamento dei cromosomi e crossing over

Durante la profase I, i cromosomi omologhi, costituiti ciascuno da una coppia di cromatidi fratelli,

si allineano a formare una tetrade. I cromatidi adiacenti di omologhi differenti vanno incontro a

processi di rottura e riunione. L’adesione fra i cromatidi fratelli porta alla formazione di un

chiasma. I cromatidi ricombinanti contengono materiale genetico proveniente da omologhi diversi.

Meiosi II:

Durante un’ulteriore ciclo di divisione, i cromatidi fratelli infine si separano e si producono quattro

cellule aploidi contenenti solo cromosomi singoli.

La meiosi è alla base della riproduzione sessuata

Questo tipo di riproduzione è molto dispendiosa (richiede la produzione di gameti, la ricerca del

partner, il nutrimento dell’embrione), ma premia decisamente la discendenza che, avendo caratteri

nuovi avrà maggior probabilità di adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente.

Ma da dove viene questa maggior variabilità dei caratteri?

Ormai la risposta dovrebbe essere semplice: “dalla meiosi”, ed in particolare:

• dall’assortimento indipendente dei cromosomi omologhi (è il caso che decide quale degli

in una cellula o nell’altra con la meiosi I)

omologhi finisca

• durante la profase I → questi processi sono naturalmente anche alla base

dal crossing over

della variabilità individuale nella nostra specie

Cenni su fecondazione e sviluppo embrionale

La fecondazione consiste di 4 fasi:

• Lo spermatozoo prende contatto con l’uovo

• Lo spermatozoo (o soltanto il nucleo) penetra all’interno dell’uovo

• L’uovo subisce un processo di attivazione → cambiamenti che danno inizio allo sviluppo

embrionale

• e spermatozoo si fondono → zigote (cellula totipotente)

I nuclei (pronuclei) di uovo

Le fasi dello sviluppo embrionale:

• → una serie di rapide mitosi senza periodi di crescita cellulare

Segmentazione

• → processo embrionale che consiste di movimenti e differenziamento

Gastrulazione

utili all’individuazione dei foglietti (tessuti) embrionali: ectoderma, endoderma,

cellulari

mesoderma

• → formazione dei vari tessuti e organi dai tre foglietti embrionali

Organogenesi

Il DNA: struttura e replicazione depositario dell’informazione genetica:

Caratteristiche richieste ad un composto

• Essere presente in tutte le cellule

• Avere una struttura che gli consenta di contenere una grande quantità di informazione

• Avere una struttura che gli consenta di essere duplicato con facilità

• Essere una molecola sufficientemente stabile

• Essere presente nelle cellule di un dato organismo in quantità costante, indipendentemente

dalle condizioni ambientali, dall’età, etc

• Se introdotto, in opportune condizioni, in una cellula deve essere in grado di modificarne le

caratteristiche genetiche

Le prove che i geni sono formati da DNA

Le prove definitive che il DNA era il materiale genetico venne da due gruppi di esperimenti fatti su

batteri e virus.

• Gli esperimenti di Griffith sullo Streptococcus pneumoniae (pneumococco), una delle cause

di polmonite

• Gli esperimenti di Avery e colleghi dimostrarono che la sostanza che trasformava i batteri

era il DNA

• Per confermare l’ipotesi che fosse il DNA il fattore trasformante, nonostante il DNA fosse

molto più semplice delle proteine, Alfred Hershey e Marta Chase del Cold Spring Harbor

Laboratory di New York utilizzarono esperimenti di infezione virale

Anche le cellule eucariotiche possono essere trasformate geneticamente dal DNA. La

trasformazione di una cellula eucariotica ad opera del DNA è chiamata transfezione. La

transfezione può essere dimostrata usando un marcatore genetico (un gene la cui presenza nella

cellula conferisce un fenotipo apprezzabile come ad esempio: resistenza agli antibiotici, marcatori

nutrizionali, fluorescenza). Qualsiasi cellula può essere transfettata, anche una cellula uovo. In

questo caso ne può risultare un intero nuovo organismo geneticamente trasformato, definito

transgenico.

