Test 5 (libro Genetica U1 e U2) Flashcards
(41 cards)
Cosa sono DNA e RNA?
DNA e RNA sono acidi nucleici costituiti da lunghe catene (o polimeri) di unità chimiche (monomeri) ripetute e legate tra loro, dette nucleotidi.
Descrivi il DNA
Un singolo filmaento di DNA è detto polinucleotide. Ogni nucleotide include 3 componenti: una base azotata, uno zucchero e un gruppo fosfato.
Il DNA è costituito da 4 diversi tipi di nucleotidi, che differiscono tra loro solo per la base azotata: adenina (A), citosina (C), timina (T) o guanina (G).
Descrivi i legami che tengono unito il DNA
Ogni filamento di DNA è costituito da nucleotidi uniti tramite un particolare legame covalente, detto fosfodiesterico.
Questo legame si forma tra il carbonio in posizione 5’ (carbionio 5’) di uno zucchero e il gruppo fosfato legato al carbonio in posizione 3’ (carbonio 3’) dello zucchero successivo: ne risulta pertanto che ogni filamento avrà a un’estremità il gruppo ossidrile (-OH) del carbonio 3’ e all’altra estremità il gruppo fosfato (–OPO3-) del carbonio 5’.
La struttura risultante da questa disposizione, detta scheletro zucchero-fosfato, si ripete per tutta la lunghezza del polinucleotide; da questo scheletro sporgono le basi azotate.
Descrivi il gruppo fosfato del DNA ed il suo ruolo.
Il gruppo fosfato ha un atomo di fosforo (P) al centro che ha una carica negativa e determina il carattere acido di questi polimeri.
Descrivi lo zucchero del DNA ed il suo ruolo.
Lo zucchero ha cinque atomi di carbonio, quattro nell’anello e uno posizionato esternamente rispetto al piano dell’anello: a un vertice della struttura si trova un atomo di ossigeno.
Nel DNA lo zucchero è il desossiribosio che, rispetto al ribosio (dell’RNA), ha un atomo di ossigeno in meno (l’atomo di carbonio in posizione 2’ è legato a un H, invece che a un gruppo -OH, come nel ribosio).
Il nome esteso del DNA è, dunque, acido desossiribonucleico, dove il termine “nucleico” ricorda la localizzazione del DNA nel nucleo delle cellule eucariote.
Descrivi la base azotata del DNA ed il suo ruolo.
La base azotata ha un anello costituito da atomi di azoto e carbonio, cui sono uniti vari gruppi funzionali.
A differenza del gruppo fosfato, che è acido, le basi azotate contengono un gruppo -NH che conferisce loro carattere basico, e si lega allo zucchero attraverso un legame glicosidico.
La loro struttura chimica è riconducibile a due tipologie: la timina (T) e la citosina (C) sono strutture ad anello singolo (esagonale) chiamate pirimidine; l’adenina (A) e la guanina (G) sono strutture più grandi, con un doppio anello (un esagono e un pentagono), chiamate purine.
Le stesse abbreviazioni possono essere usate per indicare le singole basi oppure i nucleotidi che le contengono.
Quali sono le differenze tra DNA e RNA?
Come indicato dal nome, l’acido ribonucleico (o RNA) è costituito dallo zucchero ribosio (Figura 6) che contiene un atomo di ossigeno in più rispetto al desossiribosio.
Un’altra differenza tra RNA e DNA è data dalla presenza nell’RNA, al posto della timina, di una base azotata chiamata uracile (U), che ha una struttura molto simile a quella della timina.
Il DNA ha un struttura a doppio filamento, l’RNA a singolo filamento.
Il dna si trova solo nel nucleo, l’RNA anche nel citoplasma.
Il dna è un depositario di informazione genetica,
RNA è un intermediario tra il dna e la costruzione di proteine specifiche.
Parlami dell’appaiamento delle basi azotate.
Ogni base ha gruppi funzionali laterali che tendono a formare legami idrogeno più facilmente solo con un partner appropriato.
