DNA,mRna,tRna: duplicazione, replicazione e trascrizione

Didascalia alternativa:

DI WATSON E CRICK watson(genetista)e crick(fisico) Si sforzarono di mettere insieme in un unico modello tutto ciò che fino a quel momento era stato scoperto sulla struttura del DNA: - I risultati della cristallografia mostravano che la molecola era a forma di elica. - nella molecola c'erano due catene polinucleotidiche affiancate, che correvano in direzioni opposte, cioè erano antiparallele. I risultati di chargaff suggerivano che la quantità totale di purine fosse pari a quella della Pirimidine. - LA STRUTTURA MOLECOLARE DEL DNA La macromolecola del DNA è composta da due catene polinucleotidiche appaiate tra loro e avvolte intorno allo stesso asse a formare una doppia elica. La molecola presenta tre caratteristiche importanti: 1. Le catene sono complementari e antiparallele; 2. I Legami tra i nucleotidi all'interno di ciascuna catena sono legami covalenti, mentre quelli che uniscono i due filamenti appaiati sono legami a idrogeno. 3. L'elica ha diametro costante e avvolgimento destrogiro (cioè si avvolge seguendo un orientamento orario rispetto l'asse centrale) LA STRUTTURA DELLE CATENE ogni catena è formata da una sequenza di nucleotidi uniti da legami covalenti tra il gruppo fosfato legato al carbonio 5' e l'ossigeno legato al carbonio 3'. I legami covalenti si formano per condensazione tra il gruppo ossidrile (-OH) del desossiribosio e uno del gruppo fosfato (-OPO-3), pertanto ogni nucleotide si lega ad altri due nucleotidi. LE DUE CATENE SONO COMPLEMENTARI Nella molecola di DNA le due catene sono tenute insieme da legami a idrogeno tra le basi, che sono rivolte verso il centro. Le basi azotate si appaiano secondo regole costanti: l'adenina con la timing formando 2 legami a idrogeno. La guanina si appaia con la Citosina formando 3 legami a idrogeno. Questo schema di appaiamento prende il nome di complementarietà delle basi. LE DUE CATENE SONO ANTIPARALLELE oltre ad essere complementari, i due filamenti sono antiparalleli, cioè orientati in direzioni opposte. Le estremità delle catene sono dette estremità 5', quella che presenta un gruppo fosfato, e estremità 3', quella che presenta il gruppo ossidrile. In una doppia elica di DNA, l'estremità 5' di un filamento corrisponde l'estremità 3' dell'altro filamento. LA DOPPIA ELICA La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica: possiamo immaginaria come una scala a pioli in cui i montanti sono formati da gruppi fosfati e zuccheri alternati; ogni scalino corrisponde a una coppia di basi. Le coppie di basi sono planari (distese orizzontalmente) e sono stabilizzate da interazioni idrofobiche. Pelica compie un giro completo ogni 10 coppie di basi. l'elica è destrogira: osservandola dall'alto essa appare avvolgersi in senso orario La struttura del DNA proposta da watson e crick spiegava elegantemente due funzioni fondamentali del DNA. Nel materiale genetico è disposta l'informazione genetica dell'organismo. Le informazioni genetiche sono contenute nella sequenza lineare delle basi azotate che formano ciascun filamento. Questa sequenza può immagazzinare un'enorme quantità di informazioni ed essere così responsabile delle differenze fra specie e individui. Il materiale genetico va incontro a replicazioni durante il ciclo cellulare. La replicazione del DNA può realizzarsi grazie alla complementarietà delle basi appaiate: ogni filamento può essere utilizzato come stampo per produrre un nuovo filamento. LA REPLICAZIONE DEL DNA LA MOLECOLA DI DNA È IN GRADO DI REPLICARE SE STESSA I primo esperimento per capire come il materiale genetico si replicasse fu svolto da Arthur Kornberg che dimostrò che era possibile sintetizzare un nuovo DNA con la stessa composizione di basi di un DNA di partenza in una provetta che conteneva tre tipi di sostanze: i quattro nucleotidi desossiribonucleosidi trifosfati (contenenti il desossiribosio); L'enzima DNA polimerasi; • un DNA Stampo per guidare l'ingresso dei nucleotidi. LA REPLICAZIONE DEL DNA È SEMICONSERVATIVA La replicazione del DNA poteva essere di 3 tipi: SEMICONSERVATIVO, ciascuna molecola di DNA contiene un intero Finalmento vecchio e un intero filamento nuovo. CONSERVATIVO, le molecole originali vengono mantenute e si assiste alla sintesi di un'intera nuova molecola di DNA. DISPERSIVO, produce