La struttura del DNA

Agli inizi degli anni ’50 la cristallografa Rosalind Franklin dedusse la struttura fisica del DNA

mediante tecniche cristallografiche (diffrazione ai raggi X). Il biochimico Erwin Chargaff

determinò che in qualsiasi campione di DNA l’ammontare delle purine (A+G) è uguale a quello

delle pirimidine (C+T).

Watson e Crick usarono un modello molecolare per dedurre la struttura del DNA

• all’esterno e basi azotate

Il DNA è una doppia elica con scheletro di zuccheri e fosfati

all’interno

• Il DNA è un’elica destrorsa

• Il DNA è costituito da 2 filamenti antiparalleli

• L’elica del DNA ha un solco maggiore e uno minore dove sono esposti i bordi esterni delle

basi azotate

• Per soddisfare la regola di Chargaff, una pirimidina doveva sempre essere appaiata a una

purina (A-T e C-G)

La struttura a doppia elica è essenziale per le funzioni del DNA

• Il materiale genetico immagazzina l’informazione genetica, e il DNA con i suoi milioni di

nucleotidi è adatto a questo ruolo

• Il materiale genetico è suscettibile a mutazioni (cambiamenti permanenti) dell’informazione

codificata. Nel DNA le mutazioni possono essere semplici cambiamenti nella sequenza delle

paia di basi

• Il materiale genetico è replicato con precisione nel ciclo cellulare, e questo può essere

ottenuto grazie all’appaiamento specifico delle basi Il materiale genetico, e quindi

l’informazione contenuta nel DNA, è espressa come fenotipo. Infatti la sequenza

nucleotidica del DNA può essere copiata e tradotta in una sequenza di aminoacidi, e quindi

in una proteina

La duplicazione del DNA

Sono ipotizzabili tre diversi modi per la replicazione del DNA:

• La replicazione semiconservativa → produrrà molecole con DNA sia vecchio sia nuovo:

ogni molecola conterrà un filamento vecchio completo ed uno nuovo

• conservativa → manterrà intatta la molecola originaria e produrrà una

La replicazione

molecola interamente nuova

• La replicazione dispersiva → produrrà due molecole con DNA vecchio e nuovo

inframezzato lungo ogni filamento

Il DNA può essere sintetizzato in provetta, servono:

• Deossiribonucleosidi trifosfato (dNTP: dATP, dCTP, dGTP, dTTP)

• Molecole di DNA stampo (template)

• Un enzima, la DNA polimerasi

• Sali e tamponi a pH corretto

Le fasi della replicazione del DNA

1. La doppia elica viene aperta per separare i due filamenti stampo

2. I nuovi nucleotidi si appaiano man mano con il DNA stampo e vengono uniti

covalentemente mediante legami fosfodiesterici; si forma un polimero con sequenza di basi

complementare al filamento stampo

• La replicazione del DNA inizia a livello di siti specifici detti "origini di replicazione",

piccoli tratti della doppia elica si svolgono

• destabilizzano l’elica legandosi all'origine

Speciali enzimi chiamati DNA elicasi

• Si origina una forca di replicazione a livello della quale il DNA si replica

• Proteine SSB

(Single-Stranded-

DNA-Binding

Proteins) si legano

ai singoli filamenti

stabilizzandoli

• Speciali enzimi

chiamati

topoisomerasi

tagliano e risaldano

per evitare

superavvolgimento

• La sintesi del DNA

avviene sempre in

direzione 5’ → 3’

• L’inizio della sintesi di DNA ha bisogno di un innesco, l’RNA primer (sintetizzato da DNA

primasi)

1. La primasi si lega al filamento stampo e sintetizza un primer di RNA

2. Quando il primer è completato, la primasi si stacca e si lega al DNA polimerasi, che

inizia a sintetizzare nuovo DNA

3. Successivamente il primer verrà degradato e sostituito da DNA

• La sintesi di DNA avviene in modo continuo nel filamento guida (leading) e discontinuo

nel filamento in ritardo (lagging)

1. Il filamento guida (leading) è sintetizzato senza interruzione nella direzione della

forca di replicazione, mentre il filamento in ritardo (lagging) è sintetizzato in

opposta alla forca di replicazione. L’inizio della

direzione sintesi per entrambi i

filamenti richiede un primer di RNA poiché il DNA può essere allungato solo per

aggiunta di nucleotidi all’estremità 3’ di un filamento polinucleotidico esistente.

