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Basi molecolari dell'ereditarietà

Il DNA è il materiale genetico della maggior parte degli esseri viventi (alcuni virus usano l'RNA). È una doppia elica: due filamenti antiparalleli di nucleotidi, con A che si appaia a T con 2 legami a idrogeno e G a C con 3. Il DNA lungo si avvolge sugli istoni formando i nucleosomi e poi la cromatina. Il DNA si copia in modo semiconservativo (Meselson–Stahl). Il dogma centrale dice che DNA → RNA → proteina. La trascrizione produce RNA da un solo filamento; negli eucarioti l'hnRNA riceve cappuccio e coda e viene sottoposto a splicing. Il codice genetico è a triplette, ha 64 codoni (61 per gli amminoacidi, 3 di stop), inizia con AUG, è quasi universale e degenerato. I ribosomi traducono l'mRNA in proteina con i tRNA come adattatori. I geni si accendono e si spengono; l'operone lac ne è l'esempio classico. I progetti Genoma Umano e Genoma del Riso hanno letto genomi interi, e l'impronta genetica usa il DNA ripetuto (VNTR) per identificare le persone.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Il DNA è una scala a chiocciola. I montanti sono zucchero–fosfato; i pioli sono coppie di basi. A si unisce sempre a T, G sempre a C. I filamenti corrono in direzioni opposte: 5′→3′ e 3′→5′.
  2. Il DNA di una cellula umana è lungo circa 2,2 m. Si avvolge su perline di istoni formando i nucleosomi («perle su un filo»), poi si arrotola ancora di più in cromatina e cromosomi.
  3. Replicazione: la scala si apre come una cerniera. Ogni filamento vecchio fa da stampo per il nuovo compagno. Ogni DNA figlio ha 1 filamento vecchio + 1 nuovo: semiconservativo.
  4. Trascrizione: solo un filamento (lo stampo) viene copiato in mRNA. L'RNA usa U al posto di T, quindi A nel DNA dà U nell'RNA.
  5. Traduzione: il ribosoma legge l'mRNA tre lettere alla volta. Ogni codone porta un amminoacido. AUG dà l'avvio; UAA, UAG, UGA fermano.
  6. Gioco libero: scegli una sequenza di DNA e una vista. Prevedi il filamento compagno, l'mRNA e gli amminoacidi, poi controlla il riquadro dei risultati.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Perché A si appaia solo con T e non con C?

A (una purina) e T (una pirimidina) hanno la larghezza giusta e formano 2 legami a idrogeno. A–C non rispetterebbe lo schema dei legami H. Guarda i colori corrispondenti nel passo 0.

Come fanno 2 m di DNA a stare in un nucleo minuscolo?

Si avvolge su perline di istoni (nucleosomi) e poi si arrotola ancora e ancora. Il passo 1 mostra la scala che si rimpicciolisce sulle perline.

Perché la replicazione si chiama semiconservativa?

Ogni nuovo DNA conserva un filamento vecchio (scuro) e riceve un filamento nuovo (chiaro). Niente è del tutto vecchio o del tutto nuovo.

Se entrambi i filamenti hanno informazione, perché nella trascrizione se ne copia solo uno?

Se si copiassero entrambi, i due RNA si appaierebbero tra loro formando RNA a doppio filamento, e da un gene nascerebbero due proteine diverse. Perciò un solo filamento fa da stampo.

Perché il codice si legge a tre a tre?

Con 4 basi, le coppie danno solo 16 combinazioni, troppo poche per 20 amminoacidi. Le triplette ne danno 64. Il passo 4 raggruppa l'mRNA a tre a tre.

Come trovo in fretta l'mRNA a partire dal filamento codificante?

Basta copiare il filamento codificante e cambiare ogni T in U. Provalo nel gioco libero e confronta con il riquadro dei risultati.

Il DNA come materiale genetico

Griffith (1928), trasformazione: batteri Streptococcus pneumoniae di tipo R, innocui e vivi, + batteri di tipo S letali uccisi dal calore → i topi morirono e si trovarono batteri S vivi. Qualcosa delle cellule S morte aveva «trasformato» R in S.

Avery, MacLeod e McCarty (1944): distrussero a una a una le parti dell'estratto S. Gli enzimi che digeriscono le proteine (proteasi) e la RNasi non fermarono la trasformazione; la DNasi sì. Quindi la sostanza trasformante era il DNA.

