Cristina Cavazzuti
Daniela Damiano
Biologia
Cavazzuti, Damiano, Biologia © Zanichelli editore 2015
Capitolo 4 Il linguaggio della vita
1. La struttura del DNA
2. La sintesi delle proteine
3. Le mutazioni modificano il significato dei geni
4. L’ingegneria genetica manipola il DNA
5. Le applicazioni dell’ingegneria genetica
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Lezione 1
La struttura del DNA
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1. I nucleotidi sono i «mattoni» del DNA
I nucleotidi sono
costituiti da
•una base azotata;
•uno zucchero;
•un gruppo fosfato.
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1. I nucleotidi sono i «mattoni» del DNA
Le basi azotate, che sono adenina, timina, citosina e guanina,
sono simili a due a due e sono le
•purine: hanno due anelli (A e G);
•pirimidine: hanno un solo anello (T e C).
Fu Erwin Chargaff che scoprì che in tutte le
specie la quantità di timina è uguale alla
quantità di adenina, e la quantità di citosina
a quella di guanina.
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2. Il DNA ha una struttura a doppia elica
Negli anni ’50 Watson e Crick definirono la struttura del DNA.
Due catene di nucleotidi sono
avvolte l’una attorno all’altra a
formare una doppia elica.
Il loro modello prevedeva che
le molecole di zucchero e i
gruppi fosfato avessero una
funzione di supporto, come i
montanti di una scala, e che le
basi azotate fossero i pioli.
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3. Il DNA contiene un codice che trasmette
l’informazione genetica
Le basi azotate poste su uno dei due filamenti di DNA si possono
appaiare in modo specifico con quelle dell’altro filamento
(complementarietà).
L’appaiamento di una purina con una pirimidina mantiene costante la
distanza tra i due montanti della scala.
L’informazione nel DNA si trasmette di generazione in generazione.
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4. Il DNA si duplica usando uno dei due
filamenti come stampo
Il modello di Watson e Crick suggeriva che la molecola di DNA
contenesse l’informazione necessaria per produrre una copia identica
a se stessa con un meccanismo di stampo.
Quando la cellula inizia a duplicare il proprio DNA, la doppia elica si
despiralizza e la molecola si apre come una cerniera lampo a mano a
mano che le due catene complementari si separano.
A questo punto, ciascuno dei due filamenti funziona come uno stampo
per la produzione di un nuovo filamento complementare.
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4. Il DNA si duplica usando uno dei due
filamenti come stampo
I nucleotidi si allineano seconda la regola
dell’appaiamento delle basi; poi alcuni
enzimi legano tra loro i nucleotidi.
Ciascuna doppia elica sarà costituita da
un filamento “vecchio” e da uno
“nuovo”. Si parla di duplicazione
semiconversativa.
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4. Il DNA si duplica usando uno dei due
filamenti come stampo
La duplicazione del DNA richiede energia e coinvolge una dozzina di
enzimi, riuniti in una struttura chiamata complesso di duplicazione.
• Elicasi: srotola la doppia elica di DNA e rompe i legami a idrogeno
tra le basi, generando i filamenti stampo;
• Topoisomerasi: mantiene staccati i filamenti, impedendo loro di
riunirsi;
• DNA polimerasi: catalizza la formazione di una nuova catena di
DNA.
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4. Il DNA si duplica usando uno dei due
filamenti come stampo
Nei procarioti, il DNA si duplica a partire da un punto, chiamato sito
d’origine. Negli eucarioti, invece, ogni cromosoma ha diversi siti
d’origine ai quali si lega il complesso di duplicazione.
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Lezione 2
La sintesi delle proteine
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5. L’informazione per sintetizzare le
proteine è codificata nei geni
Il genotipo è la sequenza di nucleotidi del suo DNA.
La base molecolare su cui poggia il fenotipo è costituita dalle proteine.
Beadle e Tatum lavorando sulle muffe del pane ipotizzarono il legame
«un gene - un enzima», secondo cui la funzione di ogni gene consiste nel
dirigere la produzione di uno specifico enzima.
Successivamente l’ipotesi venne riformulata in «un gene – una proteina».