2. Il filamento in ritardo è sintetizzato come una serie di corti frammenti, chiamati

frammenti di Okazaki. La sintesi si ogni frammento di Okazaki sintetizzato è ora

quello più lontano dalla forca di replicazione

3. Dopo che ciascun frammento di Okazaki è stato allungato dalla DNA polimerasi,

l’RNA primer viene degradato, i vuoti vengono riempiti con un nuovo DNA e i

frammenti adiacenti vengono uniti dalla DNA ligasi.

Nella direzione opposta all’avanzamento della forca di replicazione possono essere aggiunti

solo corti frammenti di DNA (100-200 frammenti di Okazaki), altrimenti la DNA polimerasi

si allontanerebbe troppo dalla forca di replicazione.

La storia del filamento in ritardo

Periodicamente una DNA primasi innesca la sintesi di un nuovo RNA primer; la DNA

polimerasi sintetizza il FO e quando raggiunge il primer del frammento precedente, lo

sostituisce con DNA. Infine una DNA ligasi unisce i frammenti formando legami

fosfodiesterici.

Riparazione degli errori durante la replicazione

È importante per evitare la comparsa di mutazioni dannose; la DNA polimerasi è molto

efficiente (circa 1 errore/10^7 coppie di basi) ma la riparazione degli errori è comunque

necessaria.

A. Funzione di correzione di bozze (DNA proofreading)

1. Durante la replicazione del DNA, una base scorretta può essere addizionata

per errore alla catena in crescita

DNA polimerasi immediatamente rimuove la base corretta…

2. La

… la sostituisce con quella corretta prima di procedere con la replicazione

3.

B. Riparazione degli appaiamenti erronei (mismatch repair)

1. Durante la replicazione del DNA una base è stata inserita per errore ed è

sfuggita alla correzione di bozze

2. Il sistema per la riparazione degli appaiamenti erronei rimuove la base errata

e alcune basi vicine

3. La DNA polimerasi aggiunge le basi corrette

Nell’ultimo passaggio, la DNA ligasi ripara l’incisione rimasta nel DNA

4.

I telomeri non vengono replicati completamente

I telomeri sono costituiti da brevi sequenze di DNA non codificante ripetute molte volte

(negli spermatozoi e nelle uova, sequenza 5’-TTAGGG-3’ è ripetuta 1000 volte all’estremità

di ogni cromosoma).

Questo porta ad un progressivo accorciamento dei cromosomi. Dopo molte divisioni

cellulari si possono perdere geni vicino ai telomeri e la cellula muore.

Cellule staminali e alcune cellule tumorali contengono un enzima chiamato telomerasi che

catalizza l’aggiunta di una qualsiasi sequenza telomerica persa, attraverso la presenza di una

sequenza di DNA che funge da stampo.

Il dogma centrale della biologia

• L’informazione codificata nella sequenza delle basi del DNA viene trasferita nelle molecole

di RNA

• L’informazione contenuta nelle molecole di RNA passa nelle proteine. L’informazione

contenuta nelle proteine non viene mai trasferita negli acidi nucleici

Le proteine così sintetizzate sono le responsabili degli effetti fenotipici.

Dal DNA alle proteine: l’espressione genica

La terapia genica costituisce una frontiera per la medicina moderna. Grazie a questa tecnica in

futuro si potranno curare più efficacemente molte malattie. Per terapia genica si intende il

trasferimento di materiale genetico allo scopo di prevenire o curare una malattia. Nel caso di

malattie genetiche consiste essenzialmente nel trasferire la versione “funzionante” del gene in modo

da rimediare al difetto.

