Le basi chimiche
dell’ereditarietà
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
1 Il codice della vita  Il DNA, o acido desossiribonucleico, è cos7tuito da lunghe catene di nucleo7di;  ogni nucleo7de è composto da uno zucchero (deossiribosio), un gruppo fosfato, una base azotata purinica o pirimidinica. Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
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Il codice della vita  Purine: adenina (A) e gunina (G);  pirimidine: citosina (C) e 7mina (T). Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
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Il genoma eucariotico si trova nel nucleo
Le cellule eucariotiche devono compattare fino a 2 metri di DNA in un nucleo
di circa 10 µm di diametro
NU = nucleo
NO = nucleolo
NE = nuclear envelope
HC = heterocromatin
RER = reticolo endoplasmatico
ruvido
ZY = granuli di zimogeno
Micrografia elettronica di cellula acinare pancreatica
Compattamento del DNA nella cromatina
Micrografia SEM
dei cromosomi
sessuali umani
Fibra da 200 nm
Domini ad ansa
Micrografia ottica
di cromosomi
umani
Fibra da 10 nm
“Collana di perle”
I procarioti non hanno un nucleo, ma devono comunque adattare
all’interno della membrana cellulare il loro DNA, che è lungo 1000
volte la lunghezza della cellula.
Il DNA cromosomico dei procarioti
è organizzato in una struttura
ovoidale condensata chiamata
nucleoide.
Molte proteine (proteine
similistoniche o “associate al
nucleoide”) sono coinvolte nel
compattamento del DNA.
Micrografia al microscopio elettronico
a trasmissione a falsi colori di una
cellula batterica lisata (E. coli).
I genomi degli organelli sono simili ai genomi batterici.
Il DNA dei cloroplasti (cpDNA)
circolare (o lineare?) 120-160 kb,
20-40 copie per organello, è privo di
proteine associate caratteristiche del
DNA eucariotico.
Il DNA mitocondriale (mtDNA) è
di solito una molecola di DNA
circolare a doppio filamento che non
è compattata da istoni.
I virus a DNA dei mammiferi infettano cellule di mammifero e
utilizzano il macchinario della cellula ospite per la replicazione.
Alcuni virus compattano il loro genoma nel capside virale utilizzando
proteine basiche da essi stessi codificate, altri sfruttano il macchinario
della cellula ospite.
Particelle virali
DNA
minicromosoma
compattato
minicromosoma
esteso (istoni)
Esempio: SV40 (simian virus 40) utilizza H2A, H2B, H3 e H4 (ma non
H1) per organizzare il proprio DNA circolare a doppio filamento chiuso
covalentemente in un minicromosoma.
L’informazione codificata nel
DNA è convertita nelle sequenze
amminoacidiche delle proteine
in un processo a più fasi
1.  I fattori di trascrizione legano
le regioni regolatrici dei geni
che contollano, e li attivano.
2.  In seguito all’assemblaggio di
un complesso di inizio
multiproteico, legato al DNA,
l’RNA polimerasi inizia la
trascrizione di un gene attivato.
L’RNA polimerasi si muove
lungo il DNA legando i
nucleotidi in un trascritto premRNA a singolo filamento (ss)
usando uno dei due filamenti di
DNA come stampo (template).
Durante la trascrizione di un gene codificante una proteina, da parte di una RNA
polimerasi, il codice del DNA a 4 basi, che specifica la sequenza amminoacidica della
proteina è copiato in un RNA messaggero precursore (pre-mRNA) mediante la
polimerizzazione dei monomeri ribonucleosidi trifosfato (rNTPs).
3.Il pre-mRNA trascritto è
processato per rimuovere
le sequenze non codificanti.
La rimozione di sequenze non codificanti (introni) e le altre modifiche del pre-mRNA,
note come processamento dell’RNA (RNA processing), producono un mRNA
funzionale (maturo), che viene trasportato nel citoplasma.
3.Il pre-mRNA trascritto è
processato per rimuovere
le sequenze non codificanti.
4. In una cellula eucariotica
l’RNA messaggero maturo
(mRNA) è esportato nel
citoplasma, dove viene
legato dai ribosomi che ne
leggono la sequenza e
sintetizzano una proteina
(traduzione) legando gli
amminoacidi in una catena
lineare
Durante la traduzione, il codice a 4 basi dell’mRNA è decodificato nel “linguaggio” a 20
amminoacidi delle proteine. I ribosomi, le macchine macromolecolari che traducono il
codice dell’mRNA code, sono composti di due subunità asseblate nel nucleolo a partire
da RNA ribosomali (rRNAs) e numerose proteine ribosomali. Una volte trasportate nel
citoplasma, le subunità ribosomali legano un mRNA ed effettuano la sintesi proteica con
l’aiuto dei transfer RNAs (tRNAs) e di vari fattori di traduzione.