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6. Il flusso dell’informazione genetica va dal
DNA all’RNA alle proteine
Il linguaggio dei geni è scritto nella sequenza delle basi azotate lungo la
catena di DNA.
Una proteina è una lunga catena di amminoacidi.
Le cellule passano dal linguaggio del DNA a quello delle proteine
attraverso l’acidoribonucleico o RNA, che si presenta sotto forma di
singola catena di nucleotidi e contiene lo zucchero ribosio e la base
azotata uracile al posto della timina.
Esistono tre diversi tipi di RNA, ognuno con funzioni specifiche:
mRNA (messaggero), tRNA (di trasporto) e rRNA (ribosomiale).
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6. Il flusso dell’informazione genetica va dal
DNA all’RNA alle proteine
L’mRNA o RNA messagero è una molecola chiave nei passaggi
intermedi dai geni alle proteine.
Nella trascrizione la sequenza di
DNA fa da stampo per produrre
una catena a filamento singolo di
mRNA che esce dal nucleo e si
sposta nel citoplasma.
Nella traduzione, grazie al tRNA o
RNA di trasporto, dagli acidi
nucleici si passa agli amminoacidi.
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7. Il codice genetico è comune a tutti i viventi
Il codice genetico, che permette la traduzione dalla sequenza di nucleotidi
alla sequenza di amminoacidi, è stato identificato e decifrato da Marshall
Nirenberg nel 1961.
Un codone, o tripletta, è una «parola» di tre lettere (basi azotate) che
corrisponde ad un amminoacido.
Più codoni insieme formano una «frase» che si traduce in proteina.
Il codice genetico è formato da 64 triplette. In tutte le specie ogni
codone corrisponde allo stesso amminoacido.
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7. Il codice genetico è comune a tutti i viventi
I codoni sono molti di più
rispetto agli amminoacidi. Si
dice pertanto che il codice è
ridondante o degenerato,
triplette diverse codificano
per lo stesso amminoacido.
Il codice non è però
ambiguo, un dato codone
codifica per un solo
amminoacido.
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8. La trascrizione: dal DNA all’RNA messaggero
Nella trascrizione si trascrive uno solo dei due filamenti di DNA che serve
da stampo per la sintesi della molecola di mRNA. La doppia elica si
srotola e si divide in due filamenti, i nucleotidi dell’RNA si appaiano alle
basi complementari del filamento di DNA stampo e si origina così l’RNA
messaggero. L’enzima che presiede al processo di formazione dell’mRNA
è l’RNA polimerasi.
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9. La maturazione dell’mRNA negli eucarioti
I geni degli eucarioti hanno una struttura discontinua: hanno regioni
codificanti, dette esoni, intervallate da tratti non codificanti, detti introni.
Durante la trascrizione, l’RNA polimerasi copia l’intero gene, non
distinguendo gli introni dagli esoni.
Quando l’mRNA si trova ancora nel nucleo, alcuni
enzimi eliminano gli introni e saldano gli esoni tra
loro. La molecola di mRNA maturo che si genera
è la sequenza che subirà il processo di
traduzione. Questa operazione prende il nome di
splicing dell’RNA, che significa montaggio.
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9. La maturazione dell’mRNA negli eucarioti
In ogni tessuto, l’assemblaggio delle molecole è influenzato da
proteine diverse. Dunque, uno stesso trascritto può maturare in
modi diversi a seconda dei tessuti in cui avviene la trascrizione. Un
esempio è costituito dagli anticorpi: grazie allo splicing alternativo
un essere umano può produrre 1015 anticorpi diversi.
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10. La traduzione: dall’mRNA alla proteina
L’RNA di trasporto (tRNA) traduce i codoni dell’mRNA negli amminoacidi
che costituiscono le proteine.
Il tRNA ha una forma ripiegata e porta a una
estremità una tripletta di basi chiamata
anticodone. Ciascun anticodone è
complementare a uno specifico codone. Sull’altra
estremità si trova un sito di legame per
l’amminoacido codificato dal codone, che andrà
ad aggiungersi alla catena polipeptidica in
crescita nel ribosoma.