L’espressione è una serie di eventi con cui l’informazione contenuta nel DNA è

genica

decodificata e utilizzata per la sintesi delle proteine cellulari

• → sintesi di molecole di RNA complementari al DNA

Trascrizione

• → l’RNA è utilizzato come stampo per la sintesi delle

Traduzione proteine

Il DNA è trascritto in diversi tipi di RNA (mRNA, tRNA, rRNA) che assumono diversi ruoli nella

sintesi proteica.

Con la trascrizione viene sintetizzato un mRNA, copia complementare di un filamento stampo di

DNA. L’mRNA porta l’informazione sotto forma di gruppi di 3 basi detti codoni. I codoni sono

specifici per gli aminoacidi e vengono tradotti in una sequenza lineare di aminoacidi chiamata

catena polipeptidica. La traduzione richiede anche tRNA e ribosomi (rRNA). Nelle cellule

eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione nel citoplasma.

La traduzione dell’RNA porta alla sintesi di un polipeptide grazie al codice genetico

L’informazione trascritta nell’mRNA è utilizzata per specificare una sequenza di aminoacidi. Ogni

sequenza di 3 basi (che corrispondono a 3 nucleotidi) sul mRNA chiamato codone codifica per un

aminoacido (codice a triplette).

→ insieme di codoni

Codice genetico che specificano per tutti gli aminoacidi, i segnali di inizio e

di terminazione.

Il riconoscimento del codone è possibile grazie ai tRNA

Ciascun tRNA ha una sequenza specifica di 3 basi chiamati anticodoni complementare ai codoni.

Ciascun tRNA si lega ad un aminoacido specifico.

• La struttura tridimensionale di una molecola di tRNA è determinata dai legami ad idrogeno

che si formano fra le basi complementari

• Un’ansa contiene l’anticodone, che si appaia in modo specifico con il codone presente

sull’mRNA. L’aminoacido viene legato all’estremità 3’-OH del nucleotide terminale

Tra due basi azotate si formano legami idrogeno, in particolare tra adenina e timina se ne formano

se ne formano 3 →

2, mentre tra citosina e guanina regola di Chargaff.

I ribosomi intervengono nella traduzione:

• Accoppiando gli anticodoni dei tRNA e i codoni degli mRNA

• Unendo gli aminoacidi portati dai tRNA nell’ordine specificato dagli mRNA

Il codice genetico viene letto come sequenza di triplette partendo da un punto di inizio ben preciso ,

che determina la sequenza di lettura (reading frame) del messaggio genetico; il reading frame è la

sequenza di lettura del codice genetico e viene scandita dai codoni start (AUG) e stop (UAA; UAG;

UGA). → formazione di una sequenza specifica di RNA da una sequenza specifica di DNA

La trascrizione

Richiede:

• Uno dei due filamenti di DNA come stampo

• I 4 ribonucleosidi trifosfato (ATP, GTP, CTP, UTP)

• L’enzima RNA polimerasi

• Sali e tamponi appropriati per l’attività dell’enzima

RNA polimerasi

• Avanza lungo il DNA svolgendo l’elica del DNA quel tanto che basta per esporre una

regione del filamento stampo

• nucleotide in direzione 5’-3’ facendo legami fosfodiesterici e

Catalizza aggiunta di un

utilizzando energia di legame dei nucleosidi trifosfati

• Riconosce e si lega a una sequenza chiamato promotore e vi si lega per iniziare trascrizione

• A differenza della DNA polimerasi, non necessita di un primer

Negli eucarioti esistono 3 tipi di RNA polimerasi:

I. Trascrive gli rRNA

II. Trascrive geni codificanti proteine e snRNA

III. Trascrive i tRNA e alcuni snRNA

Il filamento di DNA trascritto e il filamento di RNA complementare sono antiparalleli → l’RNA è

sintetizzato in direzione 5’-3’, mentre il DNA è letto in direzione 3’-5’.