L’adenina forma legami idrogeno con la timina, e la guanina con la citosina.
Usando le abbreviazioni: A si appaia con T e G con C; le basi complementari del DNA sono dunque A-T e G-C.
Adenina e timina formano due legami idrogeno, mentre citosina e guanina ne formano tre; questo rende il legame tra A e T più debole e più facile da spezzare rispetto a quello tra C e G.
Le due catene sono antiparallele (orientate in direzioni opposte): I due scheletri zucchero-fosfato sono orientati in direzioni opposte come è evidente dal capovolgimento dello zucchero nel filamento 3’-5° (a destra).
Qual’è modello della duplicazione del DNA è risultato essere valido? Spiegalo brevemente.
Secondo l’ipotesi di Watson e Crick, la cellula dovrebbe applicare lo stesso principio di complementarità quando duplica il proprio genoma.
I due filamenti di DNA originario si separano e ognuno di essi diventa uno stampo per l’assemblaggio di un filamento complementare a partire da una riserva di nucleotidi liberi disponibili.
I nucleotidi si allineano uno alla volta lungo il filamento stampo, seguendo la regola dell’appaiamento delle basi.
Appositi enzimi uniscono poi i nucleotidi formando il nuovo filamento di DNA.
Le nuove molecole, identiche alla molecola originaria, sono chiamate molecole “figlie”.
Il modello di Watson e Crick prevede che quando una doppia elica si duplica, ognuna delle molecole figlie sia costituita da un vecchio filamento, appartenente alla molecola originaria, e da uno nuovo.
Questo modello di duplicazione è noto come modello semiconservativo, perché in ogni molecola figlia viene conservata metà della molecola originaria.
È risultato essere valido.
Come comincia la duplicazione del DNA?
Il processo di duplicazione del DNA ha inizio in particolari siti, detti punti di origine della duplicazione (ori), che sono tratti di DNA con una caratteristica sequenza di nucleotidi, in corrispondenza dei quali gli enzimi si attaccano all’acido nucleico e separano i filamenti della doppia elica.
La duplicazione procede quindi in entrambe le direzioni, dando origine a bolle di duplicazione: i filamenti del DNA originario si dividono a mano a mano che i filamenti di nuova sintesi si allungano su entrambi i lati di ogni bolla.
All’estremità di ogni bolla si trova una forcella di duplicazione, ossia un primo tratto di DNA, a forma di Y, con i due filamenti originari separati.
Il cromosoma di E. coli, come molti altri cromosomi batterici, è circolare, e la duplicazione ha origine in un solo punto: si forma quindi un’unica bolla di duplicazione.
Il processo avanza in entrambe le direzioni fino a che l’intera molecola non viene duplicata.
Nel cromosoma di una cellula eucariote, invece, ci possono essere centinaia o perfino alcune migliaia di punti di origine, dai quali la duplicazione può partire simultaneamente.
Si formano così altrettante bolle, che finiscono per fondersi l’una con l’altra, accelerando in questo modo la copia delle lunghe molecole di DNA.
Spiega il complesso di duplicazione del DNA.
Nella duplicazione del DNA entrano in gioco numerosi enzimi e altre proteine: si parla pertanto di complesso di duplicazione.
Inizialmente, diversi tipi di proteine partecipano allo svolgimento della doppia elica (Figura 14).
L’elicasi è una proteina in grado di svolgere e di aprire la doppia elica in corrispondenza della forcella di duplicazione, utilizzando energia (proveniente dall’ATP) e rompendo i legami idrogeno tra le basi appaiate.
Per evitare che, a seguito del taglio, i due filamenti si ricongiungano, intervengono le proteine destabilizzatrici dell’elica, che mantengono distaccati i due filamenti.
Questo origina una torsione nei filamenti a monte della forcella, che aumenta man mano che avanza l’elicasi.
Quindi, entrano in gioco gli enzimi topoisomerasi, che tagliano i filamenti di DNA oltre la forcella, in modo che possano ruotare su se stessi, rimuovendo la torsione; in seguito, i filamenti sono ricuciti da altri enzimi.