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11. Le tre fasi della traduzione: inizio,
allungamento e terminazione
Fase di inizio:
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11. Le tre fasi della traduzione: inizio,
allungamento e terminazione
Fase di allungamento:
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11. Le tre fasi della traduzione: inizio,
allungamento e terminazione
Fase di terminazione:
Completata la traduzione, molte proteine
si spostano negli organuli cellulari, altre
restano nel citoplasma, altre ancora si
legano a vitamine o ioni metallici. Il lavoro
di completamento avviene nel reticolo
endoplasmatico ruvido o nell’apparato di
Golgi. Alcune proteine, infine, possono
muoversi verso altre cellule attraverso
vescicole.
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Lezione 3
Le mutazioni
modificano il significato
dei geni
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12. Una mutazione è un cambiamento nella
sequenza nucleotidica del DNA
Una mutazione è un cambiamento nella sequenza di nucleotidi del
DNA di un organismo che compromette la funzionalità di un gene
produttore di una determinata proteina.
Le mutazioni possono avvenire durante la mitosi delle cellule di un
tessuto, ed essere pertanto somatiche, o possono verificarsi durante
la formazione dei gameti e, in seguito alla fecondazione, trasmettersi
al nuovo individuo. In quest’ultimo caso si parla di mutazioni della
linea germinale, responsabili delle malattie genetiche.
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12. Una mutazione è un cambiamento nella
sequenza nucleotidica del DNA
Le mutazioni possono essere spontanee o provocate da agenti di natura
chimica o fisica chiamati agenti mutageni.
Nonostante all’interno del nucleo delle cellule si trovino enzimi di
riparazione, un certo numero di errori può sfuggire.
A livello molecolare è possibile distinguere tre tipologie di mutazioni:
• mutazioni geniche o puntiformi, che riguardano un solo nucleotide;
• mutazioni cromosomiche, che interessano la struttura di un cromosoma;
• mutazioni genomiche, che coinvolgono il numero complessivo dei
cromosomi.
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13. Le mutazioni genetiche possono
determinare lo sviluppo di un tumore
Le cellule si riproducono per permettere la crescita dell’organismo e
per sostituire cellule morte o danneggiate, secondo un ritmo
controllato a seconda delle necessità dell’organismo.
La rottura di questo ritmo e la proliferazione incontrollata di alcune
cellule in seguito a una mutazione è causa di tumore.
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13. Le mutazioni genetiche possono
determinare lo sviluppo di un tumore
I geni oncosoppressori inducono la cellula ad autodistruggersi se le sue
funzionalità sono compromesse. Se tali geni subiscono mutazioni, la
cellula inizia a proliferare.
Gli oncogeni, che attivano la duplicazione della cellula solo quando è
necessario, possono, in presenza di mutazione, attivare la proliferazione
cellulare in modo incontrollato.
I geni di riparazione presiedono alla riparazione del DNA danneggiato,
pertanto, in caso di malfunzionamento, la cellula non potrà correggere il
proprio DNA e le mutazioni si sommeranno.
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13. Le mutazioni genetiche possono
determinare lo sviluppo di un tumore
Alcuni fattori esterni, chiamati agenti cancerogeni, possono indurre
mutazioni genetiche. Tra questi ci sono il fumo di sigaretta, le sostanze
inquinanti e i raggi UV.
I tumori possono essere benigni o maligni. Nel primo caso, il tumore
conserva le caratteristiche del tessuto di origine, cresce ma non invade
gli organi circostanti. Il tumore maligno, invece, è costituito da cellule
diverse da quelle originarie che tendono a invadere i tessuti circostanti,
generando metastasi in grado di raggiungere anche organi lontani.
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13. Le mutazioni genetiche possono
determinare lo sviluppo di un tumore
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13. Le mutazioni genetiche possono
determinare lo sviluppo di un tumore
Esistono diverse terapie per la cura del tumore: la chirurgia, la
radioterapia, la chemioterapia e la terapia a bersaglio molecolare.