Promotore

Contiene informazioni che determinano quale dei due filamenti di DNA deve essere trascritto e il

sito da cui iniziare la trascrizione e la direzione da prendere. Esiste almeno un promotore per ogni

gene. L’RNA polimerasi ha elevata affinità per i promotori essa inoltre riconosce il promotore

anche se il DNA si trova nella conformazione a doppia elica.

La trascrizione si divide in tre fasi:

→ la RNA polimerasi si lega al promotore e incomincia a svolgere i due filamenti del

1. Inizio

DNA → la RNA polimerasi si sposta lungo

2. Allungamento il filamento stampo del DNA in

direzione 3’-5’, producendo il trascritto di RNA per addizione sequenziale dei nucleotidi

sull’estremo 3’ dell’RNA in crescita

→ quando la RNA plimerasi raggiunge il sito di terminazione, il trascritto di

3. Terminazione

RNA viene rilasciato dallo stampo

Le RNA polimerasi non sono in grado di correggere errori di trascrizione. Siccome vengono

prodotti molti RNA, che hanno vita breve, gli errori sono meno dannosi delle mutazioni.

Differenza tra gene batterico e gene eucariotico

• → nella cellulal batterica l’RNA messaggero è immediatamente

Cellula batterica

disponibile per la traduzione da parte del ribosoma. Nei batteri trascrizione e traduzione

sono accoppiate, la vita media degli mRNA è molto bassa (pochi minuti) e più ribosomi

possono attaccarsi al mRNA nella traduzione

• → nella cellula eucariotica è necessaria una fase di maturazione

Cellula eucariotica

all’interno del nucleo prima di procedere con la traduzione. Negli eucarioti l’mRNA

sintetizzato nel nucleo deve “maturare” ed essere trasportato nel citoplasma per la

traduzione.

I geni eucariotici sono interrotti da sequenze non codificanti

I trascritti vengono processati prima della traduzione (maturazione e modificazione post-

trascrizionale)

→ –

Il trascritto originale RNA precursore (o pre-mRNA)

→ Aggiunta in 5’ di un “cappuccio” di 7-metilguanosina (5’cap) non appena inizia la

trascrizione

→ in 3’ (poliadenilazione)

Aggiunta di coda di poli-A

→ → rimozione degli introni (sequenze non codificanti all’interno del gene) e

Splicing

unione degli esoni (sequenza codificanti)

→ L’mRNA maturo esce dal nucleo diretto al citosol

Il meccanismo dello splicing

Lo splicing avviene ad opera di complessi di ribonucleoproteine (snRNP), che formano una

grossa particella (spliceosoma). Riconoscono la sequenza consenso nel pre-mRNA al

confine Introne-Esone; tagliano e ricuciono.

Particelle di snRNP si legano a sequenze consenso vicino ai siti di splicing in 5’ e 3’

1.

2. Le interazioni tra le due snRNP e altre proteine danno origine allo spliceosoma

Fra l’esone al 5’ e l’introne si produce un taglio

3. Dopo il primo taglio all’estremo 5’, l’introne forma un’ansa chiusa, simile ad un

4. cappio (lariat).

Il gruppo 3’-OH all’estremità dell’esone tagliato reagisce col fosfato in 5’

5. libero

dell’altro esone

L’esone in 3’ viene tagliato e unito all’esone in 5’; l’mRNA maturo viene esportato

6. per essere tradotto dopo aver legato varie proteine, per cui si forma un complesso

RNA-proteine

L’introne escisso viene degradato nel nucleo

7.