Hershey e Chase (1952): fecero crescere batteriofagi con ³²P radioattivo (finisce nel DNA) oppure ³⁵S (finisce nelle proteine). Dopo l'infezione e il frullatore, i batteri contenevano ³²P ma non ³⁵S. Quindi nella cellula entra il DNA, non la proteina, e porta le istruzioni.

Cosa rende buono un materiale genetico?

L'RNA è meno stabile (il suo 2′-OH lo rende reattivo), quindi il DNA è migliore per conservare l'informazione; l'RNA è migliore per i lavori rapidi. Probabilmente l'RNA fu il primo materiale genetico (mondo a RNA).

Struttura di DNA e RNA

Un nucleotide = base azotata + zucchero pentoso + fosfato. Base + zucchero = nucleoside. Purine: adenina (A), guanina (G). Pirimidine: citosina (C), timina (T, solo nel DNA), uracile (U, solo nell'RNA). Lo zucchero del DNA è il desossiribosio; quello dell'RNA è il ribosio.

I nucleotidi si uniscono con legami fosfodiesterici 3′–5′. Watson e Crick (1953), usando le immagini a raggi X di Rosalind Franklin e Wilkins, proposero la doppia elica:

L'RNA di solito è a singolo filamento. Tipi: mRNA (messaggero), tRNA (adattatore), rRNA (parte del ribosoma).

Impacchettamento del DNA

Lunghezza del DNA = numero di coppie di basi × 0,34 nm. Cellula umana diploide: 6,6 × 10⁹ bp × 0,34 × 10⁻⁹ m ≈ 2,2 m, stipati in un nucleo largo circa 10⁻⁶ m.

Eucromatina: poco compatta, chiara alla colorazione, attiva. Eterocromatina: molto compatta, scura alla colorazione, inattiva.

Replicazione del DNA (semiconservativa)

Watson e Crick previdero che ogni filamento fa da stampo. Meselson e Stahl (1958) lo dimostrarono: fecero crescere E. coli in ¹⁵N pesante, poi li spostarono in ¹⁴N normale. Dopo 1 generazione tutto il DNA era ibrido (¹⁵N–¹⁴N); dopo 2 generazioni metà ibrido e metà leggero. Taylor mostrò lo stesso nelle punte delle radici di fava usando timidina radioattiva.

Come avviene

  1. L'elicasi apre l'elica nell'origine di replicazione, formando una forcella di replicazione a forma di Y.
  2. La DNA polimerasi DNA-dipendente aggiunge nucleotidi solo nella direzione 5′→3′, usando i desossinucleosidi trifosfato (che forniscono sia il mattone sia l'energia).
  3. Su un filamento il nuovo DNA cresce senza interruzioni (filamento guida); sull'altro viene fatto a pezzetti (filamento ritardato, frammenti di Okazaki).
  4. La DNA ligasi unisce i pezzi.

È molto veloce (E. coli copia 4,6 × 10⁶ bp in circa 18 minuti, cioè circa 2000 bp al secondo) e molto precisa. Negli eucarioti avviene nella fase S.

Dogma centrale

Francis Crick propose che l'informazione genetica scorra DNA → RNA → proteina. DNA → DNA è la replicazione, DNA → RNA è la trascrizione, RNA → proteina è la traduzione.

La trascrizione inversa (RNA → DNA) avviene in alcuni virus come l'HIV, grazie alla trascrittasi inversa. Quindi il flusso a volte può andare all'indietro (dogma centrale inverso).

Trascrizione

Viene copiato un solo filamento. Il filamento stampo (3′→5′) viene letto; l'altro è il filamento codificante (5′→3′), che ha la stessa sequenza dell'RNA, con T al posto di U.

Un'unità di trascrizione ha un promotore (a monte, dove si lega l'RNA polimerasi), il gene strutturale e un terminatore.

Nei batteri

Un'unica RNA polimerasi fa tutti gli RNA. Con il fattore σ (sigma) comincia (inizio), allunga l'RNA (allungamento) e con il fattore ρ (rho) si ferma (terminazione). Trascrizione e traduzione possono avvenire insieme perché non c'è il nucleo.

Negli eucarioti

Codice genetico

George Gamow ragionò così: 4 basi devono codificare 20 amminoacidi. 4¹ = 4 e 4² = 16 sono troppo pochi; 4³ = 64 bastano. Quindi il codice è a triplette. Nirenberg, Khorana e Ochoa scoprirono i codoni.

