Capitolo 10

1. Capitolo 10 0 La biologia molecolare del gene

2. Testa DNA Coda Fibre della coda 300 000 La struttura del materiale genetico 10.1 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 10.1A

3. 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 10.1B L’esperimento di Hershey e Chase:

4. 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 10.1C

5. 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 10.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi. Figura 10.2A

6. 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 10.2B

7. 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. Figure 10.2C, D

8. 10.3 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. Figure 10.3A, B

9. 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 10.3C

10. 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 10.3D

11. 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 10.4 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 10.4A

12. 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 10.4B

13. Punto di origine della duplicazione Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla di duplicazione Due molecole figlie di DNA 10.5 I particolari della duplicazione del DNA La duplicazione del DNA inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica. Figura 10.5A

14. Estremità 5 Estremità 3 P HO 5 4 2 3 A T 3 1 1 4 2 5 P P C G P P G C P P A T OH P Estremità 3 Estremità 5 Ogni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto all’altro. Figura 10.5B

15. Molecola di DNA-polimerasi 3 5 Filamento sintetizzato senza interruzioni DNA originario 5 3 Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi 3 5 5 3 DNA-ligasi Direzione complessiva della duplicazione • La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando l’enzima DNA-polimerasi. • L’altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento dall’enzima DNA-ligasi. Figura 10.5C

16. Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA all’RNA e alle proteine 10.6 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).

17. 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 10.6A

18. 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 10.6B

19. 10.7 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.

20. 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 10.7 Amminoacido Trascrizione e traduzione dei codoni

21. 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 10.8 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 10.8A

22. 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 10.8B Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA:

23. 10.9 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 10.9A RNA appena sintetizzato

24. 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).

25. RNA-polimerasi DNA del gene DNA della sequenza promotore DNA della sequenza di terminazione Area mostrata nella figura 10.9A RNA in crescita RNA completato RNA-polimerasi Figura 10.9B Trascrizione di un gene: 1Inizio 2Allungamento 3Terminazione

26. 10.10 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.

27. 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 10.10

28. La traduzione dell’mRNA 10.11 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.

29. 0 Sito d’attacco dell’aminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Anticodone Figura 10.11A 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).

30. 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. Figure 10.11B, C

31. Molecole di tRNA Polipeptide in via di formazione Subunità grande mRNA Subunità piccola Figura 10.12A 10.12 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).

32. 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. Figure 10.12B, C

33. Inizio del messaggio genetico Fine 10.13 Un codone d’inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall’mRNA Figura 10.13A

34. 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 10.13B

35. 10.14 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.

36. 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 10.14

37. 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.

38. 10.15 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.

39. Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: 1 2 3 4 5 Figura 10.15

40. 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 10.16A 10.16 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.

41. 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 10.16B

42. La genetica dei virus e dei batteri 10.17 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.

43. 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.

44. 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.

45. 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 10.17

46. Involucro esterno RNA Rivestimento proteico Figura 10.18A Estroflessione glicoproteica 10.18 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,del raffreddore, del morbillo, della parotite, della poliomelite e l’HIV hanno come materiale genetico l’RNA al posto del DNA.

47. 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 INFLUENZALE Glicoproteina • usano parte della membrana della cellula ospite come rivestimento protettivo; • possono rimanere latenti nel corpo dell’ospite per lunghi periodi. • Il virus dell’Herpes è un provirus che può attivarsi in seguito a stress 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 10.18B

48. RNA Proteine COLLEGAMENTI 10.19 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 10.19

49. COLLEGAMENTI 10.20 L’umanità deve affrontare la comparsa di nuovi virus Colorizzata TEM 370 000 Colorizzata TEM 50 000 Figura 10.20° - Ebola Figura 10.20B - Hantavirus

50. Involucro esterno Glicoproteina Rivestimento proteico RNA (due filamenti identici) Trascrittasi inversa Figura 10.21A 10.21 Il virus dell’AIDS assembla il DNA utilizzando l’RNA come stampo Il virus dell’AIDS (HIV) è un retrovirus.