DNA
STRUTTURA E FUNZIONI
prof. eugenio favia
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Scoperta degli acidi nucleici
• La lunga storia del DNA comincia nel lontano 1869 con
lo svizzero Johann F. Miescher.
• Per i suoi studi, si servì del pus perché ricco di globuli
bianchi, cellule del sangue con grandi nuclei .
• Dopo l’estrazione del materiale nucleare lo analizzò e
scoprì che era acido e conteneva, tra l’altro, il 14% di N,
3% di P e il 2% di S
• Infine, poiché era resistente agli enzimi che
demoliscono le proteine (pepsina) concluse che non
poteva trattarsi di materiale proteico.
• Egli chiamò questa sostanza “nucleina”
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• Nel 1879 il collega Albrecht Kossel analizzando
quelle sostanze vide che contenevano quattro
composti ricchi di azoto che chiamò ADENINA,
TIMINA, CITOSINA , GUANINA (basi azotate).
• Nel 1889 Richard Altmann, studente di Miesher,
ribattezzò la nucleina ACIDO NUCLEICO
• Già nel 1874 Miescher ipotizzò, in maniera quasi
preveggente, che la nucleina potesse avere a che
fare con la riproduzione
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• Nel 1902 l’americano Walter Sutton
osservando la meiosi in cellule germinali di
cavallette, si rese conto del parallelismo tra le
leggi di Mendel e il movimento dei cromosomi
omologhi.
• Perciò ipotizzò una associazione tra i
cromosomi e l’ereditarietà genetica.
• Ma i cromosomi sono fatti anche di DNA.
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Come si è arrivati a capire le funzioni
del DNA
• FUNZIONE GENETICA
• Nel 1928 Il medico inglese
Frederick Griffith studiava il batterio
Streptococcus pneumoniae che presenta due
diversi ceppi
• S (da smooth=liscio) VIRULENTO
• R (da rough=ruvido) INNOCUO
• Sviluppò un esperimento divenuto
ormai classico:
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Esperimento di Griffith
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• Nel 1944 Oswald Avery e i suoi collaboratori
riuscirono, dopo lunghi e laboriosi
esperimenti, ad individuare qual’era la
sostanza trasformante osservata da Griffith.
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• Nel 1952 gli americani Alfred Hershey e
Martha Chase effettuarono un nuovo e più
complesso esperimento per confermare i
risultati di Avery
• Usarono il virus betteriofago T2. Questo
penetra parzialmente nel batterio e, dopo
aver prodotto numerose copie di se stesso,
fuoriesce dal batterio lisandolo (uccidendolo)
• I virus sono costituiti da proteine e DNA
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La struttura del DNA
• Nel 1919 Phoebus Levene individuò la
composizione del DNA : Uno zucchero a
5 atomi di carbonio (desossiribosio) un
gruppo fosfato (PO4-4 ) e una base
azotata, tutti uniti a formare un
nucleotide che a sua volta costituisce un
monomero del DNA.
• Precedentemente lo stesso Levene aveva
scoperto un altro acido nucleico: l’RNA
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• nel 1950 il biochimico austriaco Erwin
Chargaff studiando la composizione del
DNA notò alcune regolarità significative:
• La percentuale delle singole basi azotate è
uguale in tutte le cellule di un individuo
• Il rapporto tra le percentuali di A e G sono
diverse da specie a specie
• In ciascuna specie la quantità di A = T e la
quantità di G = C (e quindi A+G = C+T)
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• Nel 1951 Rosalind Franklin e Maurice Wilkins
cominciarono presso il King’s College di Londra lo
studio della molecola del DNA col metodo della
cristallografia a raggi X. e nel 1952 giunsero alla
conclusione che la sua struttura dovesse essere a
elica.
