Capitolo 6

1. Capitolo 6 0 La biologia molecolare del gene

2. Testa DNA Coda Fibre della coda 300 000 La struttura del materiale genetico • 6.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il materiale genetico è formato da DNA • Nel 1952 gli esperimenti dei biologi Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che alcuni virus sono in grado di riprogrammare le cellule ospiti per produrre nuovi virus, iniettando il proprio DNA dentro le cellule. Figura 6.1A

3. Il confine della vita • Cellula batterio virus (fago) • organismo vivente molecola che induce cambiamenti

4. Proteina radioattiva Involucri proteici vuoti Batterio Radioattività nel liquido Fago DNA del fago DNA Ceppo 1Proteina radioattiva Si centrifuga Precipitato Si mescolano i fagi marcati radioattivamente con i batteri. I fagi infettano le cellule batteriche. Si misura la radioattività nel precipitato e nel liquido. Si utilizza un frullatore per separare i fagi esterni ai batteri dalle cellule batteriche e dal loro contenuto. Si centrifuga la miscela. 1 2 3 4 DNA radioattivo Ceppo 2DNA radioattivo Si centrifuga Radioattività nel precipitato Precipitato Figura 6.1B • L’esperimento di Hershey e Chase:

5. Il DNA induce la cellula ospite a produrre altro DNA fagico e proteine. Si riproducono nuovi fagi. Il fago inietta il DNA. Il fago si attacca alla cellula batterica. La cellula si rompe (lisi) e libera nuovi fagi. • Il ciclo riproduttivo di un fago: Figura 6.1C

6. Scheletro zucchero-fosfato Gruppo fosfato Base azotata A A Zucchero Base azotata(A, G, C, o T) Gruppo fosfato C C Nucleotide del DNA O H3C H C C N O C C T T CH2 O O P H N O Timina (T) O– O C C H H G G H H C C H O Zucchero (deossiribosio) T T Nucleotide del DNA Polinucleotide del DNA • 6.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi • Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi. Figura 6.2A

7. H H H H O N N O C H C H H3C C C H N N N C C N C N N C H H C C C C C C C C C C H O H N N N O H N N H N N H H H H H Adenina (A) Guanina (G) Timina (T) Citosina (C) Purine Pirimidine • Il DNA ha quattro tipi di basi azotate: • adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G) Figura 6.2B

8. Base azotata (A, G, C, o U) Legenda Idrogeno O Gruppo fosfato Carbonio C H Azoto H N C O Ossigeno C C Fosforo H CH2 O O P O N Uracile (U) O– O C C H H H H C C OH O Zucchero(ribosio) • Anche l’RNA è un acido nucleico ma è composto da uno zucchero leggermente differente (il ribosio) e una base azotata chiamata uracile (U) al posto della timina (T). Figura 6.2C, D

9. 6.3 DNA ha la forma di un’elica a doppio filamento • Nel 1953 James Watson e Francis Crick determinarono la struttura tridimensionale del DNA, basandosi anche sul lavoro di Rosalind Franklin. Figura 6.3A, B

10. Torsione • La struttura del DNA consiste di due filamenti di polinucleotidi attorcigliati l’uno sull’altro in una doppia elica. • Si può immaginare questa struttura come una scala di corda dotata di rigidi pioli in legno e arrotolata in spire. Figura 6.3C

11. G C O T A OH Legame idrogeno P –O O A T OH Coppie di basi appaiate O H2C A T O CH2 O O C G P O O– –O C G O P O H2C O O C T G A O CH2 C G O O P O O– – O O P O H2C O O G C A T O CH2 O O A T P O – O O– O P A T O O H2C O A T A T CH2 O OH O O– P G C HO O T A Struttura chimica Modello a nastro Modello computerizzato • I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i filamenti. • Ogni base è appaiata con una base complementare: A con T, e G con C Figura 6.3D

12. T A T T A A T A T A G C G G G C C C G C C C G G G C G C C A A T A T A A T T A T T T A A A T Nucleotidi Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DNA identiche. Molecola originaria del DNA. La duplicazione del DNA • 6.4 La duplicazione del DNA dipende dall’accoppiamento di specifiche basi azotate • La duplicazione del DNA comincia con i due filamenti del DNA di partenza che si separano. • Ogni filamento funziona da stampo per formare un filamento complementare. I nucleotidi si allineano lungo il filamento stampo. • Gli enzimi legano tra loro i nucleotidi per formare un nuovo filamento. Figura 6.4A

