La biologia molecolare del
gene
La struttura del materiale genetico
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.
Testa
Coda Fibre della coda
DNA 30 0 0 0 0
Polinucleotide del DNA A C T G T Scheletro zucchero-fosfato Gruppo fosfato Base azotata Zucchero A C T G T Gruppo fosfato O O– O O P CH2 H3C C C C C N C N H H O O C O O H C H H H C H Base azotata (A, G, C, o T) Timina (T) Zucchero (deossiribosio) Nucleotide del DNA
Nucleotide del DNA
DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi
Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di
Il DNA ha quattro tipi di basi azotate:
adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G)
C C C C C C O N C H H O N H H3C H H H H N N N H O C H H N H C N N N N C C C C H H N N H C C N C H N C N H C O H H Timina (T) Citosina (C) Adenina (A) Guanina (G)
Purine Pirimidine
Base azotata (A, G, C, o U) Gruppo fosfato O O– O O P CH2 H C C C C N C N H H O O C O O H C H H OH C H Uracile (U) Zucchero (ribosio) Legenda Idrogeno Carbonio Azoto Ossigeno Fosforo
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.
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.
• 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.
• 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 G C T A A T G G C C A T G C T A T A A T A T G C A T O O OH –O P O O –OP O O O P – O – O OP O O O OH H2C H2C H2C H2C O O O O O O O O P O– O– O– O– OH HO O O O P P P O O O O O O O O T A G C C G A T CH2 CH2 CH2 CH2 Legame idrogeno Coppie di basi appaiate
La duplicazione del DNA
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. A T C G G C A T T A A T C G G C A T T A A T C G G C A T T A A T C G G C A T A T C G A CT A Molecola originaria del DNA.
Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo.
Due nuove molecole di DNA identiche. Nucleotidi
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.
G C A T G C A T C G A G A C G C G C G T A G C T A T A A T T A C G C G CG T A G C T A T A A T T A T C T
I particolari della duplicazione del DNA
La duplicazione del DNA inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica.
Punto di origine della duplicazione
Due molecole figlie di DNA
Filamento originario
Filamento di nuova sintesi
Ogni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto all’altro. P P P P P P P P HO OH A C G T T C G A 2 1 3 4 5 1 5 4 3 2 Estremità 5 Estremità 3 Estremità 3 Estremità 5
• 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. 3 5 3 5 3 5 53 Filamento sintetizzato senza interruzioni Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi DNA originario DNA-ligasi Molecola di DNA-polimerasi
Il trasferimento delle informazioni genetiche
dal DNA all’RNA e alle proteine
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).
Le informazioni genetiche sono prima trasferite dal DNA
a una molecola di RNA (trascrizione) e poi dall’RNA a
una proteina (traduzione).
DNA
Trascrizione
RNA
Proteina
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.
Filamento di DNA Trascrizione Traduzione Polipeptide RNA Amminoacido Codone A A A C C G G C A A A A U U U G G C C G U U U U Gene 1 Gene 2 Gene 3 Molecola di DNA Figura 10.7 Trascrizione e traduzione dei codoni
Il codice genetico
Quasi tutti gli organismi (dai
batteri alle piante agli animali)
condividono lo stesso codice genetico.
UUC UGUUGC
Met o inizio Phe Leu Leu Ile Val Ala Thr Pro Ser Asn Lys His Gln Asp Glu Ser Arg Arg Gly Cys Tyr G A C U U C A G T e rz a b a s e a zo ta ta
Seconda base azotata
P ri m a b a s e a zo ta ta UUA UUU CUC CUU CUG CUA AUC AUU AUG AUA GUC GUU GUG GUA UCC UCU UCG UCA CCC CCU CCG CCA ACC ACU ACC ACA GCC GCU GCG GCA UAC UAU UAG Stop UAA Stop CAC CAU CAG CAA AAC AAU AAG AAA GAC GAU GAG GAA UGG Trp CGC CGU CGG CGA AGC AGU AGG AGA GGC GGU GGG GGA U C A G U C A G U C A G U C A G UUG UGA Stop
Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA: T A C T T C A A A A T C A T G A A G T T T T A G A U G A A G U U U U A G Trascrizione Traduzione mRNA DNA
Met Lys Phe Polipeptide Codone di inizio Codone di arresto Filamento da trascrivere
La trascrizione produce messaggi genetici sotto
forma di RNA
Una rappresentazione dettagliata della trascrizione:
RNA-polimerasi
Nucleotidi dell’RNA
Direzione
della trascrizione Filamento stampo di DNA RNA appena sintetizzato
TC A T C C A A T T G G C C A A T T G G A T G U C A U C C A A U Figura 10.9A
La trascrizione
• 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).
Trascrizione di un gene: 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 1 Inizio 2 Allungamento 3 Terminazione
La trascrizione
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.
Gli introni vengono rimossi e alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda.
Esone Introne Esone Introne Esone DNA
Cappuccio Trascrizione
Aggiunta del cappuccio e della coda RNA
trascritto
con cappuccio e coda
Gli introni
vengono rimossi Coda
Gli esoni si legano tra loro mRNA
Sequenza codificante Nucleo
Citoplasma
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.
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).
Sito d’attacco dell’aminoacido
Legame idrogeno
Catena polinucleotidica di RNA
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.
Sito d’attacco dell’amminoacido
Anticodone
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)
Molecole di tRNA
mRNA Subunità piccola Polipeptide
in via di formazione Subunità
grande
Durante la traduzione, le subunità di un ribosoma
tengono unite tra di loro le molecole di tRNA e di mRNA.
Subunità grande
Subunità piccola
Sito di legame per l’mRNA
Polipeptide in via di formazione Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide mRNA tRNA Codoni
La traduzione
Un codone d’inizio indica il punto di partenza del
messaggio portato dall’mRNA
Inizio del messaggio genetico
Fine
La traduzione
Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: 1 5 4 3 2