Durante la replicazione del DNA che avviene solo nelle cellule che si preparano a
dividersi, i monomeri desossiribonucleosidi trifosfati (dNTPs) sono polimerizzati a dare
due copie identiche di ciascuna molecola di DNA cromosomale. Ogni cellula figlia riceve
una delle copie identiche.
Codice genetico e
sintesi delle proteine
16 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
I geni e le proteine La comprensione di ciò che un gene può esprimere si ampliò nel tempo: 17 Cur7s et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La struPura dell’RNA L’RNA è formato da nucleo7di cos7tui7 da uno zucchero (ribosio), una base azotata e un gruppo fosfato. Le basi azotate sono:  guanina;  adenina;  citosina;  uracile. 18 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La struPura dell’RNA Le differenze rispePo al DNA: 19 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La struPura dell’RNA L’RNA differisce per ques7 elemen7: 20 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il ruolo dell’RNA L’RNA ha un ruolo nella traduzione da DNA a proteine. I primi indizi:  cellule molto ricche di RNA sinte7zzano molte proteine;  l’RNA degli eucario7 si trova nel citosol dove avviene la sintesi proteica;  quando una cellula baPerica viene infePata da un virus a DNA, viene prodoPo RNA. 21 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il ruolo dell’RNA •  L’RNA messaggero veicola l’informazione per la sintesi proteica; •  viene trascriPo a par7re da un filamento di DNA che funge da stampo; •  la trascrizione richiede l’enzima RNA polimerasi; •  l’enzima si lega a un sito promotore sul DNA; •  l’enzima aggiunge nucleo7di in direzione 5ˈ-­‐ 3ˈ complementari a quelli del filamento stampo, con uracile al posto di 7mina; •  quando incontra la sequenza di terminazione, la trascrizione si blocca. 22 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il ruolo dell’RNA 23 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Elaborazione dell’mRNA   Gli introni sono sequenze non tradoPe all’interno del gene, trascri\ in una molecola nota come pre-­‐mRNA e poi elimina7.   Gli esoni sono le sequenze codifican7. 24 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Elaborazione dell’mRNA   L’appaiamento tra DNA stampo e mRNA maturo non dava una corrispondenza perfePa.   Le anse corrispondono agli introni. 25 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Elaborazione dell’mRNA Da pre-­‐mRNA, tramite: capping: aiuta l’uscita dell’mRNA dal nucleo; coda di poli-­‐A: conferisce stabilità alla molecola; splicing: elimina gli introni; si o\ene mRNA maturo. 26 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Elaborazione dell’mRNA 27 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Elaborazione dell’mRNA Splicing: taglio degli introni e unione degli esoni. Spliceosoma: complesso formato da subunità dePe small nuclear ribo-­‐nucleo-­‐protein (snRNP). 28 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Elaborazione dell’mRNA Lo splicing alterna8vo: negli eucario7 a par7re da un singolo gene e trascriPo si formano mRNA diversi e quindi diverse proteine. 29 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il codice gene7co Il DNA e l’RNA contengono 4 nucleo7di diversi, le proteine invece sono cos7tuite da 20 amminoacidi. Teoricamente si stabilì che solo con 3 nucleo7di era possibile codificare per un numero più che sufficiente di amminoacidi. 1 nucleo7de – 4 amminoacidi 2 nucleo7di – 42 amminoacidi = 16 amminoacidi 3 nucleo8di – 43 = 64 amminoacidi Questa triplePa di nucleo7di viene chiamata codone. 30 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il codice gene7co Codice degenerato: i codoni per un amminoacido differiscono per un solo nucleo7de finale. 31 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
I ribosomi 32 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La sintesi proteica La sintesi proteica richiede: • RNA messaggero; • ribosomi forma7 per 2/3 da RNA ribosomiale e 1/3 da proteine; • RNA di trasporto. 33 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La sintesi proteica Gli RNA di trasporto sono 20:  la terminazione CCA in 3' lega sempre un amminoacido;  an7codone complementare al codone sull’mRNA;  amminoacil-­‐tRNA-­‐sintetasi: catalizza il legame tra amminoacido e tRNA. 34 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La sintesi proteica La sintesi proteica si chiama anche traduzione. Avviene in tre fasi:  inizio: subunità minore + tRNA + mRNA (complesso di inizio);  allungamento: al complesso di inizio si lega la subunità maggiore, la sintesi procede;  terminazione: al codone di stop si interrompe la traduzione. 35 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La sintesi proteica 36 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011
La sintesi proteica 37 La sintesi proteica 38 La sintesi proteica 39 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione
dell’espressione
genica