Mutazioni e codice

Una mutazione puntiforme (una base cambiata) può cambiare un amminoacido (anemia falciforme). L'inserzione o la delezione di 1 o 2 basi sposta la cornice di lettura (frameshift); aggiungere o togliere 3 basi aggiunge o toglie un amminoacido e mantiene la cornice. Il tRNA è l'adattatore: l'ansa dell'anticodone legge il codone e la sua estremità 3′ (CCA) porta l'amminoacido. In 2D sembra un trifoglio, in 3D una L capovolta.

Traduzione

  1. Carica del tRNA (amminoacilazione): ogni amminoacido viene attaccato al suo tRNA, usando ATP.
  2. Inizio: la subunità piccola del ribosoma incontra l'mRNA in AUG; si aggiunge la subunità grande. Il ribosoma ha due siti per i tRNA.
  3. Allungamento: i tRNA portano gli amminoacidi codone dopo codone; si formano legami peptidici (l'rRNA 23S fa da enzima, un ribozima). Il ribosoma avanza lungo l'mRNA in direzione 5′→3′.
  4. Terminazione: a un codone di stop, un fattore di rilascio libera il polipeptide.

L'mRNA ha anche regioni non tradotte (UTR) prima di AUG e dopo il codone di stop; aiutano a tradurre in modo efficiente.

Regolazione dell'espressione genica: l'operone lac

Le cellule accendono i geni solo quando servono. Nei batteri, diversi geni dello stesso compito stanno insieme con un solo promotore e un solo operatore = un operone. Jacob e Monod descrissero l'operone lac di E. coli:

Senza lattosio: il repressore si siede sull'operatore e blocca l'RNA polimerasi → geni spenti.

Con lattosio: il lattosio (l'induttore) si lega al repressore, ne cambia la forma e lo fa staccare dall'operatore → l'RNA polimerasi trascrive z, y, a → si formano gli enzimi. Questa è la regolazione negativa di un operone inducibile. Quando il lattosio è finito, il repressore si lega di nuovo.

Progetto Genoma Umano e genoma del riso

Il Progetto Genoma Umano (HGP) si svolse dal 1990 al 2003 per leggere tutte le circa 3 × 10⁹ bp del DNA umano. Metodi: Expressed Sequence Tags (trovare i geni espressi) e annotazione di sequenza (leggere tutto, poi cercare i geni). Il DNA fu tagliato in pezzi, clonato in vettori BAC/YAC, sequenziato con macchine automatiche (metodo di Sanger) e ricomposto dai computer grazie alle sovrapposizioni.

Risultati principali

Tra gli altri organismi sequenziati ci sono il riso, batteri, lievito, Caenorhabditis elegans, il moscerino della frutta e Arabidopsis. Il genoma del riso aiuta a trovare i geni per la resa, la resistenza alle malattie e la tolleranza allo stress.

Impronta genetica (DNA fingerprinting)

Il 99,9% del DNA è uguale in tutti gli esseri umani, quindi si confronta lo 0,1% che differisce, soprattutto il DNA ripetitivo. Quando il DNA viene centrifugato in un gradiente di densità, le ripetizioni formano piccoli picchi chiamati DNA satellite. Non codificano proteine e variano molto da persona a persona (polimorfismo). Alec Jeffreys sviluppò il metodo usando i VNTR (Variable Number of Tandem Repeats, ripetizioni in tandem a numero variabile).

  1. Isolare il DNA (sangue, radice di un capello, saliva, sperma).
  2. Tagliarlo con enzimi di restrizione.
  3. Separare i frammenti con l'elettroforesi su gel.
  4. Trasferirli su una membrana di nylon/nitrocellulosa (Southern blotting).
  5. Aggiungere una sonda VNTR marcata che si attacca ai pezzi corrispondenti (ibridazione).
  6. Rivelare le bande su pellicola a raggi X (autoradiografia).

Un figlio riceve metà delle bande dalla madre e metà dal padre. Usi: casi forensi, test di paternità, studi di popolazione e di evoluzione. La PCR può moltiplicare prima campioni minuscoli.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Un campione di DNA ha il 20% di adenina. Trova la % di T, G e C.

Passo 1: A = T, quindi T = 20%. Passo 2: A + T = 40%, quindi G + C = 60%. Passo 3: G = C = 30% ciascuna.

2. Una molecola di DNA ha 1000 coppie di basi, di cui 300 sono coppie A–T. Quanti legami a idrogeno tengono insieme i due filamenti?

Passo 1: coppie G–C = 1000 − 300 = 700. Passo 2: legami H = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100. Risposta: 2700 legami H.