La chemioterapia consiste nella somministrazione di farmaci in grado di
interferire con i meccanismi di duplicazione cellulare. Purtroppo i farmaci
non distinguono le cellule tumorali dalle cellule sane, causando importanti
effetti collaterali, ma molti tumori si possono oggi sconfiggere mediante
chemioterapia. La terapia a bersaglio molecolare è invece mirata, dal
momento che è diretta contro uno specifico recettore non presente nelle
cellule sane.
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14. Le mutazioni geniche o puntiformi
possono avere vari effetti
Una mutazione genica o puntiforme può essere causata da una sostituzione
di un nucleotide. Alcune sostituzioni causano mutazioni silenti, altre invece
possono generare errori nella sequenza primaria della proteina, che ne
alterano gravemente la funzione. Un esempio è la mutazione che causa
l’anemia falciforme. Mutazioni di questo tipo, in cui si scambia un
amminoacido con un altro, prendono il nome di mutazioni di senso.
Le mutazioni non senso, invece, sono quelle in cui una sostituzione origina
un codone di stop. La sintesi proteica termina precocemente e viene
prodotta una proteina incompleta e non funzionale.
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14. Le mutazioni geniche o puntiformi
possono avere vari effetti
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14. Le mutazioni geniche o puntiformi
possono avere vari effetti
Le mutazioni geniche possono anche essere causate dall’inserzione o dalla
delezione di un nucleotide. Questo errore provoca uno scivolamento del
sistema di lettura del codice genetico e, come conseguenza, la sintesi di
una proteina in cui tutti gli amminoacidi, dal punto della mutazione in
avanti, sono errati. In questi casi la proteina non è funzionale.
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15. Le mutazioni cromosomiche
riarrangiano il corredo genico
Esistono quattro tipi di mutazioni cromosomiche o aberrazioni:
• delezione, in cui si perde una parte del cromosoma e, pertanto, una
parte delle informazioni genetiche;
• duplicazione, quando una parte del cromosoma viene raddoppiata;
• inversione, in cui si ha la rottura in due punti del cromosoma che si
salda, di conseguenza, con un segmento ruotato di 180°.
• traslocazione, quando un pezzo di cromosoma di stacca per andarsi
a legare a un altro cromosoma non omologo.
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15. Le mutazioni cromosomiche
riarrangiano il corredo genico
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16. Le mutazioni genomiche riguardano
l’intero genoma
Nelle mutazioni genomiche, i cromosomi sono presenti nelle cellule in
numero maggiore o minore, a causa di un errore di disgiunzione durante la
meiosi.
La sindrome di Down o trisomia 21, la più comune, è dovuta alla presenza
di tre cromosomi 21 anziché due. Altre due trisomie sono la sindrome di
Patau e la sindrome di Edwards.
La sindrome di Turner e la sindrome di Klinefelter sono mutazioni che
riguardano i cromosomi sessuali: nella prima si ha la delezione di un
cromosoma X, con conseguente nascita di femmine X0, la seconda porta
invece alla nascita di maschi XXY.
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Lezione 4
L’ingegneria genetica
manipola il DNA
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17. Le biotecnologie hanno un’origine antica
La selezione artificiale
ha permesso di
ottenere varietà
diverse di piante e
razze eterogenee di
animali.
Le tecniche di manipolazione di organismi viventi a
beneficio degli esseri umani, prendono il nome di
biotecnologie.
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17. Le biotecnologie hanno un’origine antica
Grazie alla biotecnologia è stato possibile ricavare da alcune muffe degli
antibiotici in grado di curare un certo numero di malattie. Nel 1928
Fleming chiamò penicillina la sostanza in grado di impedire la crescita dei
batteri.
Oggi i biotecnologi lavorano trasferendo da un organismo all’altro singoli
geni per ottenere nuovi organismi con caratteristiche vantaggiose per
l’uomo. Si parla di tecnologia del DNA ricombinante o ingegneria
genetica.
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18. La tecnologia del DNA ricombinante
permette di trasferire geni da un organismo
a un altro
La maggior parte dei batteri
possiede dei plasmidi, piccole
molecole circolari di DNA. I
plasmidi possono duplicarsi
autonomamente e trasferirsi su
un altro batterio, modificandone
le caratteristiche.