Le cellule eucariotiche contengono vari tipi di RNA con un ruolo importante

nell’espressione genica:

• → specifica la sequenza aminoacidica di una proteina

RNA messaggero (mRNA)

• →

RNA transfer (tRNA) si lega ad uno specifico aminoacido e funge da adattatore

molecolare quando gli aminoacidi vengono incorporati nella catena polipeptidica in

crescita

• → ha un ruolo sia strutturale che catalitico (ribozima) nel

RNA ribosomale (rRNA)

ribosoma

• → è coinvolto nella rimozione degli introni e nella

Piccolo RNA nucleare (snRNA)

regolazione della trascrizione; fa parte delle particelle che compongono lo

spliceosoma

• → controlla l’espressione dei geni coinvolti nella crescita e

microRNA (miRNA)

nello sviluppo attraverso l’inibizione della traduzione di determinati mRNA

sequenza di nucleotidi che porta l’informazione necessaria per produrre uno

Un gene è una

specifico RNA o un polipeptide.

I virus

I virus sono la frontiera della vita. Essi sono agenti infettivi molto piccoli (20-300 nm) costituiti da

un core di acido nucleico e da un rivestimento proteico chiamato capside.

Un virus può contenere DNA o RNA (a singolo o doppio filamento), e non possiede le tipiche

strutture cellulari, infatti sono parassiti cellulari obbligati in quanto si servono delle cellule ospiti

per riprodursi.

forma del virus è determinata dall’organizzazione dei capsomeri (subunità proteiche dei capsidi).

La

In genere la forma è elicoidale o poliedrica, mentre i batteriofagi hanno una testa poliedrica e una

coda elicoidale.

Esistono due tipologie di riproduzione virale:

• → i virus

Ciclo litico infettano una cellula e prendono il controllo del suo apparato di

trascrizione e traduzione per moltiplicarsi. In un ciclo litico la cellula ospite muore. I virus

caratterizzati da un ciclo litico sono detti virulenti e causano malattie e spesso la morte della

cellula.

• → i fagi temperati integrano il loro acido nucleico

Ciclo lisogenico nel genoma della cellula

ospite senza distruggerla. Cellule batteriche contenenti alcuni virus temperati possono

manifestare nuove proprietà (conversione lisogenica).

I retrovirus sono virus s RNA che utilizzano uno speciale enzima, la transcrittasi inversa, per

convertire il proprio genoma da RNA a DNA durante il loro ciclo di replicazione.

Il codice genetico

Caratteristiche del codice genetico:

• Il codice genetico è universale, ma alcune specie presentano codoni che codificano per

aminoacidi diversi; inoltre il codice genetico mitocondriale è parzialmente diverso da quello

nucleare

• Il codice genetico è degenerato, ma non è ambiguo; a quasi tutti gli aminoacidi

corrispondono infatti più codoni

• Il codice genetico è lineare e non sovrapposto

Il codice genetico è formato da 64 triplette di cui 3 sono codoni di stop e 1 è il codone di start.

La sintesi proteica

Gli mRNA procariotici sono tradotti appena si staccano dal filamento stampo del DNA e la loro vita

è in genere di pochi minuti. Negli eucarioti l’mRNA viene modificato (maturazione), esce dal

nucleo e viene tradotto nel citoplasma. In entrambi i casi la traduzione è molto rapida.

Cosa serve per fare la sintesi proteica

• Un mRNA maturo

• Gli aminoacidi

• I tRNA → adattatori che traducono i codoni dell’mRNA nella sequenza polipeptidica

• I ribosomi

• Energia → sotto forma di ATP

• Fattori proteici per l’inizio, l’allungamento e il rilascio della catena polipeptidica

Gli RNA transfer (tRNA)

DNA contiene geni che, trascritti, danno origine a RNA transfer tRNA sono specifici per ciascun

aminoacido:

• un anticodone → sequenza di basi complementare al codone sull’mRNA

• essere riconosciuta da specifici aminoacil-tRNA sintetasi

• una regione di attacco per l’aminoacido specificato dal codone complementare

all’anticodone

• Essere riconosciuta dai ribosomi

Uno specifico aminoacido si lega a un tRNA grazie all’enzima aminoacil-tRNA sintetasi e

consumo di ATP.