A questo punto si è formata la forcella di duplicazione, un primo tratto di DNA con i due filamenti separati e rilassati (senza superavvolgimenti), e può avere inizio la sintesi dei filamenti complementari.
Tuttavia, gli enzimi che sintetizzano il DNA (chiamati DNA polimerasi) non sono in grado di dare inizio alla sintesi di un filamento, ma possono soltanto allungare un filamento esistente.
Per questo motivo un altro enzima, la primasi, sintetizza il cosiddetto innesco (o primer), un piccolo frammento di RNA costruito aggiungendo una alla volta 5-10 ribonucleotidi al filamento stampo di DNA.
II primer verrà eliminato e sostituito con DNA al termine della duplicazione.
Le DNA polimerasi possono aggiungere i nuovi nucleotidi solo all’estremità 3’ del filamento nascente e mai all’estremità 5’. Un filamento di DNA di nuova sintesi, quindi, può crescere esclusivamente nella direzione 5’ -> 3’.
Descrivi la DNA polimerasi.
Le DNA polimerasi sono enzimi molto grandi rispetto al DNA e lo avvolgono completamente al loro interno come una mano semiaperta, il cui palmo contiene il sito attivo dell’enzima, mentre le “dita” si ripiegano sulla molecola di DNA e riconoscono la conformazione delle quattro basi azotate.
Il DNA scorre all’interno di questo complesso.
Come funzionano in modo differente le duplicazioni dei due filamenti? Spiega ogni passaggio.
P.53 Esaminiamo più da vicino che cosa accade in corrispondenza di una delle due forcelle di duplicazione di una bolla, una volta avviato il processo.
La capacità della DNA polimerasi di allungare il filamento in una sola direzione fa sì che la sintesi proceda in modo diverso lungo i due filamenti stampo.
La duplicazione del filamento che ha l’estremità 3’ libera rivolta alla forcella di duplicazione (il filamento veloce) procede senza interruzioni partendo da un solo primer di RNA.
La duplicazione del filamento antiparallelo (il filamento lento) procede a ritroso e in modo discontinuo, per piccoli frammenti isolati, ciascuno dei quali necessita di un primer.
La DNA polimerasi III ha bisogno di un solo innesco, dopodiché si allunga speditamente verso il punto di biforcazione del DNA originario.
Rimane nella forcella di duplicazione di quel filamento stampo e aggiunge continuamente nucleotidi al filamento in formazione, a mano a mano che la forcella avanza.
Mentre la forcella si apre, l’estremità 3’ dell’altro filamento, invece, si allontana dal punto di biforcazione, creando uno spazio non duplicato sempre più esteso.
Per ovviare a questo, un’altra polimerasi del complesso di duplicazione sintetizza, uno alla volta, piccoli frammenti di DNA detti frammenti di Okazaki (dal biochimico giapponese che li scopri); al termine del proces-so, un altro enzima, detto DNA ligasi, unirà i frammenti l’uno all’altro, generando un’unica catena di DNA.
I frammenti di Okazaki sono sintetizzati aggiungendo un nuovo nucleotide all’estremità 3’ del nuovo filamento, come accade nel filamento veloce (la duplicazione, però, procede in direzione opposta).
La primasi sintetizza sul filamento lento più primer di RNA, ai quali la DNA polimerasi si lega per sintetizzare ciascun frammento di Okazaki.
Un’altra polimerasi (DNA pol I) rimuove i primer sostituendoli con nuovo DNA e lasciando un’interruzione tra due frammenti di Okazaki adiacenti; sarà poi la ligasi a legare a due a due le estremità adiacenti, e terminare così la sintesi del filamento lento.
Cos’è il telomero e che problematiche si associano a quest ultimo?
Un’altra conseguenza del fatto che le DNA polimerasi sono in grado di aggiungere nucleotidi solo all’estremità 3’ di un filamento preesistente è che le estremità 5’ dei filamenti stampo, nel caso di molecole lineari di DNA come quelle degli eucarioti, non possono essere duplicate.
