DNA q Struttura q Duplicazione q Sintesi delle

DNA q Struttura q Duplicazione q Sintesi delle proteine 1

DNA sulla scena del crimine Per individuare i responsabili di crimini spesso viene utilizzata una tecnica detta fingerprinting genetico: il DNA ritrovato sulla scena del crimine (estratto da capelli, pelle, sangue, …) viene analizzato e confrontato con il DNA dei sospettati per identificare il colpevole. L’analisi avviene su particolari sequenze del DNA che risultano molto diverse da persona, fornendo alla polizia prove molto affidabili. Due individui non legati da parentela hanno il 99, 9% della sequenza del DNA identica!

Test di paternità I biotecnologi hanno scoperto che gli enzimi di restrizione tagliano il genoma umano dando luogo a frammenti di lunghezza diversa a seconda dell’individuo. I frammenti del DNA, dotati di una polarità elettrica negativa, quando vengono sottoposti ad un campo elettrico, si spostano o «migrano» verso il polo positivo (elettroforesi). La migrazione dei frammenti in un dato campo elettrico è caratteristica di ciascun individuo e tale disposizione rappresenta l’impronta genetica di ogni singola persona. 3

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Gli organismi possono essere geneticamente modificati (OGM) Grazie alle tecnologie del DNA ricombinante, i batteri possono essere geneticamente modificati (GM) per vari impieghi. Prodotti biotecnologici ricavati dai batteri GM vengono impiegati nel campo della medicina, nell’ambito delle tecnologie per il miglioramento agrario, nel contesto dei servizi per potenziare le naturali capacità di degradare particolari sostanze e in molti altri ambiti. 5

Il caso del "Golden Rice" La pro-vitamina A, che il metabolismo umano trasforma in vitamina A, è presente naturalmente in molti alimenti come le carote, il fegato, le uova e il burro, che risultano tuttavia inaccessibili a molti milioni di famiglie che si nutrono quasi esclusivamente di riso. Allo scopo di introdurre vitamina A nella dieta di queste popolazioni, è stata creata una pianta di riso ricca in β-carotene. Secondo l'OMS oltre 100 milioni di bambini poveri nel mondo hanno una dieta carente di vitamina A e, per questa ragione, migliaia di bambini diventerebbero ciechi ogni anno. Al fine di evitare patologie oculari, sarebbe sufficiente che queste popolazioni assumessero un 6 quantitativo maggiore di vitamina.

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un polinucleotide, cioè un polimero di nucleotidi, ognuno formato da tre parti: • uno zucchero C 5 detto desossiribosio • un gruppo fosfato • una base azotata

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi Esistono quattro diversi tipi di basi azotate. L’adenina (A) e la guanina (G) sono caratterizzate da un doppio anello e sono chiamate purine. La timina (T) e la citosina (C) sono caratterizzate da un anello singolo e sono chiamate pirimidine

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi L’RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA per il tipo di zucchero C 5 che contiene, il ribosio, e perché al posto della base azotata timina contiene un’altra pirimidina, l’uracile (U)

Il DNA ha i requisiti adatti per funzionare come materiale genetico • Il DNA è variabile tra le diverse specie • Il DNA è in grado di custodire le informazioni che fanno una specie diversa dall’altra • Il DNA è costante all’interno di una stessa specie • Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare • Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo

Qual è la struttura 3 D del DNA? 11

Watson, Crick e il Nobel "scippato" a Rosalind Franklin Wilkins e Franklin, al King’s College di Londra (UK) Crick, Watson, Bragg, al Cavendish di Cambridge (UK) Linus Pauling, al Cal. Tech di Pasadena (USA, CA) 12

Nel 1948, Pauling aveva elaborato un'ipotesi di struttura delle proteine secondo la quale gli amminoacidi che costituiscono un polipeptide, sono "arrotolati" in una struttura ad elica che egli chiamò "alfa-elica ": L'α-elica si forma quando una catena polipeptidica si ripiega su se stessa con formazione di legami idrogeno tra un legame peptidico e il quarto successivo, in particolare tra il gruppo chetonico C=O dell'uno e il gruppo N-H dell'altro, e il legame è tra O e H. 13