I ribosomi

I ribosomi sono composti di proteine e RNA ribosomiale (rRNA). A differenza di mRNA e tRNA,

l’rRNA non trasferisce informazioni, ma ha funzioni catalitiche. Essi sono costituiti da subunità

minore e subunità maggiore e nel solco tra le due subunità passa l’mRNA. Hanno 3 siti di legame

(E, P, A).

• (exit)→ dove i tRNA che hanno ceduto gli aminoacidi escono

Sito E dal ribosoma

• (peptidilico) → occupato dal tRNA con attaccata una catena polipeptidica in crescita

Sito P

• (aminoacilico) → dove si lega l’aminoacil-tRNA che porta l’aminoacido successivo

Sito A

ad inserire nella catena il quale l’informazione dell’mRNA è usata per specifica una

La traduzione è il processo mediante

sequenza di aminoacidi. Così come la trascrizione, essa avviene in tre fasi:

• → formazione di un complesso di inizio, composto da tRNA carico, subunità minore

Inizio la subunità minore si lega al 5’-cap dell’mRNA e

del ribosoma ed mRNA. Negli eucarioti

scorre fino al codone d’inizio (AUG). Il tRNA con anticodone complementare (UAC) e

carico di metionina lega il codone e completa il complesso di inizio. La subunità maggiore si

lega e il tRNA-met si trova così nel sito P. Il sito A è allineato con il secondo codone.

• →

Allungamento

Riconoscimento del codone → l’anticodone di un tRNA in ingresso si lega al

1. rispettivo codone del sito A

Formazione del legame peptidico → i due aminoacidi vengono uniti dall’attività

2. peptidil-transferasica

Allungamento → il tRNA non più carico si sposta nel sito E per por essere rilasciato,

3. quando il ribosoma scorre in avanti di un codone; la catena polipeptidica in crescita

viene quindi a trovarsi nel sito P

4. Il processo si ripete

• →

Terminazione La trascrizione termina quando un codone di stop (UAA, UAG, UGA)

entra nel sito A. Questi codoni non corrispondono a nessun aminoacido e quindi non sono

riconosciuti da alcun tRNA, ma sono riconosciuti da un fattore di rilascio proteico che

idrolizza il legame tra tRNA nel sito P e l’ultimo aminoacido polipeptide. Il complesso

tRNA, mRNA, subunità ribosomiali si separa e i prodotti tornano disponibili per un nuovo

ciclo di traduzione.

La velocità della sintesi proteica può essere aumentata con la formazione di polisomi; le cellule che

sintetizzano grandi quantità di proteine contengono moltissimi polisomi e pochi ribosomi liberi.

Il destino delle proteine e le modifiche post-trasduzionali

Quando un polipeptide emerge dal ribosoma (nel citosol) può acquisire la sua forma definitiva e

svolgere subito il suo ruolo. Un polipeptide può anche contenere una sequenza segnale che lo dirige

verso i diversi comparti cellulari. superficie dell’organulo,

La sequenza segnale lega uno specifico recettore proteico sulla creando un

della proteina.

poro che consente l’ingresso

La regolazione dell’espressione genica

L’espressione genica inizia a livello del promotore, dove si lega l’RNA polimerasi. In un genoma

con molti geni, non tutti i promotori sono attivi, questo fenomeno è chiamato trascrizione genica

selettiva. Presenza di proteine regolatrici che legano il promotore per regolare il gene:

• → impediscono la trascrizione

Repressori

(regolazione negativa)

• → stimolano la trascrizione

Attivatori

(regolazione positiva)

Per il corretto sviluppo di un organismo pluricellulare

e perché ogni cellula acquisisca e mantenga la propria

specificità funzionale certe proteine devono essere

prodotte al tempo giusto e nel posto corretto.

I meccanismi di regolazione negli eucarioti simili a

quelli di procarioti, basati su interazioni DNA-

proteine e controlli negativi e positivi. Esistono

tuttavia molte differenze principalmente imputabili

alla presenza del nucleo.


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5 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecniche psicologiche
SSD:
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Thanthius di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biologia e genetica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano Bicocca - Unimib o del prof Mantecca Paride.

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