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H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, A. Massarini Il nuovo Invito alla biologia. blu 2
Capitolo B 2 Struttura e funzione del DNA 3 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Lezione 1 Il ruolo del DNA 4 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La scoperta della nucleina Il materiale ereditario fu isolato per la prima volta nel 1869 dal medico tedesco Friedrich Miescher e fu chiamato nucleina. In seguito la nucleina fu rinominata acido nucleico e poi acido desossiribonucleico (DNA). Negli anni Venti del Novecento gli scienziati non sapevano se il materiale ereditario fosse costituito da proteine o da DNA. 5 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Griffith e il fattore di trasformazione /1 L’esperimento del medico inglese Frederick Griffith nel 1928: 6 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Griffith e il fattore di trasformazione /2 I risultati di Griffith indicavano che nei batteri S uccisi doveva esistere una sostanza che, incorporata dalle cellule R vive, produceva un cambiamento ereditario. Questa sostanza fu chiamata fattore di trasformazione. 7 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Gli esperimenti di Avery Gli esperimenti di Oswald Avery (1944) indicarono che il materiale genetico è costituito dal DNA e non dalle proteine. 8 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Gli esperimenti di Hershey e Chase Negli anni Cinquanta, Alfred Hershey e Martha Chase confermarono in modo definitivo che il materiale genetico è costituito dal DNA e non dalle proteine. 9 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Lezione 2 La struttura molecolare del DNA 10 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La molecola del DNA Il DNA è un polimero di nucleotidi. Ciascun nucleotide è formato da: • una molecola di desossiribosio (zucchero pentoso); • un gruppo fosfato; • una base azotata (purina o pirimidina). 11 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Le regole di Chargaff Lo studio del 1950 del chimico austriaco Erwin Chargaff. In tutti i DNA cellulari: • la quantità di adenina è uguale alla quantità di timina (A = T); • la quantità di guanina è uguale alla quantità di citosina (G = C); • la quantità totale delle purine (A + G) è uguale a quella delle pirimidine (T + C). 12 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La struttura elicoidale del DNA Gli studi di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins con i raggi X rivelarono che la molecola di DNA ha la forma di un’elica destrogira (avvolta da sinistra verso destra), con il diametro costante di 2 nm. 13 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Il modello di Watson e Crick Nel 1953 James Watson e Francis Crick proposero un modello tridimensionale del DNA, con struttura a doppia elica. 14 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La struttura del DNA /1 Il DNA è composto da una doppia elica costituita da due catene di polinucleotidi, complementari e antiparallele. I nucleotidi sono tenuti insieme da un legame covalente (legame fosfodiesterico). I due filamenti sono tenuti insieme da legami a idrogeno tra basi azotate (A si lega con T; G si lega con C). Nell’elica si osserva un solco maggiore e un solco minore. 15 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La struttura del DNA /2 16 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Lezione 3 La replicazione del DNA 17 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La replicazione semiconservativa Il DNA si replica in modo semiconservativo: ogni filamento della molecola parentale funziona da stampo per un nuovo filamento. Le due nuove molecole di DNA contengono un filamento “vecchio” e uno neosintetizzato. 18 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Le due fasi della replicazione La replicazione del DNA si svolge in due fasi: 1. enzimi specifici rompono i legami a idrogeno tra le coppie di basi appaiate e i due filamenti di DNA si allontanano; 2. avviene la sintesi dei nuovi filamenti grandi all’enzima DNA polimerasi, che aggiunge nucleotidi all’estremità 3’. 19 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Il complesso di replicazione /1 Il complesso di replicazione è un complesso proteico che si lega al DNA in corrispondenza dell’origine di replicazione (ori). La replicazione è bidirezionale: il DNA si replica in due direzioni opposte. A partire dall’origine di replicazione, si formano bolle di replicazione. Alle estremità delle bolle si formano strutture a Y chiamate forcelle di replicazione. 20 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Il complesso di replicazione /2 21 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Gli enzimi del complesso di replicazione La DNA elicasi, la DNA topoisomerasi e le single strand binding proteins sono gli enzimi coinvolti nelle prime fasi della replicazione. 22 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La DNA polimerasi allunga la catena polinucleotidica aggiungendo un nucleotide alla volta all’estremità 3’, a partire da un primer. La direzione di allungamento è 5’ → 3’. 23 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La replicazione sui due filamenti La replicazione è continua sul filamento veloce, mentre sul filamento lento è discontinua e avviene con la formazione di frammenti di Okazaki. 24 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Sistemi di controllo della replicazione Esistono diversi sistemi di controllo durante la replicazione: • selezione delle basi – la DNA polimerasi lega tra loro due nucleotidi solo se questi sono già appaiati correttamente ai loro nucleotidi complementari sul filamento stampo; • correzione di bozze – se è stato inserito un nucleotide non corretto, la DNA polimerasi lo rimuove e incorpora al suo posto quello giusto. 25 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Le mutazioni sono cambiamenti permanenti nella sequenza di basi del DNA, che possono essere trasmessi da una generazione cellulare all’altra. Possono essere: • spontanee (causate da errori nel processo di replicazione); • indotte (dovute ad agenti mutageni fisici o chimici). I raggi X creano legami tra timine adiacenti, generando dimeri di timina. Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017 26
I meccanismi di riparazione 1. Il sistema di mismatch repair trova gli appaiamenti scorretti sfuggiti alla correzione di bozze e sostituisce il nucleotide sbagliato. 2. Il sistema di riparazione per escissione rimuove le basi anomale dovute a un agente chimico o ai raggi UV e le sostituisce con basi funzionali. La riparazione per escissione Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017 27
La PCR La reazione a catena della polimerasi (PCR) è una tecnica che permette di produrre in poche ore milioni di copie di una sequenza di DNA. 28 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Lezione 4 La struttura dei genomi 29 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Il genoma dei procarioti Una cellula procariotica possiede un cromosoma circolare costituito da una sola molecola di DNA a doppio filamento. Molti batteri hanno anche plasmidi, molecole circolari di DNA (da poche decine a qualche centinaio di geni). 30 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
Il genoma degli eucarioti: • è più grande di quello dei procarioti; • è suddiviso in numerosi cromosomi lineari; • presenta molte sequenze ripetute con funzioni regolatrici. Le sequenze ripetute possono essere: • ripetizioni brevi in tandem (STR, costituiscono DNA microsatellite); • sequenze moderatamente ripetute (tra cui i trasposoni); • sequenze altamente ripetute. 31 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
La spiralizzazione del DNA La cromatina è costituita da fibre formate da proteine, DNA e RNA. Gli istoni sono proteine con il compito di condensare il DNA. La spiralizzazione del DNA si ottiene in con ripiegamento ordinato che avviene a più livelli. 32 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
I nucleosomi Primo livello di spiralizzazione: avvolgimento del DNA attorno agli istoni. Si formano così i nucleosomi, le unità organizzative di base della cromatina. 33 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
I telomeri /1 I telomeri sono sequenze ripetute che si trovano alle estremità dei cromosomi. A ogni duplicazione i telomeri si accorciano perché il DNA del filamento stampo non replicato all’estremità 3’ viene rimosso. Nelle cellule staminali le telomerasi usano un RNA stampo per estendere il telomero ed evitare l’accorciamento del cromosoma. 34 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
I telomeri /2 35 Curtis et al. , Il nuovo Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2017
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