Presentazione Oceano

Il linguaggio della vita

Essendo un normale inquilino dell’intestino umano, E. Coli deve essere capace di adattarsi agli improvvisi cambiamenti del suo ambiente. La sua fonte di energia preferita è il glucosio, lo zucchero più facile da metabolizzare, inoltre il batterio può trovarsi improvvisamente sommerso dal latte, che contiene lo zucchero lattosio.

Per essere assorbito e metabolizzato da E. Coli, il lattosio deve subire l’azione di tre proteine una delle quali è la B-galattosidasi, un enzima che catalizza la scissione del legame tra i due monosaccaridi.

Questo è un disaccaride contenente una molecola di galattosio legata a una molecola di glucosio.

I geni che codificano i tre enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio E.coli sono un esempio di geni strutturali.

I tre geni condividono anche uno stesso promotore, ovvero la sequenza di DNA a cui si lega la RNA polimerasi; fra il promotore e i geni strutturali si trova un breve segmento di DNA definito operatore che lega una proteina regolatrice, il repressore. Esiste infine un sterminatore, cioè una sequenza che segnala alla RNA polimerasi che la trascrizione è terminata. I geni strutturali, il promotore, l’operatore e il terminatore costituiscono un unico blocco.

Geni strutturali

Promotore

Operone

Inoltre esistono due tipi di operoni: inducibili e reprimibili.

-Inducibili: dove il repressore blocca stabilmente l’operatore e viene rimosso solo quando giunge dall’esterno una molecola segnale chiamata induttore che ne causa il distacco;

Reprimibili: dove il repressore entra in funzione solo in presenza di una molecola esterna, chiamata corepressore, che lo rende capace di legarsi all’operatore.

L’operone che codifica le proteine coinvolte nel metabolismo del lattosio si chiama operone lac ed è un esempio di sistema inducibile.Questo produce gli enzimi necessari per l’utilizzo del lattosio da parte del batterio (Grazie all’inibizione del legame del repressore con l’operatore).

L'operone trp (=sistema reprimibile), che controlla la sintesi del triptofano, è un esempio di sistema reprimibile. La proteina repressore può bloccare il proprio operone soltanto se prima si è legata a un corepressore (=attivatore del repressore). Il triptofano inibisce il legame dell’mRNA polimerasi impedendo la trascrizione dei geni strutturali, quindi la sintesi degli enzimi coinvolti nella via metabolica del triptofano.

Gli organismi eucariotici presentano una varietà di forme molto superiore a quella dei procarioti. I regni degli eucarioti infatti sono quattro: protisti, funghi, piante e animali.

Genoma Eucariote

La sintesi dell’mRNA avviene nel nucleo, mentre la sintesi proteica ha luogo nel citoplasma; prima di uscire dal nucleo, l’mRNA subisce un processo di “maturazione”, assente nei procarioti.

Gli studi sul genoma eucariote hanno evidenziato che molti geni che codificano proteine contengono anche sequenze non codificanti, dette introni, intercalate ai tratti codificanti che sono chiamati esoni. I geni formati da esoni e introni sono chiamati geni interrotti.

Nel caso di geni interrotti, la produzione di mRNA comporta, oltre alla trascrizione, un passaggio ulteriore: la rimozione del trascritto primario di mRNA, definito pre-mRNA, dei trascritti degli introni e la successiva saldatura dei trascritti degli esoni. Questo passaggio avviene prima che l’mRNA maturo lasci il nucleo e si trasferisca nel citoplasma. Se le sequenze di RNA corrispondenti agli introni non venissero eliminate, il risultato sarebbe una proteina con una sequenza amminoacidica molto diversa, quasi sicuramente non funzionante.

La replicazione del DNA è semiconservativa: La conferma che il DNA si replica attraverso una replicazione semiconservativa si ebbe grazie agli studi dei genetisti Matthew Meselson e Franklin Stahl nel 1957.