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LA DOPPIA ELICA
• Nel 1953 l’inglese Francis Crick e l’americano James
Watson, sulla base delle osservazioni della Franklin e di
tutte le informazioni fino ad allora note sul DNA,
costruirono un modello tridimensionale a doppia elica e
pubblicarono i risultati il 25 aprile su Nature
• Per questa scoperta ricevettero
il premio Nobel nel 1958
Rosalind Franklin morì a soli 37 anni
nel 1958 prima dell’ambito
riconoscimento
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LA DUPLICAZIONE
• Ma la trasmissione dell’informazione genetica
richiede prima la duplicazione del DNA
• Dopo la scoperta di Watson e Crick sulla
struttura del DNA si intuì che questo poteva
autoduplicarsi
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• Il primo a provare
sperimentalmente
che effettivamente
ciò avveniva è stato
Arthur Kronberg
(nobel nel 1959).
• Ma rimaneva il
problema di come
avveniva il processo
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• Gli americani Matthew Meselson e Franklin
Sthal nel 1958 portarono a termine un
importante esperimento che confermò la
duplicazione semiconservativa del DNA.
C,G,A,T =
C,G,A,T =
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15N
14N
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FUNZIONE DI CONTROLLO
• Abbiamo visto che il DNA è la molecola che
contiene le informazioni genetiche che si
trasferiscono di generazione in generazione.
• Ma come vengono usate queste
informazioni dalle cellule degli organismi?
• Il DNA determina il funzionamento delle
cellule mediante la costruzione di
importanti biomolecole: le PROTEINE
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LE PROTEINE
• Le proteine sono delle macromolecole
polimeriche costituite da una lunga catena di
aminoacidi (catena polipeptidica).
• Ci sono 20 aminoacidi diversi con cui gli
organismi costruiscono tutti i milioni di
proteine esistenti.
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• Esse si possono descrivere mediante 4
livelli strutturali:
• Primaria: sequenza degli aminoacidi
• Secondaria: disposizione ad α-elica o a
β-foglietto della catena polipeptidica
• Terziaria: avvolgimento spaziale della
catena
• Quaternaria: unione di più subunità in
struttura terziaria
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• Le proteine svolgono tante funzioni nelle
cellule : enzimatica, di difesa, strutturale, di
trasporto, ormonale, ecc.
• Pertanto la vita cellulare dipende da quali e
quante proteine vi sono
• Ma il DNA come determina le proteine?
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• Il processo viene detto SINTESI DELLE
PROTEINE e si svolge in due fasi distinte ma
correlate con il tramite del RNA (un altro acido
nucleico) e di diversi enzimi :
• TRASCRIZIONE
• TRADUZIONE
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RNA
• L’RNA è simile al DNA con la differenza di
avere il ribosio al posto del desossiribosio,
l’uracile al posto della timina e di essere
costituita da una singola catena di nucleotidi.
• Inoltre vi sono diversi tipi di RNA: mRNA
(messaggero), tRNA (trasporto), rRNA
(ribosomiale)
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TRASCRIZIONE
• Il processo di trascrizione avviene in tre fasi
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• Per trasferire le informazioni del DNA
espresse in una sequenza di nucleotidi in
informazioni espresse in una sequenza di
aminoacidi nelle proteine occorre un codice :
• IL CODICE GENETICO
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• Il lavoro di decifrazione del codice fu intrapreso
all’inizio degli anni sessanta, tra gli altri, da un
giovane biochimico statunitense Marshall
Nirenberg (nobel nel 1968):
• Utilizzò il batterio Escherichia coli per ricavare il
contenuto delle cellule senza la membrana: il
citoplasma. Questo materiale viene detto
cell-free e mantiene tutte le capacità
metaboliche della cellula
tranne la riproduzione.
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• Nel 1961 inserì una sequenza nota di RNA (UUU)
e ottenne la produzione dell’aminoacido
fenilalanina.
• Negli anni successivi, in collaborazione con altri
studiosi, ripetè l’esperienza con altre sequenze di
RNA e trovò, alla fine, le corrispondenze tra
triplette e aminoacidi.
• Il lavoro di decifrazione delle 64 triplette fu
terminato nel 1966 rivelando l’intero CODICE
GENETICO
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•Grazie per l’attenzione.
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