due molecole I cui filamenti sarebbero Costituiti da frammenti di DNA vecchio e neosintetizzato. Grazie all'esperimento di Meselson e stahl possiamo dire che si replica in modo semiconservativo. - LE DUE FASI DELLA REPLICAZIONE La replicazione semiconservativa del DNA richiede precise condizioni: o I nucleotidi trifosfato necessari per costruire la nuova molecola o un DNA persistente o un complesso di replicazione o un primer cioè un filamento di RNA come punto di partenza per la replicazione O Numerose proteine La replicazione avviene in 2 tappe: 1. La doppia elica del DNA, con l'aiuto di specifici enzimi, si despiralizza e si rompono i legami a idrogeno tra basi appaiate, per permettere la separazione dei due filamenti stampo. 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 caratterizzata dall'enzima DNA polimerasi. I nucleotidi Si vanno ad aggiungere al nuovo filamento in accrescimento solo all'estremità 3', quella dove il filamento di DNA presenta un gruppo ossidrile libero sul carbonio 3¹ del desossiribosio terminale. Il nuovo nucleotide trifosfato si lega al gruppo -он al 3¹ del nucleotide del filamento in crescita, mediante un legame fosfodiestere. IL COMPLESSO DI REPLICAZIONE Poiché il DNA si replichi, il filamento stampo deve interagire con norme complesso proteico, detto complesso di replicazione. Il primo evento è lo svolgimento e la separazione dei filamenti di DNA. un gruppo di proteine, le topoisomerasi, agiscono modificando l'avvolgimento della molecola di DNA e consentendone il rilassamento; qui subentra l'enzima elicasi che rompe i legami a idrogeno e le interazioni idrofobiche che tengono uniti i due filamenti di DNA. Una serie di proteine (SBB,SINGLE STRAND BINDING PROTEINS) Si legano ai filamenti per impedire che questi si associno tra loro e si riformi la doppia elica. LA FORMAZIONE DELLE FORCELLE DI REPLICAZIONE Prima che inizi la sintesi del DNA, i Suoi filamenti si separano e si forma una bolla di duplicazione in punti precisi del DNA, gli ori di duplicazione. Le bolle diventano sempre più grandi fino a fondersi, così si ottengono due copie del DNA di partenza. A partire dall'origine della replicazione, il DNA Si replica in entrambe le direzioni, formando due distinte forcelle di replicazione, ovvero i Siti in cui il DNA Si Svolge ed espone le basi azotate. Entrambi i filamenti del DNA agiscono contemporaneamente da stampo per la formazione di nuovi filamenti; nel frattempo lungo i filamenti stampo non appaiati avviene la sintesi dei nuovi filamenti. LE CARATTERISTICHE DELLE DNA POLIMERASI Le DNA polimerasi possiedono due caratteristiche importanti: 1. sono capaci di allungare un filamento polinucleotidico legando in modo covalente un nucleotide per volta a un filamento preesistente, ma non riescono a iniziarne uno dal nulla. Per questo motivo è necessario un filamento di avvio, detto primer.il pimer 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 da DNA. 2. Le DNA polimerasi lavorano in una sola direzione, ovvero gli enzimi aggiungono nucleotidi solo all'estremità 3' del primer. Di conseguenza, l'allungamento procede in modo diverso sui due Filamenti antiparalleli di DNA. 3. 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. ciò accade perché il filamento lento punta nella direzione <<Sbagliata»: mano a mano che la forcella si apre, la sua estremità 3¹ libera si allontana sempre di più dal punto di apertura, cosicché si viene a formare uno spazio voto, non replicato, che sarebbe destinato a diventare sempre più ampio. Per risolvere il problema vengono prodotti brevi segmenti discontinui, detti frammenti di Okazaki. I frammenti di Okazaki sono sintetizzati allo stesso modo del filamento veloce, cioè per aggiunta di un nuovo nucleotide per volta all'estremità 3' del filamento di nuova formazione; la sintesi del filamento lento, però, procede in direzione opposta rispetto all'apertura della forcella di replicazione, quindi ha bisogno di un proprio primer. un dna ligasi unisce i frammenti di DNA neo Sintetizzati creando un filamento unico. Alla fine della duplicazione il DNA Si spiralizza a formare la doppia elica. I TELOMERI NON SI REPLICANO COMPLETAMENTE Nel DNA lineare degli eucarioti, dopo la rimozione del primer terminale, non è più possibile sintetizzare il DNA CHE IO SOStituisca, perché non c'è un'estremità 3' da prolungare. Pertanto