Fasi replicazione del DNA

1)La doppia elica del DNA, con l’aiuto di specifici enzimi, si desacralizza e si rompono i legami a idrogeno tra basi appaiate.

2)I nucleotidi liberi si uniscono a ciascun nuovo filamento in crescita seguendo l’appaiamento per complementarietà con le basi del filamento stampo. La formazione dei legami fosfodiesterici è catalizzata dall’enzima DNA polimerasi.

Il cisplatino è una molecola che lega irreversibilmente i due filamenti di DNA, impedendo alle cellule cancerose di riprodursi. Tuttavia il cancro ai testicoli, che è la forma di cancro più diffusa tra gli uomini giovani, è uno dei pochi tumori facilmente curabili. La cura è basata principalmente su un farmaco chiamato cisplatino.

Il complesso di replicazione si lega al DNA in corrispondenza di una sequenza di basi, detta origine della replicazione.Le forcelle si allargano in senso circolare formando due molecole di DNA intrecciate, che poi vengono separate da un apposito enzima. Le DNA polimerasi lavorano molto rapidamente.

E’ necessario un filamento di avvio, detto primer (o innesco). Nella replicazione del DNA, il primer è un breve filamento singolo di RNA. Questo filamento di RNA (complementare al filamento stampo di DNA) è sintetizzato, nucleotide dopo nucleotide, da un enzima chiamato primasi. Al termine della replicazione il primer viene eliminato e sostituito dal DNA.

Le DNA polimerasi lavorano in una sola direzione, ovvero gli enzimi aggiungono nucleotidi solo all’estremità 3’ del primer fino al complemento della replicazione. La sintesi del filamento con l’estremità 3’ libera in corrispondenza della forcella procede in modo continuo: questo filamento è detto filamento veloce. La sintesi dell’altro filamento, detto filamento lento, procede in modo discontinuo e a ritroso, operando su segmenti isolati e relativamente piccoli. Per risolvere il problema vengono prodotti brevi segmenti discontinui, detti frammenti di Okazaki (dal nome del loro scopritore, il biochimico giapponese …) che poi vengono uniti insieme.

Le estremità dei cromosomi chiamate telomeri. Ad ogni ciclo di replicazione del DNA e divisione cellulare, il DNA teleferico può perdere da 50 a 200 coppie di basi; perciò, dopo 20-30 divisioni, i cromosomi non sono più capaci di partecipare alla divisione cellulare, e la cellula muore.

La perdita dei telomeri spiega in parte perché le cellule non durano per tutta la vita dell’organismo. Eppure alcune cellule che continuano a dividersi, come le cellule staminali del midollo osseo e le cellule produttrici dei gameti, conservano il loro DNA telomerico, che catalizza l’aggiunta della sequenza telomerica eventualmente persa.

Il meccanismo della replicazione del DNA, pur essendo molto preciso, non è perfetto.Innanzitutto la DNA polimerasi compie una quantità notevole di errori. Inoltre il DNA delle cellule che non sono in divisione è danneggiato da alterazioni chimiche naturali delle basi o da agenti ambientali. Per fortuna le celluile dispongono di almeno tre meccanismi di riparazione:

Una correzione di bozze che corregge gli errori a mano a mano che la DNA polimerasi li compie;

Una riparazione delle anomalie di appaiamento, che esamina il DNA subito dopo che si è replicato e corregge gli appaiamenti sbagliati;

Una riparazione per escissione, che rimuove le basi anomale dovute a una agente chicco e le sostituisce con basi funzionali.

Un DNA fragile aiuta l'evoluzione

Durante questo delicato processo possono avvenire errori che, contro ogni aspettativa aiutano l’evoluzione. Durante la replicazione, il DNA può andare in contro a differenti tipi di errori che sfuggono ai meccanismi di riparazione. Un errore di sintesi del nuovo filamento può provocare una mutazione del DNA. Questa modifica può non avere nessun effetto sull’organismo oppure determinare un cambiamento fenotipico.