Linus Pauling cercò (e riuscì) a dimostrare che alcune malattie ereditarie sono causate dall'errata sintesi di alcune proteine. L'anemia falciforme può essere ricondotte a una variazione, rispetto alla norma, della struttura proteica della molecola di emoglobina. Primo esempio di spiegazione molecolare di una malattia 14

Il modello a tripla elica di Pauling Ha inizio la gara a chi arriva primo a Incredibilmente lo scienziato che ha formulare la struttura tridimensionale scritto un libro sulla natura del legame chimico non ha considerato che le forze del DNA! repulsive generate dalle cariche negative dei gruppi fosfati avrebbero collassare la struttura! fatto 16

Maurice Wilkins e Rosalind Franklin a Londra Le macchie meridiane: moduli che si ripetono lungo l’asse mentre le macchie equatoriali: moduli che si ripetono perpendicolarmente all’asse 17 "Foto 51"

il 25 aprile 1953 su Nature vengono pubblicati 3 lavori

“Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids” di Maurice Wilkins, Alex Stokes e Herbert Wilson 19

“Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate” di Rosalind Franklin e Raymond Gosling 20

Nel 1962 il premio Nobel andò al trio Crick, Watson e Wilkins, tutti uomini, che nei libri sono ricordati come gli scopritori. Ma il lavoro con i raggi X che confermò la struttura a elica venne eseguito da Rosalind Franklin. La ricercatrice morì nel 1958, prima dell’assegnazione del Nobel. Una delle regole del premio è che non può essere assegnato postumo, ma solo a persone viventi. Resta il fatto però che Franklin non venne nemmeno citata nella 21 motivazione del premio agli altri tre.

La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica L’appaiamento complementare delle basi azotate suggerisce che il DNA è una molecola a doppio filamento, simile a una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dallo scheletro zuccherofosfato, e i pioli dalle basi accoppiate unite da legami idrogeno

La struttura del DNA La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica di nucleotidi in cui la base A è sempre in coppia con la base T, e la base C con la base G.

Il DNA è una molecola adatta alla duplicazione La duplicazione del DNA (o replicazione) è semi-conservativa, dato che ogni filamento funge da stampo per la formazione del filamento complementare, cosicché ogni nuova molecola di DNA ha un filamento «conservato» dall’originale e uno neoformato.

Il DNA è una molecola adatta alla duplicazione La duplicazione del DNA si può suddividere in tre stadi: 1. srotolamento e apertura dei filamenti; 2. appaiamento delle basi complementari; 3. unione dei due nuovi filamenti. Gli stadi 2 e 3 sono assistiti da un complesso enzimatico chiamato DNA polimerasi.

Dopo l’innesco, la DNA polimerasi aggiunge nucleotidi all’estremità 3’ del DNA La DNA polimerasi può unire nucleotidi solo all’estremità 3’ del filamento in formazione. Essa non è in grado di iniziare dal nulla la sintesi di una nuova catena di nucleotidi, ma ha bisogno di un frammento di partenza chiamato primer a cui possa aggiungere nucleotidi.

Il secondo filamento di DNA si duplica in direzione opposta alla forcella Il filamento guida (leading strand) viene duplicato a partire dal primer verso la forcella di duplicazione, mentre l’altro filamento deve essere copiato nella direzione opposta. Quindi, mano che il DNA originale si srotola, la duplicazione viene avviata molte volte e procede per piccoli segmenti: il filamento sintetizzato viene detto filamento in ritardo (lagging strand).

Dal DNA alle proteine: traduzione del messaggio genetico 28

Il codice genetico è il sistema per cui le informazioni genetiche “scritte” sui geni del DNA arrivano a operare la sintesi di tutte le proteine necessarie alla vita degli organismi.

Il codice genetico dispone di 4 “lettere” (le 4 diverse basi azotate) per “agganciare” i 20 amminoacidi. Se ogni nucleotide fosse in grado di individuare e scegliere un solo aminoacido, come sarebbe possibile individuare gli altri sedici?