Anche se una primasi sintetizza un primer che si appaia perfettamente all’estremità 5’ di un filamento, consentendo la sintesi di un frammento di Okazaki, non è possibile sostituire il primer con DNA, una volta che sia stato rimosso, perché non c’è alcuna estremità 3’ da cui la DNA polimerasi possa partire.
Per questo motivo, i filamenti di DNA degli eucarioti, e quindi i nuovi cromosomi, diventano più corti a ogni ciclo di duplicazione.
Ciononostante, l’informazione contenuta nei geni non viene compromessa, grazie alla presenza, a ciascuna estremità della molecola, di un ampio tratto di DNA chiamato telomero (Figura 19).
Si tratta di una breve sequenza (TTAGGG negli esseri umani), ripetuta moltissime volte, che non codifica per alcuna proteina, ma ha una funzione non meno importante: a ogni ciclo di duplicazione del DNA, i telomeri diventano un po’ più corti, mentre l’informazione contenuta nei cromosomi resta intatta.
Alcune ricerche suggeriscono che l’accorciamento progressivo dei telomeri sia connesso al processo di “invecchiamento” dei tessuti e, in generale, degli organismi.
Per impedire che i telomeri si accorcino troppo passando da una generazione all’altra di individui, nelle cellule della linea germinale (i gameti) è presente un enzima, la telomerasi, che ripristina la lunghezza dei telomeri utilizzando come stampo una sequenza di RNA presente all’interno dell’enzima stesso.
La telomerasi, di norma, è assente nelle cellule somatiche, ma si riattiva nelle cellule cancerose, dove può costituire un elemento che interferisce con il normale ciclo cellulare.
Cos’è la correzione di bozze?
L’accuratezza del processo di duplicazione del DNA garantisce che tutte le cellule somatiche di un organismo pluricellulare contengano la stessa informazione genetica e che le istruzioni in essa custodite vengano trasmesse da una generazione alla successiva.
La specificità dell’appaiamento delle basi non è sufficiente a garantire la corretta duplicazione del DNA.
Nella molecola di DNA completa, tuttavia, la sequenza dei nucleotidi è copiata con una frequenza di errore bassissima.
Ciò è dovuto al fatto che la stessa DNA polimerasi, durante il processo di du-plicazione, controlla via via ogni nucleotide appena aggiunto al filamento in formazione, e, prima di procedere nella sintesi, rimuove velocemente i nucleotidi appaiati in modo errato sostituendoli con quelli corretti.
Questo meccanismo è detto correzione di bozze.
Cosa succede quando l’appartamento sbagliato sfugge alla correzione di bozze?
In una piccola percentuale di casi, però, l’appaiamento sbagliato sfugge alla correzione di bozze; intervengono allora enzimi specifici, tra cui altre DNA polimerasi e ligasi, che riconoscono i nucleotidi fuori posto e li sostituiscono (riparazione delle anomalie di appaiamento).
I ricercatori hanno messo in luce l’importanza di questi enzimi di riparazione scoprendo che un difetto ereditario in uno di essi è associato a una forma di cancro al colon.
Sembra infatti che questo difetto faccia sì che gli errori che portano al cancro si accumulino nel DNA più velocemente del normale.
Come viene preservata l’informazione genetica del DNA?
La sequenza del DNA, in realtà, può subire modifiche anche dopo la duplicazione.
Per preservare l’informazione genetica codificata nel DNA sono necessari frequenti interventi di riparazione su diversi tipi di danni che possono compromettere il DNA esistente.
Le molecole di DNA, infatti, sono costantemente esposte all’azione aggressiva e potenzialmente dannosa di agenti fisici (come le radiazioni ad alta energia UV e X) o chimici (per esempio, i composti contenuti nel fumo del tabacco).
Inoltre, anche in condizioni normali, spesso le basi del DNA subiscono alterazioni chimiche spontanee.