Il processo di trascrizione è suddiviso in tre stadi: inizio, allungamento e terminazione. L’inizio richiede un promotore (o primer) una speciale sequenza di DNA alla quale si lega molto saldamente la RNA polimerasi. Ci sono differenze fra i promotori degli eucarioti e quelli dei procarioti.

Il messaggio contenuto nella molecola di RNA può essere visto come una serie lineare di parole di tre lettere. Ogni sequenza di tre basi è un’unità di codice, o codone, e specifica un particolare amminoacido. Ciascun codone è complementare alla corrispondente tripletta di basi nella molecola di DNA su cui è stato trascritto.

Il codice genetico non è però ambiguo: un amminoacido può essere specificato da più codoni, ma un codone può specificare un solo amminoacido.

La traduzione dell’mRNA in proteine richiede una molecola che metta in relazione l’informazione contenuta nei codoni dell’mRNA con specifici amminoacidi delle proteine. Questa funzione è svolta dal tRNA.

“Si carica” di un amminoacido

Si associa alle molecole di mRNA

Interagisce con i ribosomi

Un ruolo determinante nella sintesi proteica è svolto dai ribosomi. Essi sono strutture complesse in grado di assemblare correttamente una catena polipeptidica, trattenendo nella giusta posizione l’mRNA e i tRNA carichi.

Ogni ribosoma è costituito da due subunità, una maggiore e una minore che si uniscono solo durante la traduzione.

Come la trascrizione, anche la traduzione avviene in tre tappe: inizio, allungamento e terminazione.

Inizio

Allungamento

Terminazione

Tali proteine sono spedite nel nucleo, nei mitocondri, nei plastidi, oppure rimangono nel citosol.Una volta completata la propria sintesi all’interno del RER, queste proteine possono rimanere nel reticolo nedoplasmatico oppure raggiungere l’apparato di Golgi. Da lì potranno poi essere spedite ai lisosomi, alla membrana plasmatica o essere secrete dalla cellula mediante vescicole.

A mano a mano che emerge dal ribosoma, la catena polipeptidica si ripiega fino ad assumere la sua forma tridimensionale. Oltre a questa informazione strutturale, la sequenza amminoacidica di un polipeptide può contenere una sequenza segnale, una specie di “etichetta con l’indirizzo” che indica il punto della cellula dove dirigersi.

Negli organismi pluricellulari si riconoscono due tipi di mutazioni. -Le mutazioni somatiche: per esempio una mutazione in una singola cellula epiteliale umana può produrre una chiazza cutanea, che però non verrà trasmessa ai figli; -Le misurazioni nella linea germinale: Con la fecondazione, un gamete contenente una mutazione la trasmette al nuovo organismo.

• Le mutazioni puntiformi sono mutazioni di una singola coppia di basi;
• Le mutazioni cromosomiche sono alterazioni più estese;
• Le mutazioni del cariotipo riguardano il numero dei cromosomi presenti in un individuo.

Alcuni esempi di mutageni artificiali sono nitriti, usati per conservare le carni. Nei mammiferi i nitriti vengono convertiti nel ridicolo endoplasmatico liscio (REL) in nitrosammine, che sono fortemente mutagene. Un esempio di mutageno naturale è l’aflatossina, che è prodotta dalla muffa del genere Aspergillus. Quando i mammiferi ingeriscono questa muffa, l’aflatossina viene convertita nel reticolo endoplasmatico in un prodotto che lega la guaina e causa mutazioni.

Perdita di attività enzimatica. Nel 1934, nell’urina di due giovani fratelli con ritardo mentale fu trovato acido fenilpiruvico. La malattia era dovuta a un’anomalia in un singolo enzima, la fenilalalina idrossilasi (PAH). L’enzima non è attivo nel fegato dei pazienti affetti da PKU, con un conseguente eccesso di fenilalanina nel sangue. Nell’anemia falciforme un acido glutammico è sostituito da una valina. Questo cambia la carica della proteina (l’acido glutammico è carico negativamente mentre la valina è neutra), e le fa assumere la forma di un aggregato lungo a forma di ago, con la produzione di globuli rossi a forma di falce, incapaci di trasportare ossigeno.

