da mendel ai giorni nostri passando per diverse...
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Gene = Unita’ dell’informazione genetica,definibile a due livelli, in base a 3 criteri
1. Unita’ di materiale genetico checontrolla l’eredita’ di un carattere
2. Unita’ di ricombinazione3. Unita’ di mutazione STRUTTURALE
FUNZIONALE
Teoria perle di una collana, considerate comeunità indivisibili
Fino al 1940
Gene = Unita’ di funzione = Unita’ di informazione genetica che controlla
la sintesi di una catena polipeptidica
Gene suddivisibile sia per ricombinazione che per mutazione
Unita’ di struttura =singola coppia di nucleotidi
un gene mutante = un blocco metabolico (Garrod, 1900)
un gene = un enzima (Beadle e Tatum, 1942)
un gene = una catena polipeptidica
Archibald Garrod (1902)I geni possono controllare le reazioni metaboliche
Alcune malattie ereditarie umane dovute a mutazionirecessive consistono in difetti metabolici
es. fenilchetonuria (allele autosomico recessivo)incapacità di convertire la fenilalanina in tirosina. La
fenilalanina si accumula nei tessuti e si trasforma in uncomposto tossico, l’acido fenilpiruvico
Fenilalanina
Tirosina
Melanina
Acido omogentisinico (HA)
Alcaptonuria
CO2+ H2O
Albinismo
fenilchetonuria
Beadle e Tatum (anni ‘40)
indussero vari tipi di mutanti auxotrofi di Neurosporacon raggi X (es met-, arg-, gli- etc.)
Queste richieste auxotrofiche venivano ereditate comemutazioni in un singolo gene
Beadle e Tatum studiarono i mutanti cherichiedevano arginina (arg-) e mapparono i genicorrispondenti. Trovarono tre diversi geni arg :arg1, arg2 e arg3
I mutanti arg1-, arg2- e arg3- differivano per larisposta a due sostanze chimiche simili all’arginina:l’ornitina e la citrullina
i mutanti arg1- crescevano in presenza di argininaoppure di ornitina o di citrullina
i mutanti arg2- crescevano in presenza o di argininao di citrullina
i mutanti arg3- crescevano solo in presenza di arginina
All’epoca si sapeva già che all’internodella cellula sostanze chimiche simili
possono essere convertite una nell’altradagli enzimi
Beadle e Tatum ipotizzarono che ad opera di enzimi unprecursore potesse essere convertito in ornitina che a suavolta poteva essere convertita in citrullina e infine inarginina
Beadle e Tatum proposero il seguente modellobiochimico per la sintesi dell’arginina:
precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z
Beadle e Tatum ipotizzarono che nei mutanti arg1 fossedifettivo l’enzima che converte il precursore in ornitina, neimutanti arg2 l’enzima che converte l’ornitina in citrullina e neimutanti arg3 l’enzima che converte la citrullina in arginina
precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z
arg1+ arg2+ arg3+
precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z
arg1- arg2+ arg3+
precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z
arg1+ arg2+ arg3-
precursore ornitina citrullina argininaenzima X enzima Y enzima Z
arg1+ arg2- arg3+
Epistasi :Più geni influenzano un carattere
L’allelle di un gene domina sugli altri geni
Colore dell’occhio in Drosophila:
Precursorebianco
Enzima w
Precursoremarrone
Enzima bw
rosso
Occhio bianco Occhio marrone
white è epistatico su brown
Sulla base dei risultati ottenuti Beadle e Tatum formularono
l’ipotesi “UN GENE-UN ENZIMA” ovveroi geni sono responsabili della produzione
degli enzimi
Successivamente Ingram (1957, studi sull’emoglobina)dimostrò che i geni sono responsabili della produzione
delle proteine (e non solo degli enzimi)
Ingram nel 1957 determinò la sequenza dell’emoglobinanormale e di quella presente in pazienti omozigoti per il
gene mutante che causa l’anemia a cellule falciformi(recessivo autosomico)
Nell’Emoglobina S nella posizione 6 c’è una valina al postodell’acido glutammico
Una mutazione in un gene determina la sostituzione di unsingolo amminoacido
I geni determinano la struttura primaria, cioèla sequenza di aminoacidi, delle proteine,
Le proteine sono macromolecole composte di aminoacidilegati in una struttura lineare: la catena polipetidica
Colinearità tra gene e proteina
Yanofsky mappò alcune mutazioni all’interno delgene della triptofano sintetasi di Escherichia colied esaminò le proteine prodotte dai mutanti
La sequenza lineare dei nucleotidi in un gene determina la sequenza lineare degli aminoacidi
nella proteina corrispondente
Yanofsky osservò che l’ordine delle mutazioni sul genecorrispondeva all’ordine degli aminoacidi mutati
nelle proteine
Come fanno i geni (cioè il DNA)a controllare
la sequenza delle proteine?
