Scarica L'espressione genica e più Dispense in PDF di Biologia solo su Docsity!
L’espressione genica
Dai geni alle proteine
Che cosa fanno i geni?
L’IPOTESI UN GENE – UN ENZIMA DI BEADLE E TATUM. La prima ipotesi sul ruolo dei geni formulata dai biologi George Beadle ed Edward Tatum nel 1941, Iniettarono un gene danneggiandolo per poi dedurne la funzione osservando il fenotipo dell'individuo mutante ( Neurospora crassa ). Uno dei mutanti non era più in grado di produrre vitamina B 6 , l'analisi di questi mutanti rivelò che l'incapacità di sintetizzare questo composto era dovuta a un difetto in un gene e che, analogamente, l'impossibilità di sintetizzare altre molecole era causata da difetti in altri geni. Questi risultati portarono Beadle e Tatum a formulare l'ipotesi un gene – un enzima, secondo i due ricercatori il mutante non poteva sintetizzare un particolare composto perché privo dell'enzima necessario per produrlo (ciascun gene conteneva l'informazione necessaria per sintetizzare un enzima). L'IPOTESI UN GENE – UN POLIPEPTIDE. Esperimenti successivi confermarono la validità dell'ipotesi un gene – un enzima, chiarendo che i geni contengono le informazioni necessarie per sintetizzare tutte le proteine prodotte da un organismo (non soltanto gli enzimi), portando così all'ipotesi un gene – un polipeptide (una proteina è formata da diverse catene polipeptidiche). Recentemente l'ipotesi è stata ulteriormente rivista per includere i geni il cui prodotto non è una proteina ma una molecola di RNA.
Il dogma centrale della biologia molecolare
L’IPOTESI DI CRICK: IL DNA COME CODICE. Secondo la visione di Crick, la sequenza delle basi del DNA funzionava come un codice (il DNA era una molecola con la funzione di immagazzinare informazioni che dovevano essere in un qualche modo usate per produrre le proteine). Diverse combinazioni di DNA potevano specificare i 20 amminoacidi, una porzione del DNA poteva contenere nella sequenza di basi A, T, G e C le informazioni necessarie per produrre la sequenza di amminoacidi di un particolare polipeptide e questa informazione poteva essere copiata (complementarità delle basi) e trasmessa fedelmente alle generazioni future. L’RNA MESSAGGERO. Il DNA è racchiuso nel nucleo, mentre i ribosomi, dove avviene la sintesi delle proteine, si trovano nel citoplasma (all’esterno del nucleo). Per spiegare questo François Jacob e Jacques Monod suggerirono che delle molecole di RNA dovevano fare da intermediario tra DNA e ribosomi, ipotizzarono l’esistenza del RNA messaggero a singolo filamento (mRNA) che trasportava l’informazione del DNA contenuto nel nucleo ai ribosomi nel citoplasma. Fu identificato successivamente un enzima che impiegasse il DNA per creare una molecola complementare di RNA, la RNA polimerasi, che non necessita di un primer e utilizza il DNA come stampo per creare un filamento di acido ribonucleico, ed ha, come la DNA polimerasi funzione di correzione di bozze. IL DOGMA CENTRALE. Il dogma centrale riassume il flusso dell’informazione dal DNA alle proteine, afferma che il DNA codifica per l’RNA, che a sua volta codifica per le proteine, mediante un flusso unidirezionale (DNA → RNA → proteine). Secondo il dogma centrale:
- I geni sono costituiti da sequenze del DNA che codificano per i diversi prodotti proteici utilizzati dalla cellula
- La sequenza delle basi del DNA specifica la sequenza delle basi in una molecola di RNA
- L’RNA specifica la sequenza degli amminoacidi in una proteina IL RUOLO DI TRASCRIZIONE E TRADUZIONE.
- Trascrizione. Processo in cui viene sintetizzata una molecola di mRNA (RNA polimerasi) a partire da uno stampo di DNA (sequenza complementare di basi)
- Traduzione. Processo in cui le informazioni contenute nella sequenza di basi dell’mRNA sono utilizzate per sintetizzare le proteine, da parte dei ribosomi (sintesi proteica) IL LEGAME TRA GENOTIPO E FENOTIPO. Il genotipo di un organismo è determinato dalla sequenza di basi nel suo DNA, mentre il suo fenotipo è un prodotto delle proteine che esso sintetizza. Genotipo (DNA) → mRNA → proteine → fenotipo Il genotipo influenza il fenotipo, nei topi delle dune, il gene che determina il colore del pelo presenta diverse varianti:
- Nei topi dell’entroterra, la proteina contiene arginina, dando origine a un pelo scuro, utile per mimetizzarsi sul terreno.