La trisomia 8 detta anche sindrome di Wakany 2= la situazione spesso si conclude con un aborto spontaneo, tra i nati vii sono presenti ritardi mentali, anormalità cranio-facciali.

La trisomia 22 che causa la sindrome di Emanuel= grave disabilità cognitiva, dismorfismi facciali caratteristici (micrognatia, occhi socchiusi, rime palpebrali rivolte verso l’alto, occhi infossati).

In questi il promotore è una sequenza di DNA. Un promotore procariote possiede due sequenze fondamentali: la sequenza di riconoscimento, riconosciuta dall’RNA polimerasi, e il TATA box (ricco di coppie di basi AT).

Le radiazioni e le esplosioni delle bombe nucleari sono certamente pericolose. Anche la radiazione ultravioletta normale della luce solare può causare mutazioni, in questo caso interessando la timina e, in minor parte, le altre basi del DNA. Molte sostanze che causano il cancro (cancerogene) sono anche mutagene. Un esempio è il benzopirene che si trova nel catrame, nei fiumi esausti delle automobili, nel cibo cotto alla brace e nel fumo delle sigarette.

L’allungamento procede e nel sito A rimasto libero entra il tRNA carico, il cui anticodone è complementare al secondo codone dell’mRNA. Quindi la subunità maggiore catalizza due reazioni: -Nel sito P rompe il legame fra il tRNA e il suo amminoacido; -Catalizza la formazione di un legame peptidico fra questo amminoacido e quello attaccato al tRNA situato nel sito A. Dopo aver consegnato la propria metionina , il primo tRNA si sposta nel sito E, quindi si stacca dal ribosoma e torna nel citosol per caricarsi con un’altra metionina il secondo tRNA; che ora porta un dipeptide, slitta nel sito P, mentre il ribosoma si sposta di un codone lungo l’mRNA.

Le cose sono notevolmente diverse negli eucarioti. L’RNA polimerasi degli eucarioti non è in grado di legarsi, essa si lega al DNA soltanto dopo che sul cromosoma si sono associate varie proteine regolatrici dette fattori di trascrizione. Che vanno a formare il complesso di trascrizione.Dopo che l’RNA polimerasi si è legati al promotore, comincia il secondo stadio della trascrizione: l’allungamento. La RNA polimerasi apre il DNA e legge il filamento stampo in direzione 3’-5’. Come fa l’RNA polimerasi a sapere quando smettere di aggiungere nucleotidi al trascritto di RNA in crescita? Ci sono particolari sequenze di basi che ne stabiliscono la terminazione (terzo stadio della trascrizione).

La DNA ligasi, che unisce i frammenti producendo un filamento lento completo.

La traduzione dell’mRNA incomincia con la formazione di un complesso di inizio, costituito da un tRNA caricato con il primo amminoacido della catena polipeptidica (la metionina) e da una subunità ribosomiale minore, entrambi legati all’mRNA.Dopo che il tRNA caricato con metionina si è legato all’mRNA, la subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso. A questo punto il tRNA caricato con metionina scorre nel sito P del ribosoma, mentre il sito A si allinea al secondo codone dell’mRNA.

Il protocollo di Monreal è l’unico accordo sull’ambiente firmato da tutti i membri delle Nazioni Unite. Vieta i clorofluorocarburi e altre sostanze che causano l’assottigliamento dello strato di ozono nell’alta atmosfera terrestre.