13. G C T A G C G C A T T A C G A T C G G C C G G C C C G G A C A T A T T G A T T G T T A A A A A C T T T A • La duplicazione del DNA è un processo complesso. Parte della complessità nasce dal fatto che, quando si duplica, la molecola elicoidale di DNA deve srotolarsi. Figura 6.4B

14. Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA all’RNA e alle proteine • 6.6 Il genotipo presente a livello di DNA si esprime nelle proteine, che determinano il fenotipo • Il genotipo di un organismo è l’informazione ereditaria contenuta nel suo DNA (nella sequenza delle sue basi). • Le proteine sono sintetizzate sulla base di informazioni contenute in sequenze di DNA dette geni. • Un particolare gene, una sequenza lineare di molti nucleotidi, codifica un polipeptide (fornisce cioè le istruzioni per la sintesi proteica).

15. DNA Trascrizione RNA Traduzione Proteina • Le informazioni genetiche sono prima trasferite dal DNA a una molecola di RNA (trascrizione) e poi dall’RNA a una proteina (traduzione). Figura 6.6A

16. Il maggior contributo nel determinare la relazione tra geni ed enzimi venne fornita negli anni Quaranta dalle ricerche condotte su alcuni ceppi della muffa del pane definiti «mutanti nutrizionali». Figura 6.6B dai un’occhiata al sito qui sotto http://50annidna.scienze.unipd.it/DFTB/16/animation/index.html

17. 6.7 L’informazione genetica viene scritta sotto forma di codoni e tradotta in sequenze di amminoacidi • Le «parole» del linguaggio chimico del DNA sono triplette di basi chiamate codoni. • I codoni di un gene contengono le informazioni per la sequenza di amminoacidi di una catena polipeptidica.

18. Molecola di DNA Gene 1 Gene 2 Gene 3 Filamento di DNA A A A C A C G G A A C A Trascrizione U U U G U G C C U U G U RNA Codone Traduzione Polipeptide Figura 6.7 Amminoacido trascrizione traduzione dei codoni

19. Seconda base azotata U C A G U UUU UAU UCU UGU UGC Cys Phe Tyr UUC UAC C UCC Ser U UCA UAA Stop UGA Stop A UUA Leu UCG UAG Stop UUG UGG Trp G U CAU CGU CUU CCU His CAC CGC C CUC CCC C Pro Arg Leu CGA CUA CCA A CAA Gln CGG CUG CCG CAG Terza base azotata G Prima base azotata U ACU AUU AAU AGU Ser Asn Ile ACC AGC AUC AAC C A Thr AUA ACA AGA AAA A Lys Arg ACC Met o inizio AGG AAG AUG G U GAU GCU GUU GGU Asp GAC GCC C GUC GGC Gly Ala G Val GAA GCA GUA GGA A Glu GAG GCG GUG GGG G • 6.8 Il codice genetico è «la stele di Rosetta» della vita Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico. Figura 6.8A

20. Filamento da trascrivere T A C T T C A A A A T C DNA A T G A A G T T T T A G Trascrizione G U U U A G A U A A G U mRNA Codone di inizio Codone di arresto Traduzione Met Polipeptide Lys Phe Figura 6.8B • Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA:

21. 6.9 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA • Una rappresentazione dettagliata della trascrizione: Nucleotidi dell’RNA RNA-polimerasi A C C A T T A U T C T G U G A C A U C C A C C A G A T T T A G G Direzione della trascrizione Filamento stampo di DNA Figura 6.9A RNA appena sintetizzato

22. Nelle cellule eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo. • I due filamenti di DNA si separano, nel punto in cui ha inizio la trascrizione, e uno dei due funziona da stampo. • I nucleotidi che costituiscono la nuova molecola di RNA prendono posto una alla volta lungo il filamento stampo del DNA, seguendo la stessa regola dell’appaiamento delle basi della duplicazione del DNA (tranne per il fatto che A si appaia con U invece che con T).