- Nei topi delle zone costiere, la proteina contiene cisteina al posto dell’arginina, producendo un pelo chiaro, che li mimetizza con la sabbia. Quindi, piccole differenze genetiche (alleli) causano proteine diverse e fenotipi differenti, adattivi all’ambiente. LE ECCEZIONI AL DOGMA CENTRALE. Vi sono alcune eccezioni allo schema del dogma centrale:
- Molti geni codificano per molecole di RNA che non hanno la funzione di mRNA, sono trascritte dal DNA ma mai tradotte in proteine, questi hanno la funzione di controllare diversi aspetti del fenotipo (DNA → RNA)
- In alcuni casi le informazioni fluiscono dall’RNA al DNA, come per i virus del gruppo dell’HIV, il cui genoma è costituito da due filamenti identici di RNA, la trascrittasi inversa sintetizza una versione a DNA dei geni virali, costituiti da RNA (RNA → DNA)
Il codice genetico
Per rispondere al modo in cui la sequenza di basi dell’RNA può codificare per la sequenza di amminoacidi di una proteina, si presuppone l’esistenza di un codice genetico, di un sistema di corrispondenza tra la sequenza dei nucleotidi e la sequenza degli amminoacidi in una proteina. George Gamow avanza l’ipotesi che ciascuna sezione del codice genetico fosse composta da tre basi (4 × 4 × 4 = 64 diversi amminoacidi). LA RIDONDANZA DEL CODICE GENETICO. Poiché il codice genetico formato da triplette può codificare per 64 diversi amminoacidi, Gamow ipotizzò che fosse ridondante, uno stesso amminoacido poteva essere codificato da più di una tripletta di basi (o codone). LA CORNICE DI LETTURA. Francis Crick e Sydney Brenner fecero un esperimento per confermare la teoria delle triplette, utilizzarono reagenti chimici in grado di aggiungere o rimuovere una coppia di basi in una sequenza di DNA. Nel caso di un codice a triplette l’aggiunta o la rimozione di basi portava a una totale variazione della cornice di lettura (frameshift) della sequenza delle basi, portando alla sintesi di una proteina con una sequenza di amminoacidi completamente diversa e quindi non funzionale. LA DECIFRAZIONE DEL CODICE. SECONDA BASE U C A G PRIMA BASE U UUU Fenilalanina (Phe) UCU Serina (Ser) UAU (^) Tirosina (Tyr) UGU (^) Cisteina (Cys) U TERZA BASE UUC UCC UAC UGC C UUA Leucina (Leu) UCA UAA Stop UGA Stop A UUG UCG UAG Stop UGG Triptofano (Trp) G C CUU Leucina (Leu) CCU Prolina (Pro) CAU (^) Istidina (Hys) CGU Arginina (Arg) U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA (^) Glutammina (Gln) CGA A CUG CCG CAG CGG G A AUU Isoleucina (Ile) ACU Treonina (Thr) AAU (^) Asparagina (Asn) AGU (^) Serina (Ser) U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA Lisina (Lys) AGA (^) Arginina (Arg) A AUG Metionina (Met) ACG AAG AGG G G GUU Valina (Val) GCU Alanina (Ala) GAU Acido aspartico (Asp) GGU Glicina (Gly) U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A
La tappa della terminazione conclude la trascrizione, l’RNA polimerasi trascrive una sequenza denominata segnale di terminazione, le basi presenti vengono trascritte in un frammento di RNA che si ripiega su sé stesso formando una breve doppia elica (appaiamento di basi complementari). Questa struttura a forcina indebolisce l’interazione tra RNA polimerasi e RNA trascritto, provocandone il distacco e la fine del processo di trascrizione.