il nuovo cromosoma presenta a entrambe le estremità un pezzetto di DNA a filamento singolo. A questo punto si attivano dei meccanismi che tagliano via la porzione a filamento singolo, insieme a una parte a filamento doppio. Di conseguenza, a ogni divisione cellulare, il cromosoma si accorcia. Per questo motivo in molti eucarioti le estremità dei cromosomi portano delle sequenze ripetitive chiamate telomeri. Nella specie umana, la sequenza del telomero è TTAGGG ed è ripetuta circa 2500 volte. Nei cromosomi umani, a ogni ciclo di replicazione del DNA e divisione cellulare, il DNA telomerico 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. Alcune cellule che continuano a dividersi, come le cellule staminali del midollo osseo e le cellule produttrici dei gameti: in queste cellule esiste un enzima, la telomerasi, che catalizza l'aggiunta della sequenza telomerica eventualmente persa. La telomerasi contiene una sequenza di RNA che funziona da stampo per la sequenza telomerica ripetuta. LA CORREZIONE DEGLI ERRORI DI REPLICAZIONE DEL DNA Il meccanismo della replicazione del DNA non è perfetto. La DNA polimerasi compie una quantità notevole di errori: il tasso osservato nelle DNA polimerasi umane produrrebbe 60.000 mutazioni ogni volta che una cellula umana si divide. Per fortuna le cellule 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 appartamenti sbagliati una riparazione per escissione che rimuove le basi anomale e le Sostituisce con basi funzionali. ogni volta che introduce un nuovo nucleotide in un filamento in allungamento, la DNA polimerasi svolge una funzione di correzione di bozze: toglie il nucleotide introdotto impropriamente e ci riprova. Nel meccanismo di riparazione per escissione appositi enzimi ispezionano costantemente il DNA della cellula e quando trovano basi improprie o alterate tagliano via il filamento difettoso.un altro enzima rimuove la base colpevole e quelli adiacenti, mentre la DNA polimerasi e sintetizza e attacca una nuova sequenza di basi al posto di quella estirpata. LA RELAZIONE TRA GENI ED ENZIMI Il loro lavoro sperimentale di Beadle e Tatum consentì di Stabilire che le mutazioni avevano un effetto semplice e che ogni mutazione in un determinato gene causava la perdita di funzionalità dell'enzima specificato da quel gene, formulando l'ipotesi "un gene, un enzima". La relazione gene-enzima, poi, ha subito alcune modifiche. anziché dire "un gene, un enzima" è più giusto usare l'espressione "un gene, un polipeptide". In altre parole, la funzione di un gene è il controllo della produzione di un singolo polipeptide specifico. L'INFORMAZIONE PASSA DAL DNA ALLE PROTEINE IL DOGMA CENTRALE: LA TRASCRIZIONE E LA TRADUZIONE. Il DNA è il detentore dell'informazione genetica ed è quasi interamente confinato nel nucleo, mentre le proteine determinano il fenotipo e sono sintetizzate nel citoplasma. Tra gli scienziati c'era Francis crick, che nel 1958 enunciò quello che lui stesso definì il dogma centrale della biologia molecolare: il gene è un tratto di DNA contenente le informazioni per la produzione di una catena polipeptidica, ma la proteina non contiene l'informazione per la produzione dell'RNA O del DNA. Questo principio solleva due interrogativi e di conseguenza due ipotesi. in che modo l'informazione passa dal nucleo al citoplasma? Per spiegarlo il gruppo di crick propose che da un filamento di DNA di un particolare gene si formasse per copia complementare una molecola di RNA (MRNA O RNA Messaggero), che si sposta dal nucleo al citoplasma dove serve da stampo per la sintesi delle proteine. Il processo con cui si forma questo RNA si chiama trascrizione. Per spiegare in che modo una sequenza di DNA si trasforma nella sequenza di aminoacidi di un polipeptide,crick suggerì l'ipotesi dell'adattatore: deve esistere una molecola adattatrice capace di legarsi in modo specifico a un amminoacido e di riconoscere una sequenza di nucleotidi, questa molecola è l'RNA transfer, o tRNA. Il tRNA È in grado di tradurre il linguaggio del DNA in linguaggio delle proteine. Questi adattatori legati agli aminoacidi si allineano lungo la sequenza dell'mRNA, questo processo viene chiamato traduzione. L'RNA È LEGGERMENTE DIVERSO DAL DNA un intermediario fondamentale fra il tratto di una molecola di DNA e il polipeptide che a esso corrisponde è I'RNA. Questo