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H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores
Invito alla
biologia.blu
B – Biologia molecolare, genetica
ed evoluzione
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Codice genetico e
sintesi delle proteine
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Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
I geni e le proteine
Il DNA contiene le istruzioni per la costruzione delle componenti
cellulari.
Archibald Garrod (1908) ipotizzò che alcune malattie dovute
all’incapacità di svolgere processi chimici fossero ereditarie e
coinvolgessero gli enzimi.
George W. Beadle (1941) ipotizzò che i diversi colori degli occhi
nei mutanti di Drosophila fossero dovuti alla variazione di un solo
enzima.
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I geni e le proteine
Beadle e Tatum (1941),
grazie all’esperimento
sulla muffa del pane
(Neurospora crassa),
conclusero che a un
gene corrisponde un
enzima.
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I geni e le proteine
La comprensione di ciò che un gene può esprimere si ampliò
nel tempo:
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I geni e le proteine
Per dimostrare la correlazione tra mutazione genica e variazione
nella struttura proteica Pauling (1949) utilizzò l’elettroforesi.
In un campo elettrico anche piccole differenze nella carica fanno
correre le proteine a velocità diverse.
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La struttura dell’RNA
L’RNA è formato da nucleotidi costituiti da uno zucchero
(ribosio), una base azotata e un gruppo fosfato.
Le basi azotate sono:
guanina;
adenina;
citosina;
uracile.
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La struttura dell’RNA
Le differenze rispetto al DNA:
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La struttura dell’RNA
L’RNA differisce per questi elementi:
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Il ruolo dell’RNA
L’RNA ha un ruolo nella traduzione da DNA a proteine.
I primi indizi:
cellule molto ricche di RNA sintetizzano molte proteine;
l’RNA degli eucarioti si trova nel citosol dove avviene la sintesi
proteica;
quando una cellula batterica viene infettata da un virus a DNA,
viene prodotto RNA.
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Il ruolo dell’RNA
• L’RNA messaggero veicola l’informazione per la sintesi
proteica;
• viene trascritto a partire 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 nucleotidi in direzione 5ˈ- 3ˈ
complementari a quelli del filamento stampo, con uracile al
posto di timina;
• quando incontra la sequenza di terminazione, la trascrizione
si blocca.
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Il ruolo dell’RNA
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Elaborazione dell’mRNA
 Gli introni sono
sequenze non
tradotte all’interno
del gene, trascritti in
una molecola nota
come pre-mRNA e poi
eliminati.
 Gli esoni sono le
sequenze codificanti.
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Elaborazione dell’mRNA
 L’appaiamento tra DNA
stampo e mRNA maturo
non dava una
corrispondenza perfetta.
 Le anse corrispondono agli
introni.
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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 ottiene mRNA maturo.
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Elaborazione dell’mRNA
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Elaborazione dell’mRNA
Splicing: taglio degli introni e unione degli esoni.
Spliceosoma: complesso formato da subunità dette
small nuclear ribo-nucleo-protein (snRNP).
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Elaborazione dell’mRNA
Lo splicing alternativo: negli eucarioti a partire da un singolo
gene e trascritto si formano mRNA diversi e quindi diverse
proteine.
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Il codice genetico
Il DNA e l’RNA contengono 4 nucleotidi diversi, le proteine
invece sono costituite da 20 amminoacidi.
Teoricamente si stabilì che solo con 3 nucleotidi era possibile
codificare per un numero più che sufficiente di amminoacidi.
1 nucleotide – 4 amminoacidi
2 nucleotidi – 42 amminoacidi = 16 amminoacidi
3 nucleotidi – 43 = 64 amminoacidi
Questa tripletta di nucleotidi viene chiamata codone.
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Il codice genetico
Nirenberg e Matthaei
(1968) decifrarono la
prima parola del codice:
UUU = fenilalanina.
Poli-U: RNA artificiale
composto solo da base
uracile.
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Il codice genetico
Codice degenerato: i codoni
per un amminoacido
differiscono per un solo
nucleotide finale.
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I ribosomi
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La sintesi proteica
La sintesi proteica richiede:
•RNA messaggero;
•ribosomi formati per 2/3 da RNA ribosomiale e 1/3 da
proteine;
•RNA di trasporto.
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La sintesi proteica
Gli RNA di trasporto sono 20:
la terminazione CCA in 3' lega
sempre un amminoacido;
anticodone complementare al
codone sull’mRNA;
amminoacil-tRNA-sintetasi:
catalizza il legame tra
amminoacido e tRNA.
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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.
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La sintesi proteica
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La sintesi proteica
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La sintesi proteica
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La sintesi proteica
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Le mutazioni geniche
Mutazione:
cambiamento nella
sequenza o nel numero
di nucleotidi di un acido
nucleico.
Nei gameti: trasmessa
alla progenie.
Nelle cellule somatiche:
trasmessa alle cellule
figlie.
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Le mutazioni geniche
Mutazioni puntiformi: sostituzione, aggiunta o perdita di
un singolo nucleotide.
Sostituzione
di senso: cambia l’amminoacido (per esempio, anemia
falciforme), può non avere effetti;
non senso: la mutazione genera un codone di stop (per
esempio, distrofia di Duchenne);
silente: l’amminoacido non cambia.
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Le mutazioni geniche
Con la perdita e aggiunta di uno
o più nucleotidi si sposta lo
schema di lettura delle
triplette: frameshift mutation.
Ne risulta una proteina spesso
diversa e non funzionale.
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Le mutazioni geniche
Cause comuni di mutazione
Descrizione
Spontanea
Errori nella duplicazione del DNA
Un errore della DNA polimerasi può
causare una mutazione puntiforme.
Prodotti metabolici tossici
Alcuni prodotti dei normali processi
metabolici (come i radicali liberi)
possono alterare la struttura del
DNA.
Cambiamenti nella struttura
nucleotidica
A volte il legame tra purine e
desossiribosio si può spezzare
spontaneamente, cambiamenti
nella struttura delle basi possono
causare appaiamenti scorretti
durante la duplicazione del DNA.
Trasposoni
Come vedremo, i trasposoni sono
brevi frammenti di DNA che si
possono inserire in vari punti del
genoma.
Indotta
Agenti chimici
Alcune sostanze chimiche (come i
benzopireni, presenti nel fumo di
sigaretta) possono cambiare la
struttura del DNA.
Agenti fisici
L’esposizione a raggi ultravioletti o
raggi X può danneggiare il DNA.
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Le mutazioni spontanee
vengono corrette
dall’attività degli enzimi
polimerasi.
Alcune mutazioni
provengono da processi
metabolici interni, altre
dall’ambiente: raggi X,
UV, materiali radioattivi
e sostanze chimiche
sono chiamati mutageni.
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