La trascrizione negli eucarioti
Le tappe della trascrizione negli eucarioti sono molto simili a quelle per i batteri, con alcune differenze:
- Gli eucarioti possiedono tre diverse RNA polimerasi (pol I, pol II, pol III), ciascuna produce solo un tipo specifico di RNA (pol II → mRNA)
- I promotori del DNA eucariote sono più grandi di quelli procarioti e spesso includono una sequenza di basi T – A, indicata come TATA box
- Le RNA polimerasi eucariote riconoscono i promotori con l’ausilio di un gruppo di proteine chiamate fattori generali di trascrizione, che si assemblano sul promotore, richiamando l’RNA polimerasi nel sito di inizio della trascrizione
- Negli eucarioti, la trascrizione e la traduzione avvengono in luoghi differenti, la trascrizione avviene nel nucleo, mentre la traduzione nel citoplasma (ribosomi) Nei batteri quando la trascrizione ha termine il risultato è un mRNA maturo pronto per la traduzione, mentre negli eucarioti il risultato della trascrizione è un pre-mRNA che deve essere sottoposto a consistenti modifiche prima della traduzione. LO SPLICING DELL’RNA. Nei geni le sequenze effettivamente codificanti non sono continue ma intervallate da porzioni di DNA non codificanti, queste regioni vengono inizialmente trascritte insieme a quelle codificanti formando il pre-mRNA per poi essere rimosse a formare l’mRNA maturo. Le regioni che non codificano sono dette introni, mentre le regioni codificanti esoni, la rimozione degli introni dal pre-mRNA avviene mediante un processo indicato come splicing, realizzato da speciali complessi molecolari, costituiti da RNA con attività catalitica e da proteine, che formano lo spliceososma. Dopo l’eliminazione degli introni, gli esoni vengono saldati insieme. ALTRE MODIFICHE DEL pre-mRNA IN 5’ E LA CODA DI poliA. Oltre allo splicing, altri due processi intervengono per modificare il pre-mRNA e formare l’mRNA maturo:
- Appena l’estremità 5’di un pre-mRNA eucariote emerge dalla RNA polimerasi, appositi enzimi aggiungono un nucleotide G modificato. Il cappuccio in 5’ facilita il legame dei ribosomi all’mRNA durante la successiva traduzione e protegge l’estremità 5’ dall’azione delle ribonucleasi (degradano l’RNA)
- Una RNA polimerasi specializzata aggiunge all’estremità opposta del trascritto una coda di circa 100- 250 nucleotidi A, detta coda di poliA, necessaria affinché i ribosomi possano iniziare la traduzione e protegge l’estremità 3’ dell’mRNA dagli attacchi degli enzimi A ulteriore protezione del trascritto, ai lati della regione codificante si trovano due ragioni non tradotte (UTR) che contribuiscono a stabilizzare l’mRNA e a regolare la fase successiva di traduzione.
La traduzione
Dall’mRNA alle proteine
Per sintetizzare una proteina, la sequenza delle basi di una molecola di mRNA deve essere convertita nella sequenza di amminoacidi di un polipeptide, tramite la traduzione e comporta il passaggio da mRNA a proteina. Nei batteri i ribosomi possono legarsi agli mRNA e iniziare la sintesi proteica prima ancora che la trascrizione sia stata completata, a ciascuna molecola di mRNA si legano simultaneamente diversi ribosomi, dando origine a strutture dette poliribosomi, che aumentano la velocità del processo di sintesi proteica ed il numero di copie di una proteina che possono essere sintetizzate a partire da una singola molecola di mRNA. Nei batteri trascrizione e traduzione possono essere accoppiate perché non esiste una membrana nucleare che divide i due processi, mentre negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo, l’mRNA maturo viene trasferito nel citoplasma dove si formano poliribosomi che velocizzano la sintesi proteica. L’IPOTESI DELL’ADATTATORE. Francis Crick ipotizzò l’esistenza di una molecola di adattatore in grado di trasportare gli amminoacidi e di mantenerli in posizione durante la sintesi proteica, legandosi al tempo stesso con i codoni dell’mRNA. Alcuni anni dopo l’adattatore venne identificato in tRNA (RNA transfer o RNA di trasporto). Quando un tRNA è legato ad un amminoacido viene definito amminoacil-tRNA. LA STRUTTURA DEI tRNA. Le sequenze del tRNA sono formate da 75-95 nucleotidi e in alcune regioni l’instaurarsi di legami a idrogeno genera bracci in cui il filamento di tRNA è ripiegato su sé stesso, intercalati da anse in cui non vi è appaiamento (la struttura assomiglia ad un trifoglio). Due porzioni delle molecole di tRNA si sono dimostrate particolarmente importanti:
- Sequenza di CCA posta all’estremità 3’ di ciascuna molecola, sito di legame per l’amminoacido
- Ansa in posizione diametralmente opposta al sito di legame per l’amminoacido, composta da tre ribonucleotidi, l’anticodone, che codifica per l’amminoacido trasportato da quel tRNA I tRNA si ripiegano in una molecola a forma di L, con l’anticodone posto a un’estremità e, all’estremità opposta, la sequenza CCA con l’amminoacido legato. Enzimi chiamati amminoacil-tRNA sintetasi catalizzano, con consumo di ATP, l’addizione dei diversi amminoacidi ai tRNA, con il caricamento del tRNA; per ciascun amminoacido esiste uno specifico amminoacil- tRNA sintetasi specifica e uno o più tRNA. Ogni amminoacil-tRNA sintetasi ha un sito di legame specifico per un particolare amminoacido e per un particolare tRNA, errori nel caricamento del tRNA porterebbero effetti significativi sulla proteina risultante. LA STRUTTURA DEI RIBOSOMI. I ribosomi sono costituiti da proteine e da RNA ribosomiale (rRNA), ed è formato da due subunità, maggiore e minore. Durante la traduzione la subunità minore si lega all’mRNA, mentre nella subunità maggiore avviene la formazione dei legami peptidici tra amminoacidi consecutivi. Il ribosoma può alloggiare tre tRNA legati ai rispettivi codoni sull’mRNA:
- Sito A (amminoacidico). Il tRNA a destra trasporta un amminoacido
- Sito P (peptidilico). Il tRNA al centro è legato alla catena polipeptidica in formazione
- Sito E (exit). Il tRNA a sinistra è scarico, non ha più un amminoacido legato e sta per lasciare il ribosoma
L’ALLUNGAMENTO DELLA CATENA POLIPEPTIDICA. All’inizio della tappa di allungamento, i siti E ed A sono vuoti, la fase di allungamento inizia quando un amminoacil-tRNA si lega al codone nel sito A (appaiamento tra basi complementari tra codone e anticodone). Quando sia il sito P che il sito A sono occupati da tRNA, i due amminoacidi si trovano nel sito attivo del ribosoma, costituito interamente da RNA (il ribosoma agisce da ribozima, l’attività catalitica dell’enzima è svolta dall’RNA e non da una proteina), dove vengono uniti mediante la formazione di un legame peptidico. Durante la formazione del legame peptidico, l’amminoacido nel sito P si stacca dal suo tRNA unendosi all’amminoacido del sito A. A questo punto si verifica la traslocazione, l’avanzamento del ribosoma di un codone lungo l’mRNA, che si realizza grazie al fattore di allungamento che scinde una GTP (guanosina trifosfato) liberando l’energia necessaria a questo passaggio. Con la traslocazione, il tRNA legato alla catena polipeptidica si sposta dal sito A al sito P, il sito A ora libero può ospitare un nuovo amminoacil-tRNA, formando un nuovo legame polipeptidico e allungando la catena di polipeptidi. Segue una nuova traslocazione che sposta il tRNA dal sito A al sito P, e il precedente tRNA ormai scarico passa al sito E e si stacca dal ribosoma. LA TAPPA DI TERMINAZIONE. L’allungamento e la traslocazione procedono fino a quando il ribosoma non raggiunge un codone di stop, quando ciò accade, una proteina chiamata fattore di rilascio, con forma e dimensione simili a un amminoacil-tRNA, riconosce il codone di stop e occupa il sito A. Promuove l’idrolisi del legame tra il tRNA nel sito P e la catena polipeptidica, liberando il polipeptide neosintetizzato che abbandona il ribosoma, quest’ultimo si separa dall’mRNA e le due subunità si dissociano.