Per questo motivo sono costantemente attivi alcuni sistemi di riparazione del DNA, sotto forma di enzimi che eliminano e sostituiscono i nucleotidi danneggiati prima che possano provocare una mutazione, quindi prima che la cellula si replichi nuovamente e trasmetta cosi lerrore alla generazione successiva.
Spiega la riparazione per escissione e fai qualche esempio.
La maggior parte dei sistemi cellulari per la riparazione degli errori di appaiamento, siano essi dovuti alla duplicazione oppure ai danni subiti dal DNA, si avvantaggia della struttura a basi appaiate del DNA stesso.
In molti casi, un segmento del filamento danneggiato viene tagliato (escisso) da un enzima chiamato nucleasi, e la lacuna che ne risulta viene riempita di nucleotidi utilizzando il filamento non danneggiato come stampo; gli enzimi coinvolti nel riempimento sono una DNA polimerasi e una DNA ligasi.
Questo processo è chiamato riparazione per escissione.
Nelle cellule della nostra cute, un’importante funzione degli enzimi di riparazione consiste nel riparare i danni genetici causati dalla componente ultravioletta della radiazione solare.
Per effetto dell’esposizione ai raggi UV può accadere, per esempio, che due basi adiacenti di timina formino un legame covalente.
Questi dimeri di timina distorcono la molecola di DNA e interferiscono con la sua duplicazione.
Lo xeroderma pigmentoso è una malattia rara, per lo più causata da un difetto ereditario in un enzima coinvolto nella riparazione per escissione.
Gli individui affetti da questa malattia sono ipersensibili alla luce solare: le mutazioni cellulari indotte dalla radiazione ultravioletta non vengono riparate, e si sviluppa il cancro alla cute.
Parla di genotipo e fenotipo.
Con le conoscenze che abbiamo acquisito sul DNA, possiamo fornire una definizione più precisa di genotipo e fenotipo di un organismo: il genotipo è l’informazione ereditaria contenuta nel suo DNA; il fenotipo corrisponde, invece, alle sue caratteristiche fisiche.
A livello molecolare, il collegamento tra genotipo e fenotipo è rappresentato dalle proteine.
Il DNA che un organismo eredita dai genitori (genotipo), infatti, specifica quali proteine devono essere sintetizzate, e in quale momento.
Il processo attraverso il quale il DNA “dirige” la sintesi delle proteine è chiamato espressione genica.
Cos’è il dogma centrale della biologia molecolare?
Un gene non sintetizza direttamente una proteina: il suo compito, infatti, è quello di fornire le istruzioni sotto forma di RNA, che a sua volta dirige la sintesi proteica.
Questo concetto fondamentale fu denominato dogma centrale della biologia molecolare.
La serie di istruzioni parte dal DNA contenuto nel nucleo della cellula, è trasferita a una molecola di RNA ed è tradotta con la sintesi della proteina nel citoplasma.
Le due fasi principali del processo sono:
• la trascrizione, ovvero il trasferimento dell’informazione genetica dal DNA a una molecola di RNA
• la traduzione, cioè l’utilizzo dell’informazione contenuta nelI’RNA per costruire una proteina.
Spiega l’affermazione “un gene - un polipeptide.
È l’ipotesi secondo la quale il compito di un gene è quello di contenere l’informazione per la produzione di un specifico polipeptide.
Parlami del linguaggio chimico degli acidi nucleici.
Tanto il DNA quanto I’RNA sono polimeri costituiti da monomeri nucleotidici. Nel DNA troviamo quattro tipi di nucleotidi, che differiscono tra loro per le basi azotate (A, T, C e G): lo stesso vale per I ‘RNA, che però contiene l’uracile (U) al posto della timina (T).
La Figura 22 mostra una piccola regione di un gene in una molecola di DNA.
Ciascun gene consiste normalmente di centinaia o migliaia di nucleotidi che compaiono in una precisa sequenza lineare, caratterizzata da un inizio e da una fine.
Il filamento di colore rosa, posto sotto il particolare del DNA ingrandito, rappresenta il risultato della trascrizione: una molecola di RNA, costituita a sua volta da una sequenza di basi azotate.