3. Trova la lunghezza di una molecola di DNA con 5386 coppie di basi (la dimensione del fago φX174).

Passo 1: lunghezza = bp × 0.34 nm. Passo 2: 5386 × 0.34 = 1831.24 nm. Risposta: circa 1.83 µm.

4. Scrivi l'mRNA prodotto dal filamento stampo 3′-TACGCAATG-5′.

Passo 1: appaia ogni base: T→A, A→U, C→G, G→C. Passo 2: mRNA 5′-AUGCGUUAC-3′. Passo 3: è uguale al filamento codificante 5′-ATGCGTTAC-3′ con U al posto di T.

5. Un mRNA si legge 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′. Quanti amminoacidi avrà la proteina, e quali?

Passo 1: leggi i codoni: AUG (Met), UUU (Phe), GGC (Gly), AAA (Lys), UGA (stop). Passo 2: lo stop non aggiunge amminoacidi. Risposta: 4 amminoacidi: Met–Phe–Gly–Lys.

6. Una proteina ha 300 amminoacidi. Qual è il numero minimo di basi della sua parte codificante di mRNA (con il codone di stop)?

Passo 1: 300 codoni per gli amminoacidi + 1 stop = 301 codoni. Passo 2: 301 × 3 = 903 basi.

7. E. coli con DNA solo ¹⁵N viene spostato in terreno ¹⁴N. Dopo 3 generazioni, quale frazione delle molecole di DNA è ibrida?

Passo 1: molecole dopo 3 generazioni = 2³ = 8 (partendo da una). Passo 2: solo 2 conservano un filamento ¹⁵N vecchio → ibride. Passo 3: 2/8 = 1/4 ibride, 6/8 = 3/4 leggere.

8. Nell'mRNA AUG CCU AAA UGA viene eliminata una base (la C in posizione 4). Che cosa succede?

Passo 1: nuova sequenza AUG CUA AAU GA… Passo 2: i codoni cambiano dopo la delezione: Met–Leu–Asn… Passo 3: è una mutazione frameshift: tutti gli amminoacidi successivi cambiano e il codone di stop può andare perso.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. Quale esperimento dimostrò, con ³²P e ³⁵S, che il DNA è il materiale genetico?
2. La distanza tra due coppie di basi nel B-DNA è:
3. Quale RNA polimerasi degli eucarioti produce l'hnRNA?
4. L'induttore dell'operone lac è:
5. I VNTR usati nell'impronta genetica sono un tipo di:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra replicazione e trascrizione?

La replicazione copia tutto il DNA (entrambi i filamenti) per fare DNA prima della divisione cellulare. La trascrizione copia solo un gene, da un solo filamento, per fare RNA.

Perché il DNA è un materiale genetico migliore dell'RNA?

Il DNA è più stabile (non ha il 2′-OH, ha la timina) ed è a doppio filamento, quindi può riparare gli errori. L'RNA reagisce facilmente e muta in fretta.

Quali domande di questo capitolo escono all'esame?

Molto spesso si chiedono Hershey–Chase, Meselson–Stahl, lo schema dell'operone lac, l'unità di trascrizione, le caratteristiche del codice genetico, i risultati dell'HGP e i passi dell'impronta genetica.

Dove si studia

Canada (Ontario)Grade 12D. Molecular Genetics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Self-organisation of cells
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-regulation (part 3)
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-organisation (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIVI. Expression of genetic information in human cells
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVXIII. Expression of genetic information
RomaniaClasa a XII-aGenetics
Spain4º ESOGenetics and evolution
Spain2º BachilleratoMolecular genetics
Ukraine9 класHeredity and variation
CBSE (India)Class 12Genetics and Evolution
England (GCSE, A level)Year 123.1 Biological molecules
England (GCSE, A level)Year 123.4 Genetic information, variation and relationships
England (GCSE, A level)Year 133.8 The control of gene expression
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Gene Expression and Regulation
Japan高校1年Characteristics of living things
Japan高校2年Gene expression and development
South Korea고등학교 2학년Genes and genetic material
South Korea고등학교 2학년Gene expression
South Korea고등학교 3학년Gene expression and control
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Genetics and genetic engineering
FranceTerminaleHuman biology and pathophysiology
FranceTerminalePart S: scientific concepts
Russia10 классGenetic information in the cell
Russia10 классLife processes of the cell
China高一Comp.2 Ch.4 Gene expression

Da studiare prima

Da studiare dopo

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