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18. La tecnologia del DNA ricombinante
permette di trasferire geni da un organismo
a un altro
A partire da queste conoscenze, i biologi trasferiscono geni da un
organismo a un altro, ottenendo organismi geneticamente modificati,
OGM.
Se gli organismi donatore e ricevente appartengono a specie diverse,
l’OGM si definisce transgenico.
Il DNA ricombinante, formato da DNA originario e nuovo DNA
impiantato, si duplicherà originando copie del gene desiderato. La
procedura prende il nome di clonazione genica.
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19. Come si ottiene il DNA ricombinante
Mediante gli enzimi di restrizione è possibile ritagliare una parte di DNA
da impiantare su un altro organismo. Ogni enzima riconosce specifiche
sequenze di coppie di basi e taglia il DNA in un punto preciso, detto sito
di restrizione. Le porzioni di DNA ottenute si chiamano estremità
coesive e possono legarsi a qualsiasi sequenza complementare.
Una volta ottenute da organismi diversi, le estremità coesive vengono
mescolate perché si appaino tra loro; infine l’enzima DNA ligasi incolla le
sequenze e ripristina la doppia elica.
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19. Come si ottiene il DNA ricombinante
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20. L’elettroforesi su gel separa molecole di
lunghezze diverse
L’elettroforesi su gel
permette di separare
frammenti di DNA di
dimensioni diverse. In questa
procedura si sfrutta la carica
negativa delle molecole di
DNA, che deriva dalla
presenza dei gruppi fosfato.
Ogni serie di bande tracciata dai campioni di
DNA costituisce l’impronta genetica di
ciascun campione.
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Lezione 5
Le applicazioni
dell’ingegneria genetica
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21. Applicazioni delle biotecnologie in
ambito medico-farmaceutico
Il primo farmaco prodotto con la tecnica del DNA ricombinante è stato
l’ormone insulina, mediante l’utilizzo di cellule di Escherichia coli.
Un’importante conquista delle biotecnologie sono i vaccini, di cui il primo
è stato quello contro l’epatite B, ottenuto mediante clonazione ed
espressione dell’antigene del virus nel Saccharomyces cerevisiae.
La ricerca sulla terapia genica interviene direttamente sui geni per curare
le malattie genetiche, mediante l’inserimento, all’interno di virus resi
innocui, del gene sano che andrebbe a sostituire quello malato. I virus
vanno poi collocati all’interno di cellule umane da impiantare
nell’organismo malato.
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21. Applicazioni delle biotecnologie in
ambito medico-farmaceutico
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22. Con l’ingegneria genetica si può
modificare il corredo genetico delle piante
Le applicazioni biotecnologiche in campo
agroalimentare si indicano col termine green
biotechnology. Per modificare geneticamente
una pianta si utilizza il batterio Agrobacterium
tumefaciens che riesce a infettare alcune piante,
trasferendo alle cellule il proprio DNA. In questo
modo, con l’aggiunta dei geni che si desidera
riprodurre, si sono prodotte varietà vegetali
transgeniche resistenti ai virus e utili per una
migliore alimentazione, come il golden rice.
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22. Con l’ingegneria genetica si può
modificare il corredo genetico delle piante
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23. Alcuni esempi di animali transgenici
Attraverso l’inserimento di geni estranei di interesse all’interno di
cellule uovo appena fecondate, è stato possibile dare vita a mammiferi
transgenici. Nel 1982 nacque il “supertopo”, nel cui patrimonio genetico
era stato inserito l’ormone umano della crescita. Nel 1988 fu la volta
delle prime pecore transgeniche in grado di produrre latte ricco di un
enzima umano utilizzato nella cura dell’enfisema.
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24. La clonazione riproduttiva
La clonazione è la
generazione di un nuovo
individuo a partire dalla
cellula somatica di un
altro essere vivente, in
modo da ottenere una
“fotocopia”
geneticamente identica a
quella di partenza.
Nel 1997 fu clonato il primo mammifero da un
individuo adulto. Si trattava di una pecora, Dolly.
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24. La clonazione riproduttiva
L’embryo splitting permette di ottenere animali identici suddividendo un
unico embrione, quindi riproducendo quello che avviene durante la
formazione di gemelli identici.
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