40 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione   La regolazione genica è la capacità di una cellula di controllare l’espressione dei suoi geni;   i geni possono essere a\va7 o disa\va7 al momento opportuno per evitare un inu7le dispendio energe7co. 41 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione   In E. coli la presenza di laPosio come alimento induce la sintesi dell’enzima beta-­‐galaPosidasi, che lo scinde;   la presenza dell’amminoacido triptofano nel terreno di crescita inibisce invece la sua sintesi interna. 42 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione   Il genoma è lo stesso per tuPe le cellule di un organismo. Ciò che cambia è il proteoma: l’insieme delle proteine espresse da una cellula;   durante il differenziamento i geni vengono espressi in sequenza temporale controllata. 43 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione Durante le diverse fasi dello sviluppo vengono espressi geni diversi per la globina. 44 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
L’importanza della regolazione Nelle cellule mature non si perde DNA funzionale e i geni non sono ina\va7 in modo defini7vo. 45 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procario7 Il controllo può avvenire in una delle tre fasi che portano alla sintesi proteica. Avviene sopraPuPo durante la trascrizione. 46 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procario7 I faBori di regolazione della trascrizione:  sono proteine codificate da geni regolatori;  si legano vicino alla sequenza promotore di un gene;  possono reprimere o a\vare la trascrizione;  agiscono a volte con piccole molecole effeBrici che ne modificano la conformazione. I geni cos8tu8vi non subiscono questo controllo, sono sempre a\vi perché codificano per proteine indispensabili durante l’intera vita della cellula. 47 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procario7 48 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011
Il controllo genico nei procario7 Nei procario7 i geni struPurali che codificano per polipep7di con funzione correlata vengono spesso trascri\ sullo stesso segmento di mRNA. 49 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procario7 Operone: promotore + operatore + geni struPurali. I geni regolatori sono sparsi nel cromosoma, non fanno parte dell’operone, ma codificano per a\vatori e repressori della trascrizione. 50 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procario7 I corepressori: il triptofano, se presente nel terreno di coltura, si lega al repressore trp, ne cambia la conformazione permePendogli di legarsi al sito dell’operatore; insieme bloccano la sintesi di triptofano. 51 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo genico nei procario7 Gli induBori: il laPosio, se presente nel terreno di coltura, si lega al repressore lac inibendo la sua capacità di legarsi all’operatore; vengono sinte7zza7 gli enzimi u7li alla degradazione del laPosio. 52 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7 Come i procario7:  a\vatori e repressori;  molecole effePrici. Solo eucario7:  maggior numero di proteine e cellule diverse;  non ci sono gli operoni;  inibizione aPraverso l’aggiunta di un gruppo me7le al DNA;  a\vatori che alterano la struPura della croma7na. 53 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7   Eterocroma8na: croma7na più condensata;   eucroma8na: croma7na distesa, permePe la trascrizione, presente solo in interfase;   istoni: proteine che mantengono la croma7na spiralizzata;   il grado di condensazione varia da un 7po di cellula all’altro;   eterocroma7na permanente: corpi di Barr, centromeri, telomeri e regioni non codifican7. 54 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7   Istone ace8transferasi: aPacca gruppi ace7li alle code N terminali delle proteine istoniche, che si allentano, lasciando libero il DNA per la trascrizione.   Nei mammiferi ci sono 50 enzimi che modificano gli istoni, per compaPare o despiralizzare la croma7na. 55 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7 Il promotore è cos7tuito da tre unità:  TATA box, localizza il punto in cui la trascrizione può avere luogo;  inizio della trascrizione, si inserisce la RNA polimerasi;  sito degli elemen7 regolatori: enhancer e silencer. 56 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7 TATA box + inizio della trascrizione = promotore basale FaBori di trascrizione generali: si legano al promotore basale per consen7re l’aPacco della RNA polimerasi. 57 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7   La trascrizione ha inizio quando un a\vatore si lega all’enhancer;   gli enhancer sono specifici per ogni 7po di cellula. 58 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La regolazione negli eucario7 Se gli enhancer sono lontani dal promotore è necessaria la presenza di un mediatore. 59 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Regolazione post-­‐trascrizionale   Splicing alterna8vo: da un unico gene posso oPenere diversi trascri\ e quindi diverse proteine;   modifiche chimiche alla sequenza leader che impediscono l’aPacco dell’RNA ai ribosomi;   repressore traduzionale: si lega all’mRNA quando la proteina è presente in quan7tà sufficiente;   RNA interference: piccole molecole di RNA, dePe microRNA (miRNA) o short-­‐interfering RNA (siRNA), che interferiscono con l’mRNA, lo neutralizzano o degradano.   dopo la traduzione: blocco reversibile o roPura della proteina non più necessaria. 60 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Regolazione post-­‐trascrizionale RNA interference: queste brevi sequenze possono essere sinte7zzate in laboratorio e offrono prospe\ve in campo medico. 61 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011