I genomi degli organismi eucarioti sono pieni di sequenze ripetute. -Le sequenze altamente ripetute sono brevi (meno di 100 bp) ripetute migliaia di volte. Altre altamente ripetute si trovano sparse nel genoma: per esempio, i cosiddetti microsatelliti (Short Tandem Repeats, STR). Il numero di copie di un STR varia da persona a persona ed è ereditario, perciò si può usare per stabilire l’identità di un individuo; -Le sequenze moderatamente ripetute; -I trasposoni: l’inserzione di un trasposone può avere conseguenze importanti, per esempio produrre una mutazione…;

La terminazione avviene quando nel sito A entra uno dei tre codoni di stop. Questi codoni, UAA, UAG e UGA, non codificano nessun amminoacido e non si legano a un tRNA, ma a un fattore di rilascio che consente l’idrolisi del legame fra la catena polipeptidica e il tRNA nel sito P.A questo punto il polipeptide appena terminato si separa dal ribosoma.

Per farle crescere in laboratorio, i microbiologi hanno definito i bisogni nutrizionali di numerose specie batteriche e hanno sviluppato terreni di coltura diversi a seconda di tali esigenze. Un terreno di coltura tipico contiene una fonte di carbonio (per esempio uno zucchero), nutrienti come azoto e fosforo, vitamine e ioni; questo terreno è detto terreno minimo e permette la crescita di batteri che presentano genotipo selvatico, cioè il genotipo più comune in natura.

Nella provetta si inseriscono pochi batteri che si dividono e aumentano di numero fino a quando i nutrienti non si esauriscono o i prodotti di rifiuto del metabolismo non raggiungono livelli di tossicità. In alternativa si possono coltivare i batteri su piastre di Petri, in un terreno reso solido grazie all’aggiunta di agar, un polisaccaride ricavato dalle alghe.

La rimozione degli introni e la giustapposizione degli esoni avviene attraverso un processo definito splicing dell’RNA, in cui intervengono particolari ribonucleoproteine nucleari chiamate snRNP (che in inglese di pronuncia “snurp”). La maturazione del trascritto primario comporta anche l’aggiunta di un piccolo “cappuccio” all’estremità 5 e di una lunga “coda” all’estremità 3. Cappuccio e coda servono per facilitare il legame con i ribosomi e per proteggere l’mRNA dall’attacco degli enzimi idrolitici presenti nel citoplasma che potrebbero degradarlo.

La configurazione della molecola di tRNA è perfettamente adattata alle interazioni con speciali siti di legame sui ribosomi. All’estremità 3’ di ogni molecola di tRNA si trova un sito di attacco per l’amminoacido.Verso la metà della sequenza del tRNA c’è un gruppo di tre basi, chiamato anticodone, che costituisce il sito di appaiamento fra basi complementari con l’mRNA.

Le mutazioni silenti non producono cambiamenti nella sequenza amminoacidica. Le mutazioni di senso, diversamente dalle mutazioni silenti, alcune sostituzioni di base modificano il messaggio genetico. Un esempio particolare di mutazione di senso riguarda l’allele responsabile di un tipo di anemia, l’anemia falciforme, dovuto a un difetto nell’emoglobina. L’allele falciforme del gene che codifica una subunità dell’emoglobina differisce dall’allele normale per una sola base, perciò codifica un polipeptide che ha un solo amminoacido diverso dalla proteina normale. Le mutazioni non senso hanno un effetto più distruttivo delle mutazioni di senso. In questa infatti la sostituzione della base fa sì che nell’mRNA risultante si formi un codone di stop, come per esempio UAG. Porta alla sintesi di una proteina più breve del normale, che normalmente non è attiva.

• Una mutazione silente non ha effetto sulla funzione della proteina. Le mutazioni silenti sono comuni e forniscono una variabilità genetica negli organismi.
• Una mutazione con perdita di funzione danneggia la funzione della proteina.
• Una mutazione con acquisto di funzione produce una proteina con una funzione alterata. Questo tipo di mutazione è comune nei tumori; per esempio, ci sono mutazioni che stimolano costantemente e in modo incontrollato la divisione cellulare.

La d’elezione di un intero cromosoma X causa la sindrome di Turner, con nascita di femmine X0. La corrispondente sindrome di Klinefelter deriva invece da una non-disgiunzione e porta alla nascita di maschi XXY.

