Il linguaggio della vita
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Capitolo B2
Sadava et al. La nuova biologia.blu © Zanichelli 2016
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1-Le basi molecolari dell’ereditarietà
Prima della scoperta del materiale ereditario si ipotizzava che esso dovesse:
Nel 1869 venne osservato per la prima volta il DNA�e venne denominato nucleina.
Dopo la scoperta del materiale ereditario furono necessari altri esperimenti per chiarire che è il DNA, e non le proteine, il depositario dell’informazione genetica.
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1-Le basi molecolari dell’ereditarietà
A inizio Novecento Griffith scoprì che il fattore di trasformazione estratto da batteri virulenti morti era in grado di rendere virulento un ceppo di batteri innocui, mentre Avery identificò la natura chimica del fattore di trasformazione. Questa scoperta fu confermata da Hershey e Chase attraverso l’uso di batteriofagi marcati con isotopi radioattivi di zolfo e fosforo.
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1-Le basi molecolari dell’ereditarietà
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Fattore di trasformazione è il nome dato da Frederick Griffith al materiale ereditario nel 1928.
L’esperimento di Griffith
Conclusione:
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Nel 1944 Oswald Avery dimostrò che il fattore di trasformazione era il DNA.
Tuttavia si riteneva il DNA troppo semplice, rispetto alle proteine, per essere il materiale genetico.
L’esperimento di Avery
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Nel 1952 Alfred D. Hershey e Martha Chase dimostrarono definitivamente che il materiale genetico è costituito dal DNA e non dalle proteine.
Gli esperimenti
di Hershey e Chase
Utilizzando i batteriofagi, Hershey e Chase conclusero che era il DNA a entrare nei batteri, modificandone il programma genetico.
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Gli esperimenti di Rosalind Franklin con la cristallografia ai raggi X dimostrarono la forma elicoidale della molecola di DNA.
2-La struttura elicoidale del DNA
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La composizione chimica del DNA
Il DNA è un polimero composto da nucleotidi.
Ogni nucleotide è formato da:
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La composizione chimica del DNA
Chargaff scoprì la regolarità nei rapporti tra le basi azotate: in tutte le specie la quantità di l’adenina (A) è uguale alla quantità della timina (T) (A=T), e la quantità di guanina (G) è uguale alla quantità di citosina (C) (G=C).
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La regola di Chargaff
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Nel 1953 Watson e Crick, a partire dai dati forniti da Chargaff, proposero per il DNA un modello tridimensionale con struttura a doppia elica.
Il modello a doppia elica
giro completo
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Struttura a doppia elica del DNA.
Le due catene sono antiparallele.
Il modello a doppia elica
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La struttura del DNA
La molecola del DNA presenta tre caratteristiche importanti:
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Avvolgimento destrogiro
Solco maggiore
Solco minore
C
3’
A
T
C
G
T
A
G
C
3’
5’
5’
3’
Struttura del DNA
legami covalenti
Legami a idrogeno
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La struttura del DNA
La struttura del DNA spiega due importanti funzioni. L’informazione genetica è depositata nella parte variabile della molecola, ovvero le basi azotate, e la complementarietà delle basi rende semplice ed efficace il meccanismo di duplicazione.
parte variabile della molecola
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3- Il DNA è in grado di replicarsi
Esistevano diverse teorie circa il metodo di duplicazione del DNA. I risultati sperimentali dimostrarono che la duplicazione è semiconservativa.
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La duplicazione del DNA
La duplicazione del DNA è semiconservativa: ogni filamento parentale funziona da stampo per la sintesi di un filamento nuovo. A partire dall’origine della duplicazione (ori) alcuni enzimi aprono la doppia elica formando due forcelle di duplicazione.
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La duplicazione del DNA
La duplicazione del DNA richiede precise condizioni�e si svolge in due fasi:
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L’allungamento del DNA
Il DNA si replica solo in presenza di un grosso complesso di replicazione costituito da diverse proteine con funzioni differenti.
Il complesso di duplicazione
DNA polimerasi
Una volta rotti i legami ad idrogeno tra le basi azotate interviene la DNA elicasi che apre la doppia elica e consente la duplicazione.
Il complesso di duplicazione è formato da una serie di proteine che lavorano in sequenza. Molti di questi sono enzimi come l’elicasi che denatura i due filamenti del DNA.
1) La primasi sintetizza un breve primer di RNA, complementare al filamento di DNA, che permette l’inizio della DNA polimerasi III.
2) La DNA polimerasi III lega un nucleotide alla volta al nuovo filamento aggiungendo nucleotidi all’estremità 3’ del primer.
Il complesso di duplicazione
La DNA polimerasi III presenta una limitazione, per incominciare deve aggregarsi ai primer di RNA 3’-OH libero che attiva l’enzima della DNA polimerasi.