Le modifiche post-traduzionali delle proteine
Al termine della traduzione le proteine non sono ancora completamente formate e funzionali, esse subiscono una serie di modifiche post-traduzionali, che si svolgono in sedi diverse della cellula:
- Il ripiegamento del polipeptide. La funzionalità di una proteina dipende dalla sua forma e da come essa è ripiegata, il ripiegamento è guidato e accelerato da proteine dette chaperon molecolari
- Le modifiche chimiche. Le proteine degli eucarioti subiscono numerose modifiche chimiche dopo la loro sintesi come la glicosilazione (aggiunta di piccoli gruppi di molecole, zuccheri, nel reticolo endoplasmatico ruvido) a formare glicoproteine o lipoproteine. Un’altra modifica è la fosforilazione, l’aggiunta di un gruppo fosfato catalizzata dalle chinasi Le mutazioni
Che cosa sono le mutazioni
Una mutazione è una qualsiasi variazione permanente del DNA di un organismo, ed è il processo alla base della produzione di nuovi alleli. Le mutazioni possono alterare sequenze di DNA che variano, da una singola coppia di basi a un intero corredo di cromosomi. L’ORIGINE DELLE MUTAZIONI. La maggior parte delle mutazioni si verifica spontaneamente durante il normale processo di replicazione del DNA (come errori non corretti dai meccanismi di correzione del DNA). Il tasso di mutazioni nelle cellule può essere notevolmente accresciuto dall’esposizione ad agenti mutageni (raggi X, raggi UV e alcune sostanze chimiche), questi fattori fisici e chimici possono indurre alterazioni strutturali nel DNA. LA CLASSIFICAZIONE DELLE MUTAZIONI. A livello molecolare, si possono distinguere le mutazioni in tre tipologie:
- Mutazioni puntiformi. Alterano la sequenza di una coppia di basi (o di un ristretto numero di coppie di basi)
- Mutazioni cromosomiche. Mutazioni su scala più ampia, modificano la struttura di un cromosoma
- Mutazioni cariotipiche. Alterano il numero di cromosomi presenti in una cellula
Le mutazioni puntiformi
Le mutazioni puntiformi possono derivare dalla sostituzione di una bese oppure dall’inserzione o dalla delezione di una base (o di un ristretto numero di basi). In tutti i casi le conseguenze possono essere diverse:
Le mutazioni cromosomiche
La struttura dei cromosomi può variare in modi significativi, con conseguenze molto gravi sullo sviluppo e sulla salute degli organismi. Le mutazioni che interessano vaste porzioni di cromosomi sono di quattro tipi principali:
- Delezione. Un cromosoma può rompersi e perdere un segmento
- Inversione. Un segmento rotto di un cromosoma può ruotare ed essere riassemblato al cromosoma in posizione invertita
- Duplicazione. Errori nel crossing over (profase I) o nella sintesi del DNA possono portare alla presenza di una o più copie aggiuntive di un certo segmento di DNA
- Traslocazione. Dopo la rottura, un frammento di cromosoma può saldarsi a un cromosoma diverso, come nel cromosoma Philadelphia dove i segmenti vengono scambiati tra il cromosoma 22 e il cromosoma 9
Le mutazioni del cariotipo
LA POLIPLOIDIA. La poliploidia è una condizione molto rara negli animali ma comune in vari gruppi di piante, in cui si possiedono più di due cromosomi di ciascun tipo. Questa mutazione può presentarsi quando, durante la meiosi, le coppie di cromosomi non si separano e vengono prodotti gameti diploidi e, se si fondono con un gamete aploide (2n) può nascere un organismo triploide (3n) o tetraploide (4n) se si fonde con un gamete diploide (2n). L’ANEUPLOIDIA. Quando una sola coppia di cromosomi omologhi non si separa correttamente durante la meiosi, vengono prodotti gameti con un cromosoma in più (n+1) o in meno (n-1). Se un gamete n+1 si fonde con un gamete aploide (n) lo zigote risultante sarà 2n+1 e avrà una condizione chiamata trisomia (di Down, 21; di Patau, 13; di Edwards, 18). Se un gamete n-1 viene fecondato da un gamete n, lo zigote risultante sarà 2n-1 e avrà una condizione chiamata monosomia, è presente un'unica copia di uno dei cromosomi. La presenza di un numero anomalo di cromosomi nelle cellule viene definita come aneuploidia e riguarda principalmente i cromosomi sessuali come nella sindrome di Turner (X0) o la sindrome di Kline-felter (XXY).