23. RNA-polimerasi DNA del gene DNA della sequenza promotore DNA della sequenza di terminazione Area mostrata nella figura 6.9A RNA in crescita RNA completato RNA-polimerasi Figura 6.9B • Trascrizione di un gene: 1Inizio 2Allungamento 3Terminazione

24. 6.10 L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo • Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi è detto RNA messaggero (mRNA). • Le regioni di geni non codificanti, chiamate introni (cioè «sequenze che interrompono»), vengono rimosse. • Gli esoni (le regioni codificanti) si uniscono per produrre una singola molecola codificante di mRNA. Questo processo è chiamato splicing.

25. ../-.././-. • IDENTROLPICDENTROCIONEVIAGDENTROGIATDENTROORE • ILPICCIONEVIAGGIATORE

26. Esone Introne Esone Introne Esone DNA Trascrizione Aggiunta del cappuccio e della coda Cappuccio RNA trascritto con cappuccio e coda Gli introni vengono rimossi Coda Gli esoni si legano tra loro mRNA Sequenza codificante Nucleo Citoplasma Gli introni vengono rimossi e alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda. Figura 6.10

27. La traduzione dell’mRNA • 6.11 Le molecole di RNA di trasporto fungono da interpreti durante la traduzione • La traduzione dell’mRNA in proteine avviene nel citoplasma in corrispondenza dei ribosomi. • I ribosomi sono gli organuli che coordinano le operazioni necessarie per passare dalle sequenze nucleotidiche alle catene polipeptidiche.

28. 0 Sito d’attacco dell’aminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Anticodone Figura 6.11A • Per la traduzione del messaggio genetico dell’mRNA nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RNA, chiamato RNA di trasporto (tRNA).

29. Sito d’attacco dell’amminoacido Anticodone • Ogni molecola di tRNA ha un’ansa a filamento singolo, posta a un’estremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dell’mRNA). • All’altra estremità c’è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido. Figura 6.11B, C

30. Molecole di tRNA Polipeptide in via di formazione Subunità grande mRNA Subunità piccola Figura 6.12A • 6.12 I ribosomi costruiscono i polipeptidi • Un ribosoma è costituito da due subunità, ciascuna formata da proteine e da grandi quantità di un tipo di RNA chiamato RNA ribosomiale (rRNA).

31. Sito di legame per l’mRNA Subunità grande Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide Polipeptide in via di formazione tRNA mRNA Subunità piccola Codoni • Durante la traduzione, le subunità di un ribosoma tengono unite tra di loro le molecole di tRNA e di mRNA. Figura 6.12B, C

32. Inizio del messaggio genetico Fine • 6.13 Un codone d’inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall’mRNA Figura 6.13A

33. Subunità ribosomiale più grande Met Met tRNA di partenza Sito P Sito A U C U A C A A U G AUG Codone d’inizio Subunità ribosomiale più piccola mRNA • Nel processo d’inizio della traduzione, vengono coinvolti l’mRNA, il primo amminoacido attaccato al suo tRNA e le due subunità ribosomiali. 1 2 Figura 6.13B

34. 6.14 Nella fase di allungamento si aggiungono amminoacidi alla catena polipeptidica fino a quando il codone di arresto termina la traduzione • Completata la fase d’inizio, al primo amminoacido se ne aggiungono altri, uno alla volta, durante il processo di allungamento. • Il processo di allungamento prevede tre tappe: • riconoscimento del codone; • formazione del legame peptidico; • traslocazione.

35. Amminoacido Polipeptide Sito P Sito A Anticodone mRNA Codoni Riconoscimento del codone 1 1 Movimento dell’mRNA Codone di arresto Formazione del legame peptidico 2 Nuovo legame peptidico 2 Traslocazione 3 Traslocazione 3 Il processo di allungamento: Figura 6.14

36. L’mRNA sposta un codone alla volta e il tRNA si appaia ad ogni codone con il suo anticodone complementare, aggiungendo il suo amminoacido alla catena peptidica. • L’allungamento continua fino a quando un codone d’arresto (UAA, UAG, UGA) giunge nel sito A del ribosoma, terminando la traduzione.

37. 6.15 Il passaggio di informazioni genetiche nella cellula segue la direzione DNARNAproteina La sequenza dei codoni nel DNA «scrive lettera per lettera» la struttura primaria di un polipeptide.

38. Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: 1 2 3 4 5 Figura 6.15

39. DNA di emoglobina normale DNA di emoglobina mutante C A T T T C mRNA mRNA G A A G U A Emoglobina normale Emoglobina dell’anemia falciforme Glu Val Figura 6.16A • 6.16 Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni • Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DNA rispetto alla sua conformazione originale è detta mutazione. • Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni.