La trascrizione non implica, quindi, un cambiamento di linguaggio (che rimane quello degli acidi nucleici).
Le basi azotate dell’RNA sono complementari a quelle presenti sul filamento di DNA: questa caratteristica dipende dal fatto che I’RNA è stato sintetizzato usando il DNA come stampo.
Spiega cos’è e come avviene la traduzione.
La catena di colore viola in basso nella Figura 22 rappresenta il risultato della traduzione, ovvero della conversione del linguag gio degli acidi nucleici nel linguaggio dei polipeptidi.
Come gli acidi nucleici, anche i polipeptidi sono polimeri, ma i monomeri che li compongono sono i 20 amminoacidi comuni a tutti gli organismi.
Anche in questo caso, l’informazione è scritta in una sequenza lineare, e la sequenza dei nucleotidi della molecola di RNA indica l’esatta sequenza degli amminoacidi del polipeptide.
In questo modo, ‘RNA funge da messaggero che trasporta l’informazione genetica proveniente dal DNA. Questo tipo di molecola di RNA viene chiamato per questo mRNA, o RNA messaggero.
Durante la traduzione avviene, però, un cambiamento di linguaggio, dalla sequenza di nucleotidi dell’RNA alla sequenza di amminoacidi del polipeptide: in che modo?
Ricordiamo che il DNA e ‘RNA contengono soltanto quattro tipi diversi di nucle-otidi: questi quattro nucleotidi devono in qualche modo specificare 20 amminoacidi.
Supponiamo che nel DNA ogni parola in codice consista di una tripletta, cioè che ogni combinazione di tre basi consecutive codifichi per un amminoacido.
Ci sarebbero allora 64 (cioè 4ª) possibili parole in codice, più che sufficienti per specificare 20 amminoacidi. Le triplette di basi sono dunque le “parole” più brevi, di lunghezza uniforme, in grado di specificare tutti gli amminoacidi.
In realtà, il numero di triplette è tale che a ogni amminoacido può corrisponderne più di una. Per esempio, le triplette AAT e AAC codificano entrambe per lo stesso amminoacido (leucina).
Gli esperimenti hanno confermato che il flusso di informazioni dal gene alla proteina è effettivamente basato su un codice a triplette: le istruzioni genetiche per la sequenza ammi-noacidica di una catena polipeptidica sono scritte nel DNA e nell’RNA come una serie di parole di tre lettere, dette codoni.
Come si vede nella Figura 22, i codoni del DNA sono trascritti nei codoni complementari dell’RNA, i quali sono poi tradotti negli amminoacidi che formano un polipeptide.
Quali sono le regole del codice genetico?
Il codice genetico consiste di una serie di regole che stabiliscono la corrispondenza tra i codoni dell’RNA e gli amminoacidi delle proteine.
Soltanto 61 dei 64 co-doni codificano per amminoacidi.
Gli altri 3 codoni (eviden-ziati in rosso) non specificano alcun amminoacido, ma sono i codoni di arresto (o di stop) che segnalano la fine della traduzione.
La tripletta AUG (in verde) ha una doppia funzione: codifica per l’amminoacido metionina (Met) e può anche fornire il segnale che indica l’inizio del messaggio corrispondente a una catena polipeptidica.
Nel codice genetico c’è ridondanza (la presenza di più triplette di basi per uno stesso amminoacido), ma non ambiguità.
Per esempio, sebbene i codoni UUU e UUC specifichino entrambi la fenilalanina (ridondanza), nessuno dei due codifica per altri amminoacidi (nessuna ambiguità).
A ciascuna tripletta di RNA corrisponde una tripletta complementare sul DNA.
Il codice genetico è universale, in quanto è condiviso da tutti gli organismi, dai batteri fino alle piante e agli animali più complessi.
Ciò suggerisce che esso si sia evoluto in tempi molto antichi nella storia della vita ed è un’ulteriore testimonianza dell’origine di tutti i viventi da un antenato comune.