Il complesso di duplicazione
3) La DNA polimerasi I sostituisce i primer di RNA con tratti di DNA (ha anche meccanismo di riparazione).
4) La DNA ligasi unisce i vari frammenti di DNA prodotti, creando un filamento unico.
5) La Telomerasi sostituisce i primer di RNA con tratti di DNA che si trovano nelle parti terminali e iniziali del DNA.
Il complesso di duplicazione
3’
5’
5’
3’
Primer RNA
RNA
RNA
5’
3’
5’
3’
Direzione di duplicazione
DNA Elicasi
DNA Polimerasi III
DNA Polimerasi I
Primasi
DNA Ligasi
Frammento
di Okazaki
Il complesso di duplicazione
DNA
5’
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Il complesso di duplicazione
La duplicazione sui due filamenti procede in modo diverso: è continua sul filamento veloce (che ha l’estremità 3’ libera), mentre è discontinua e procede a ritroso sul filamento lento (che ha l’estremità 5’ libera). Nel caso del filamento lento vengono sintetizzati molti primer seguiti da frammenti di Okazaki, che sono poi uniti dall’enzima DNA ligasi.
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Numerose proteine, oltre alla DNA polimerasi,�sono coinvolte nella duplicazione del DNA.
Il complesso di duplicazione
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Le forcelle di duplicazione
Il complesso di duplicazione avvia la sintesi di DNA da un punto specifico chiamato ori.
Da questo punto il DNA comincia a svolgersi in due forcelle di replicazione distinte, che faranno entrambe da stampo ai nuovi filamenti.
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Da questo punto il DNA inizia a svolgersi in due forcelle di duplicazione distinte.
Le forcelle di duplicazione
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I filamenti si formano diversamente
La DNA polimerasi aggiunge nucleotidi solo all’estremità 3'.
Dunque la duplicazione è continua sul filamento veloce, ma discontinua e procede a ritroso sul filamento lento.
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La duplicazione del filamento lento
La parte terminale del DNA -I telomeri
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Nella maggior parte delle cellule, i cromosomi si accorciano a ogni replicazione. Per questo, in molti eucarioti le estremità dei cromosomi portano sequenze ripetitive chiamate telomeri.
Nelle cellule staminali le telomerasi estendono il telomero e impediscono l’accorciamento del cromosoma.
La DNA polimerasi I non riesce a convertire la parti terminali dei primer di RNA in DNA che si trovano all’estremità del DNA. Queste parti terminali corrispondono ai telomeri.
I telomeri proteggono il DNA all’estremità.
La parte terminale del DNA -I telomeri
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5’
Telomero
3’
RNA
3’
5’
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I telomeri costituiscono un orologio cellulare
I telomeri sono sequenze ripetitive all’estremità dei cromosomi di molti eucarioti (timina e guanina).
A ogni duplicazione i telomeri si accorciano perché il DNA del filamento stampo non replicato all’estremità 3' viene rimosso.
Nelle cellule staminali le telomerasi usano un RNA stampo per estendere il telomero ed evitare l’accorciamento del cromosoma.
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I meccanismi di riparazione del DNA
Il DNA è soggetto ad alterazioni che possono essere riparate grazie a tre meccanismi di riparazione:
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Correzione di bozze
La correzione di bozze (proofreading) corregge gli errori a mano a mano che la DNA polimerasi li compie.
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Riparazione dei disappaiamenti
Nella riparazione delle anomalie di appaiamento (mismatch repair) alcune proteine in grado di distinguere il filamento nuovo dal filamento stampo controllano il DNA appena duplicato e correggono gli appaiamenti sbagliati.
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Riparazione per escissione
Nella riparazione per escissione appositi enzimi controllano il DNA quando non si sta duplicando alla ricerca di alterazioni nell’appaiamento o nella struttura delle basi, in tal caso eliminano i pezzi di filamento difettoso e li sostituiscono.
Le molecole di DNA si possono danneggiare anche durante la vita della cellula a causa delle radiazioni ad alta energia.
4. Il materiale genetico e l’evoluzione della vita
L’ipotesi del mondo a RNA sostiene che la prima molecola in grado di autoreplicarsi fosse l’RNA.
I ribozimi sono molecole di RNA con capacità di catalizzare alcune reazioni.
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EVOLUZIONE
EVOLUZIONE
Secondo alcune teorie, all’origine della vita esistevano ribozimi in grado di autocatalizzare la loro stessa sintesi.
4. Il materiale genetico e l’evoluzione della vita
Il probabile passaggio dall’RNA al DNA ha permesso una maggiore stabilità del materiale ereditario, ma mantenere un certo livello di instabilità è fondamentale per l’evoluzione della vita.
Un DNA che subisce errori e modificazioni durante la replicazione crea variabilità su cui può agire l’evoluzione attraverso la selezione naturale.
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