40. Gene normale U G C U U C A G A A U G A G G mRNA Met Lys Gly Proteina Phe Ala Sostituzione di una base azotata A A G A U G C A U G A G U U C Lys Met Phe Ser Ala Mancante Delezione di una base azotata U G G C G A C A U A U G A G U U Lys Ala His Met Leu • La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo. Figura 6.16B

41. La genetica dei virus e dei batteri • 6.17 Il DNA virale può diventare parte del cromosoma ospite • I virus possono essere considerati come geni impacchettati in proteine. • I virus possono riprodursi solo all’interno di una cellula, utilizzandone le strutture e l’energia.

42. Nel ciclo litico, quando il DNA fagico entra in un batterio, è duplicato, trascritto e tradotto. • Il nuovo DNA virale e le nuove proteine sintetizzate vengono poi usate per assemblare nuovi fagi che si liberano dalla cellula ospite quando questa si rompe.

43. Nel ciclo lisogeno la duplicazione del DNA virale avviene senza la produzione di nuovi fagi e senza la morte della cellula ospite. • Il DNA fagico si integra in quello della cellula ospite (profago) e viene trasferito alle cellule figlie con la riproduzione della cellula ospite che duplica il DNA profagico insieme al proprio. • I profagi possono rimanere nelle cellule batteriche per sempre ma, in particolari condizioni ambientali, un profago può staccarsi dal suo cromosoma ospite e iniziare un ciclo litico.

44. In un fago esistono due tipi di cicli riproduttivi: Il fago si attacca alla cellula 1 1 Cromosoma batterico DNA del fago La cellula si rompe liberando i fagi Il fago inietta DNA 7 2 Numerose divisioni cellulari 4 Ciclo litico Ciclo lisogeno Si assemblano i fagi Il batterio lisogeno si riproduce normalmente, duplicando il profago a ogni divisione cellulare Il DNA fagico assume un aspetto circolare Profago 3 5 6 OPPURE Il DNA fagico si inserisce nel cromosoma batterico per ricombinazione Vengono sintetizzati nuovo DNA fagico e nuove proteine Figura 6.17

45. Involucro esterno RNA Rivestimento proteico Figura 6.18A Estroflessione glicoproteica • 6.18 Molti virus sono causa di malattie negli animali • Molti virus che infettano gli animali e le piante causano malattie. • Molti, come il virus dell’influenza, hanno come materiale genetico l’RNA al posto del DNA.

46. 1 2 3 4 5 Ingresso Eliminazione del rivestimento Sintesi di RNA 6 Sintesi di RNA Sintesi di proteine Assemblaggio Uscita Uscita 7 7 • Alcuni virus che infettano le cellule animali VIRUS Glicoproteina • usano parte della membrana della cellula ospite come rivestimento protettivo; • possono rimanere latenti nel corpo dell’ospite per lunghi periodi. Rivestimento proteico RNA virale (genoma) Involucro esterno Membrana plasmatica della cellula ospite Viral RNA(genome) mRNA Filamento stampo Nuovo genoma virale Nuove proteine virali Figura 6.18B

47. RNA Proteine COLLEGAMENTI • 6.19 Le malattie virali delle piante La maggior parte delle virosi che infettano le cellule vegetali: • è costituita da virus a RNA; • entra nei propri ospiti attraverso delle ferite nei loro rivestimenti esterni. Figura 6.19

48. COLLEGAMENTI • 6.20 L’umanità deve affrontare la comparsa di nuovi virus Colorizzata TEM 370 000 Colorizzata TEM 50 000 Figura 6.20A Figura 6.20B

49. Involucro esterno Glicoproteina Rivestimento proteico RNA (due filamenti identici) Trascrittasi inversa Figura 6.21A • 6.21 Il virus dell’AIDS assembla il DNA utilizzando l’RNA come stampo • Il virus dell’AIDS (HIV) è un retrovirus.

50. All’interno di una cellula, l’HIV usa il proprio RNA come stampo per produrre DNA da inserire nel DNA cromosomico dell’ospite. CITOPLASMA RNA virale 1 NUCLEO DNA cromosomico Filamento di DNA 2 DNA a doppio filamento 3 DNA del provirus 4 5 RNA virale e proteine RNA 6 Figura 6.21B