Pertanto dimostrò la colinearità tra i geni e
le proteine corrispondenti
La trascrizione è il processo con cui l’informazione ereditariaviene trasferita dal DNA all’RNA. La traduzione è il processocon cui l’informazione viene trasferita dall’RNA alle proteine
trascrizione traduzione
Trascrizione: RNA polimerasi e mRNA
Traduzione: mRNA, ribosomi, tRNAs
L’RNA
E’ una catena polinucleotidica asingolo filamento in cui è presente
lo zucchero ribosio al posto deldesossiribosio e l’Uracile al posto
della Timina
I promotori sono sequenze a monte dei geni chedefiniscono dove deve iniziare la trascrizione.
I terminatori indicano dove deve terminare latrascrizione
La trascrizione viene effettuata dallaRNA polimerasi
• RNA polimerasi I per la sintesi dell’RNA ribosomale (rRNA)
• RNA polimerasi II per la sintesi dell’RNA messaggero (mRNA)• RNA polimerasi III per la sintesi dell’RNA transfer (tRNA)
Negli eucarioti ci sono 3 diverse RNA polimerasi:
Nei procarioti esiste solo una RNA polimerasi che trascrivetutti i geni
Negli eucarioti, prima di passare nelcitoplasma, l’RNA deve essere
modificato mediante una serie di eventinoti come processo di maturazione
dell’RNA
- Aggiunta del cappuccio al 5’ (guanina + 2 gruppi metilici(sito di inizio traduzione)
- Processamento degli introni
- Aggiunta coda poli-A al 3’
La decifrazione delcodice genetico
Come si passa da una sequenza di nucleotidi alla sequenza di aminoacidi di una proteina
formula di un aminoacido H2N-CHR-COOH
esistono 20 aa ciascuno con un diverso gruppo R
Numero di nucleotidi che specificano un aminoacido
4 basi azotate (A,T,C,G) e 20 aminoacidi. Un codice di duenucleotidi genererebbe solo 16 (42) “parole” diverse.
Un codice a triplette porta alla formazione di 64 (43)“parole”
più di una tripletta deve specificare per una datoaminoacido (il codice è degenerato)
Dato che gli aminoacidi sono 20
Il codice genetico
Non si legge a sovrapposizione.
Esame di proteine mutate: una mutazione altera solo unaminoacido per volta in una data regione della proteina.
Se il codice fosse a sovrapposizioni la sostituzione di unasingola base potrebbe cambiare fino a tre aminoacidi
adiacenti nella sequenza della proteina
GTT ACT TTCaa1
aa2aa3
GTC ACT TTCaa1
aa2aa3
seT muta a C
Sintesi di mRNA poliU perdare significato allatripletta UUU
Costruzione di mini mRNAdi tre nucleotidi
Il codice genetico è stato decifratousando vari sistemi di sintesi proteicain vitro
è letto a triplette senza sovrapposizioni
più codoni possono specificare lo stesso aminoacido (ilcodice è degenerato)
esiste un codone di inizio AUG che codifica per lametionina (se inserita all’inizio è formilata nei procarioti)
esistono tre codoni di stop: UAG UGAe UAA
è universale
Caratteristiche del codice genetico
I geni per l’RNA ribosomale e per gli RNA transfernon codificano per proteine, ma per molecole di RNAche hanno un ruolo strutturale.
L’RNA ribosomale insieme alle proteine ribosomalicostituisce i ribosomi (organelli deputati alla sintesidelle proteine)
L’RNA transfer porta gli amminoacidi ai ribosomi persintetizzare le proteine
sito di legame dell’amminoacido
sito di riconoscimento delcodone (alanina)
Struttura a trifoglio del tRNA
Esistono meno di 64 tRNA perchè in alcuni casi lostesso tRNA può leggere più di un codone che
codifica per lo stesso amminoacido
Ciò è possibile per il vacillamento (oscillazione)
della terza base dell’anticodone
Inizio della traduzioneUn ribosoma si attacca alla molecola di mRNA in corrispondenza dellatripletta di inizio AUG. Su questo codone AUG si lega il tRNA conl’anticodone corrispondente che porta la metionina (N-formil metioninanei procarioti)
Sintesi della proteinaEntra il tRNA corrispondente al secondo codone e si forma il legamepeptidico (peptidil-transferasi) tra la metionina iniziale e il secondoaminoacido. Il ribosoma si sposta sull’mRNA permettendo che una solatripletta alla volta sia disponibile all’attacco col tRNA specifico. Manmano che il ribosoma si sposta si ha l’allungamento della catenaproteica
Termine della traduzioneQuando il ribosoma raggiunge le triplette di stop (UAG,UAA,UGA) sistacca dall’mRNA e la catena polipetidica viene rilasciata