1 H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores Invito alla biologia.blu B – Biologia molecolare, genetica ed evoluzione 2 Le basi chimiche dell’ereditarietà Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 3 Il codice della vita Il DNA, o acido desossiribonucleico, è costituito da lunghe catene di nucleotidi; ogni nucleotide 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 4 Il codice della vita Purine: adenina (A) e gunina (G); pirimidine: citosina (C) e timina (T). Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 5 Informazione genetica Nel 1952 gli scienziati Hershey e Chase dimostrarono che il DNA contiene l‘informazione genetica. Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 6 La struttura del DNA Watson e Crick nel 1953 dedussero, anche grazie al lavoro di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, che il DNA è una doppia elica lunga e spiralizzata. Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 7 La struttura del DNA Le purine si appaiano con le pirimidine; tra adenina e timina ci sono due legami a Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 idrogeno; tra citosina e guanina ce ne sono tre; i filamenti sono antiparalleli: hanno due direzioni opposte indicate per convenzione 5’- 3’ e 3’- 5’. 8 La duplicazione del DNA La molecola di DNA si apre e Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 ciascun filamento funziona da stampo per la sintesi di un nuovo filamento; la duplicazione è semiconservativa perché le due nuove molecole hanno ciascuna un filamento vecchio (stampo) e uno nuovo. 9 Meccanismo della duplicazione È catalizzata dalla DNA polimerasi; inizia da una sequenza di nucleotidi detta origine della duplicazione; il DNA forma la bolla di duplicazione alle cui estremità troviamo le forcelle di duplicazione (a Y); è bidirezionale. Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 10 Gli enzimi della duplicazione 11 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La DNA polimerasi Non può innescare la sintesi ma utilizza un primer (o innesco) a RNA; aggiunge nucleotidi in direzione 5’- 3’; si autocorregge (proofreading). Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 12 La DNA polimerasi L’enzima spezza il legame tra primo e secondo gruppo fosfato ottenendo l’energia necessaria per creare un legame forte tra nucleotidi adiacenti. 13 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La duplicazione è asimmetrica La DNA polimerasi aggiunge nucleotidi in direzione 5’- 3’: Il filamento guida 5’- 3’ è sintetizzato in modo continuo; il filamento in ritardo 3’- 5’ sintetizzato in brevi tronconi (frammenti di Okazaki) in direzione 5’- 3’. 14 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La duplicazione è asimmetrica La Dna primasi sintetizza i primer e torna indietro verso la forcella per creare altri primer sul filamento in ritardo; i primer vengono rimossi e sostituiti con DNA; la ligasi interviene per legare i frammenti di Okazaki. 15 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Il proofreading La DNA polimerasi compie «solo» un errore ogni 108 coppie di nucleotidi perché si autocorregge (proofreading); la DNA polimerasi controlla l’appaiamento precedente prima di aggiungere un nuovo nucleotide e, se è scorretto, lo rimuove inserendo quello giusto; ha attività nucleasica, ossia degradativa, in direzione opposta a quella di sintesi. 16 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 I danni al DNA Errori non corretti possono portare a variazioni permanenti nella sequenza del DNA; queste mutazioni sono dovute sia a errori nella duplicazione sia a danni causati da radiazioni, sostanze chimiche e raggi UV; il cancro, ossia la proliferazione incontrollata delle cellule, è una delle possibili conseguenze; esistono enzimi deputati al continuo controllo e riparazione del DNA. 17 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La riparazione per escissione Vengono eliminati un certo numero di nucleotidi nella zona in cui è avvenuta una mutazione, il filamento corretto viene usato come stampo; le proteine coinvolte si chiamano Uvr. 18 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 PCR (Polymerase Chain Reaction) La reazione a catena della polimerasi è un metodo inventato nel 1986 da Kary B.Mullis per duplicare piccoli campioni di DNA in laboratorio; si devono conoscere brevi sequenze alle estremità del frammento per fornire i primer corretti (20 nucleotidi); la si utilizza per la diagnosi prenatale, per cercare infezioni di virus e per avere a disposizione grandi quantità di sequenze precise di DNA in poco tempo. 19 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La PCR 20 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2011 I cromosomi I procarioti hanno un unico cromosoma circolare costituito da una sola molecola di DNA. Gli eucarioti hanno più cromosomi nei quali l’unica molecola di DNA lineare è associata alle proteine, hanno sequenze ripetute con funzione sconosciuta. 21 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 La cromatina È l’insieme di DNA e proteine e ne esistono due tipi: eterocromatica più condensata e compatta; eucromatina più dispersa per consentire la trasmissione di informazioni durante l’interfase. 22 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Il nucleosoma La cromatina è formata da istoni carichi positivamente e perciò attratti dal DNA; ci sono 5 tipi di istoni sui quali si avvolge il DNA formando il nucleosoma; ogni nucleosoma è costituito da 8 molecole di istoni (due per tipo), l’istone H1 si trova lungo il DNA. 23 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Stati di ripiegamento I nucleosomi si uniscono in una struttura a collana di perle che si avvolge in anse e quindi in spirali condensate fino a formare il cromosoma. 24 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Caratteristiche del DNA Negli eucarioti non tutte le funzioni di alcune sequenze sono conosciute, mentre nei procarioti viene espresso tutto il DNA; nelle cellule umane è codificante solo l’1,5-2% dell’intero genoma. 25 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012 Le sequenze ripetitive Circa ¾ del genoma è costituito da sequenze intergeniche; ci sono sequenze ripetitive molto corte e disposte in tandem chiamate DNA microsatellite; alcune sono moderatamente ripetitive e possono codificare per gli istoni e per gli RNA ribosomiali; le sequenze altamente ripetitive sono più lunghe e sono sparse in tutto il genoma di cui rappresentano circa il 40%. 26 Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012