Il codice genetico Occorre quindi che siano gruppi di 3 nucleotidi (triplette) a identificare e individuare tutti i 20 aminoacidi presenti. In questo modo si hanno 64 combinazioni di triplette di nucleotidi diverse (43 = 64).

Il codice genetico è ridondante, poiché uno stesso amminoacido è codificato da più di una tripletta. Le triplette che codificano lo stesso amminoacido sono molto simili e generalmente differiscono solo per l'ultima delle tre basi.

Il codice genetico non è ambiguo ciascuna tripletta codifica per uno e un solo aminoacido

Il codice genetico è universalmente valido ogni tripletta codifica per un determinato aminoacido in tutti gli esseri viventi

La costruzione di una proteina prevede due fasi: la trascrizione e la traduzione 1. Durante la trascrizione il DNA viene usato come stampo per la formazione dell’RNA messaggero (m. RNA) 2. Durante la traduzione, un RNA trascritto dirige la sequenza degli amminoacidi di un polipeptide che deve essere costruito

Nella trascrizione ogni gene trasferisce l’informazione all’RNA messaggero (m. RNA) Un segmento di doppia elica di DNA si srotola e si apre al centro, cosicché i nucleotidi di RNA si possano appaiare, mano che il filamento di DNA viene trascritto. I nucleotidi si uniscono uno alla volta grazie al lavoro dell’RNA polimerasi.

Prima di lasciare il nucleo l’m. RNA viene elaborato I geni degli eucarioti sono costituiti da sequenze nucleotidiche codificanti chiamate esoni, intercalate a regioni non codificanti dette introni. Sia gli esoni sia gli introni vengono trascritti, e l’RNA messaggero che si forma viene detto trascritto primario.

A C C Nella traduzione, ogni RNA di trasporto (t. RNA) veicola un amminoacido I t. RNA trasferiscono gli amminoacidi che si trovano nel citoplasma ai ribosomi, dove l’m. RNA viene trasformato nella sequenza di amminoacidi che corrisponde a una proteina. Gli anticodoni del t. RNA si accoppiano con i codoni complementari dell’m. RNA.

La traduzione ha luogo presso i ribosomi presenti nel citoplasma I ribosomi hanno un sito di legame per l’m. RNA e tre siti di legame per il t. RNA. Quando un ribosoma si sposta lungo una molecola di m. RNA, il polipeptide in formazione si allunga di un amminoacido alla volta. Spesso molti ribosomi sono associati e in fase di traduzione dello stesso m. RNA. L’intero complesso di traduzione è detto poliribosoma.

La a 1 fase della traduzione dell’m. RNA in polipeptidi è detta «inizio» L’inizio è la fase che mette insieme tutti i componenti necessari alla traduzione. Il codone di inizio è AUG. Ogni ribosoma ha 3 siti di attacco per i t. RNA: sito E (da exit), sito P (da peptide) e sito A (da amminoacido).

La a 2 fase della traduzione è l’allungamento Durante l’allungamento, un t. RNA che porta un peptide si trova sul sito P e un t. RNA associato al proprio amminoacido sta arrivando al sito A. Una volta che il t. RNA successivo si aggancia al sito A, il peptide in via di formazione sarà trasferito a questo t. RNA. Poi, avviene la traslocazione: l’m. RNA si sposta in avanti, in modo che il t. RNA che porta agganciato il peptide si trovi ora al sito P del ribosoma. Infine, il t. RNA usato fuoriesce dal sito E.

La 3 a fase della traduzione è la terminazione Il processo di allungamento e traslocazione si ripete più volte, con il t. RNA usato che fuoriesce dal sito E, mentre sul sito A si aggancia un nuovo codone, pronto a ricevere un altro t. RNA. Quando il ribosoma raggiunge un codone di terminazione, la traduzione si conclude con la fase di terminazione, in cui il polipeptide viene rilasciato. La trascrizione e la traduzione rendono possibile l’espressione genica.

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