Le telomerasi possono essere importanti nella lotta contro il cancro. Questo enzima è presente in oltre il 90% delle cellule tumorali umane ed è indispensabile a queste cellule per dividersi in modo continuo. La telomerasi rappresenta un bersaglio promettente per i farmaci antitumorali.

Questo agisce inibendo la replicazione del DNA: Infatti un' evento essenziale per la divisione cellulare è la replicazione completa e precisa del materiale genetico. I due filamenti di DNA si svolgono e si separano e ogni filamento funge da stampo per la costruzione del nuovo filamento. Il cisplatino contiene un atomo di platino legato a due gruppi amminici e a due atomi di cloro.

Sulla subunità maggiore del ribosoma si trovano tre siti di legame per i tRNA. Un tRNA carico scorre tra un sito e l’altro seguendo un ordine preciso.Nel sito A (amminoacilico) l’anticodone del tRNA carico si lega al codone dell’mRNA; Nel sito P (peptidilico) il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in crescita; Nel sito E (dall’inglese exit, uscita) viene a trovarsi il tRNA che ha ormai consegnato il proprio amminoacido, prima di staccarsi dal ribosoma, tornare nel citosol e raccogliere un’altra molecola di amminoacido per ricominciare il processo.

Il primo evento è lo svolgimento e la separazione (denaturazione) dei filamenti di DNA. Un gruppo di proteine, le topoisomerasi, agiscono modificando l’avvolgimento della molecola di DNA e consentendone il rilassamento. Successivamente l’enzima chiamato DNA elicasi utilizza l’energia ottenuta dall’idrolisi dell’ATP per separare i due filamenti rompendo i legami deboli che li tengono uniti, come legami a idrogeno e forze di Van Der Waals. Dopo che i filamenti sono stati separati, le proteine leganti il singolo filamento (SSB) si legano ai filamenti svolti per impedire che si riassocino in una doppia elica.

Le mutazioni cariotipiche si verificano quando un organismo presenta dei cromosomi in più o dei cromosomi in meno rispetto al normale. Se sono presenti interi corredi cromosomici in più o in meno si parla di euplodia aberrante, se invece è solo una parte del corredo cromosomico a essere in eccesso o in difetto, l’anomalia è chiamata aneuploidia.

Aneupoiedia più frequenti sono la mancanza di un cromosoma da una coppia di omologhi (monosomia) oppure la presenza di un cromosoma in più in una coppia (trisomia). Pochi riescono a superare i primi mesi di vita.

Il caso più frequente è la trisomia 21, chiamata sindrome di Down.

La sindrome Patau (trisomia 13)

La sindrome di Edwards (trisomia 18)

Le mutazioni cromosomiche, in genere prodotte da agenti mutageni e da grossolani errori nella duplicazione dei cromosomi, possono essere di quattro tipi:-La delezione rimuove parte del materiale genetico. Le sue conseguenza possono essere gravi;-La duplicazione, un segmento di DNA ne conterrà due copie;-Anche l’inversione può essere il risultato della rottura di un cromosoma, seguita da un ricongiungimento errato;-Traslocazione quando un segmento di DNA si distacca dal proprio cromosoma e va a inserirsi in un cromosoma diverso.

XYY, sindrome 47, XYY= in questa sindrome i maschi ricevono un cromosoma Y soprannumerario; dal punto di vista clinico è caratterizzata da alta statura evidente sin dall’infanzia, macrocefalia, dimorfismi facciali (opertelorismo lieve, orecchie a basso impianto, regione malare lievemente appiattita), ritardo del linguaggio e rischio maggiore di difficoltà sociali ed emotive, disturbo da deficit di attenzione/iperattività e disturbo dello spettro autistico.

XXX, sindrome della tripla X= nel 70% dei casi, può essere evidente un disturbo del linguaggio. Quasi il 50% delle bambine presenta una statura superiore al 90% dovuta primariamente ad un’aumentata lunghezza degli arti inferiori. Nell’età adulta le donne mostrano un buon inserimento sociale, il quoziente intellettivo è alla norma.