polinucleotide è simile al DNA, ma differisce per tre aspetti: - È formato da un unico filamento - La molecola di zucchero e il ribosio - Le basi azotate sono adenina, guanina, citosina, e l'uracile che ha una struttura simile alla timina che sostituisce. L'RNA Si appaia alle basi di un filamento singolo di DNA, obbedisce alle stesse regole di complementarietà delle basi del DNA, salvo per l'adenina che si appaia con l'uracile anziché con la timina. L'RNA può ripiegarsi su se sesso e assumere forme complesse in seguito a un appaiamento di basi intramolecolare. Esistono numerose classi di RNA, ognuna delle quali svolge funzioni specifiche - MRNA (messaggero): è l'intermediario che porta una copia delle informazioni di un tratto di DNA ai ribosomi, la sua caratteristica più importante è la sequenza lineare - tRNA (transfer): è l'adattatore che porta gli aminoacidi ai ribosomi e li colloca nella posizione corretta grazie a una struttura tridimensionale - rRNA (ribosomiale): entra a far parte dei ribosomi e permette di realizzare la sintesi proteica. Ha un ruolo strutturale e funzionale. LA TRASCRIZIONE: DAL DNA ALL'RNA LA TRASCRIZIONE AVVIENE IN 3 TAPPE All'interno di ciascun gene viene trascritto uno solo dei due filamenti di DNA, il filamento stampo, mentre il filamento complementare resta non trascritto. 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. I promotori sono importanti sequenze di controllo che "dicono" all'RNA polimerasi tre cose: da dove far partire la trascrizione, quale filamento del DNA trascrivere e in quale direzione procedere. una parte di ogni promotore è il sito di inizio, Dove incomincia la trascrizione. ogni gene ha un promotore, ma ci sono differenze fra i promotori degli eucarioti e quelli dei procarioti. In quest'ultimi, il promotore è una sequenza di DNA in prossimità dell'estremità 5¹. un promotore procariote possiede due sequenze fondamentali: la sequenza di riconoscimento, (riconosciuta dall'RNA polimerasi) e il Tata box, dal quale il DNA inizia a denaturarsi per esporre il filamento stampo. Negli eucarioti L'RNA polimerasi non è in grado di legarsi semplicemente al promotore e iniziare a trascrivere, infatti si lega al DNA soltanto dopo che sul cromosoma si sono associate varie proteine dette fattori di trascrizione. Il primo fattore di trascrizione si lega al Tata box, inducendo un cambiamento di forma sia di se stesso sia del DNA, favorendo così il legame di altri fattori di trascrizione che vanno a formare il complesso di trascrizione. Dopo che I'RNA polimerasi sì è legato al promotore, comincia il secondo stadio della trascrizione: l'allungamento. L'RNA polimerasi apre il DNA e legge il filamento stampo in direzione 3'5'. come la DNA polimerasi, anche I'RNA polimerasi aggiunge i nuovi nucleotidi all'estremità 3' del filamento in crescita, quindi la direzione in cui cresce I'RNA è da 5'-3'ma non ha bisogno di un primer per dare inizio al processo. Dopo l'allungamento avviene la terminazione (terzo stadio della trascrizione). Negli eucarioti il primo prodotto della trascrizione, o trascritto primario, è più lungo dell'mRNA maturo e deve andare incontro a un notevole processo di trasformazione prima di essere tradotto. IL CODICE GENETICO La sequenza di nucleotidi che compone I'RNA contiene le informazioni necessarie a reclutare e mettere in ordine gli aminoacidi: è il linguaggio del codice genetico. Il messaggio contenuto nella molecola di RNA può essere visto come una serie lineare di parole di tre lettere. ogni sequenza di 3 basi lungo la catena polinucleotidica dell'RNA è un'unità di codice, o codone e specifica di un particolare amminoacido. ciascun codone è complementare alla corrispondente tripletta di basi nella molecola di DNA su cui è stato trascritto. Il codice genetico crea una corrispondenza tra i codoni e loro specifici aminoacidi. ci sono molti più codoni di quanti siano i diversi aminoacidi delle proteine. con quattro possibili lettere si possono scrivere 64 parole di tre lettere, ma gli aminoacidi sono solo 20. AUG codifica la metionina, è anche il codone di inizio, il segnale che avvia la traduzione. Tre codoni UAA, UAG, UGA Funzionano da codoni di Stop, la traduzione si interrompe e il polipeptide si stacca. Il codice genetico presenta due caratteristiche principali: - il codice è degenerato ma non è ambiguo: tolti i codoni di inizio e di stop, restano 60 codoni, molti di più di quelli necessari per codificare gli altri 19 amminoacidi: infatti a quasi tutti gli aminoacidi corrispondono più codoni. Per questo si dice che il codice è degenerato. Il codice genetico non è ambiguo: un amminoacido può essere specificato da più codoni, ma un codone può specificare un solo amminoacido. Il codice genetico è quasi universale: nella maggior parte delle specie un codone specifica sempre lo stesso amminoacido. Quindi il codice deve essersi affermato in tempi remoti ed allora si è conservato immutato durante tutta l'evoluzione. Ci sono ovviamente delle eccezioni: il codice dei mitocondri e dei cloroplasti e un po' diverso rispetto a quello dei procarioti. Il significato di queste differenze non è chiaro. LA TRADUZIONE: DALL'RNA ALLE PROTEINE IL RUOLO DELL'TRNA La traduzione dell'mRNA in proteine richiede una molecola che mette in relazione l'informazione contenuta nei codoni dell'mRNA CON specifici aminoacidi delle proteine. Questa funzione è svolta dal tRNA. Il tRNA deve leggere correttamente i codoni dell'mRNA e associare a ciascuno l'amminoacido corrispondente. per farlo la molecola di tRNA SVOlge tre funzioni: - Si carica di un amminoacido - Si associa alle molecole di mRNA - Interagisce con i ribosomi All'estremità 3' del trna si trova un sito di attacco per l'amminoacido, dove si lega in modo covalente. verso la metà della sequenza di tRNA c'è un gruppo di tre basi, chiamato anticodone, che costituisce il Sito di appaiamento fra le basi complementari con I'mRNA. GLI ENZIMI ATTIVANTI LEGANO I TRNA AGLI AMINOACIDI Il caricamento dei TRNA avviene grazie agli enzimi aminoacil-TRNA- Sintetasi che legano l'amminoacido al TRNA. PER LA TRADUZIONE SERVONO I RIBOSOMI un ruolo determinante nella sintesi proteica è svolto dai ribosomi: sono strutture complesse in grado di assemblare correttamente una catena polipeptidica, trattenendo nella giusta posizione I'mRNA e il tRNA. I ribosomi non sono specifici per la sintesi di un solo polipeptide. La sequenza polipeptidica da produrre è specificata solo dalla sequenza lineare dei codoni dell'mRNA. I ribosomi hanno una massa di svariati milioni di dalton e ciò li rende molto più voluminosi dei tRNA carichi. Ogni ribosoma è costituito da due subunità che si uniscono solo durante la traduzione. La subunità maggiore è composta da tre molecole diverse di RNA ribosomiale e da 45 molecole proteiche differenti. La subunità minore contiene una sola molecola di rRNA e 33 molecole proteiche diverse. I ribosomi dei procarioti sono un po' più piccoli e contengono proteine ed RNA diversi. Anche i mitocondrie i cloroplasti contengono ribosomi simili a quelli dei procarioti. sulla subunità maggiore si trovano tre siti di legame per i tRNA. - Nel Sito A (amminoacilico): l'anticodone del tRNA carico si lega al codone dell'mRNA - Nel Sito P (polipetdilico): il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in crescita. - Nel Sito E (exit): Viene a trovarsi il tRNA che ormai ha consegnato il proprio amminoacido, prima di staccarsi dal ribosoma, tornare nel Citosol e raccogliere un'altra molecola di amminoacido per ricominciare il processo LE TAPPE DELLA TRADUZIONE: L'INIZIO La traduzione avviene in 3 tappe: inizio, allungamento e terminazione. La traduzione dell'mRNA incomincia con la formazione del complesso di inizio, costituito da: • un tRNA caricato del primo amminoacido: la metionina(primo amminoacido di ogni catena polipeptidica, anche se in alcuni casi alla fine della traduzione può essere rimossa da degli enzimi). da una subunità ribosomiale minore, che si associa all' mrna in un Sito di legame complementare. Dopo che il tRNA caricato di metionina si lega all'mRNA, si unisce la subunità maggiore del ribosio. Queste componenti sono tenute insieme da un gruppo di proteine dette fattori di inizio LE TAPPE DELLA TRADUZIONE: L'ALLUNGAMENTO L'allungamento procede nel sito A dove giunge un tRNA carico, il cui anticodone è complementare al secondo codone dell'mRNA. Qui la subunità maggiore Fa accadere 2 reazioni: 1. nel Sito P si rompe il legame fra il tRNA e il suo amminoacido 2. Si forma un legame peptidico fra questo amminoacido e quello attaccato al tRNA Situato nel sito A. successivamente il primo tRNA si sposta nel sito E, quindi si stacca dal ribosoma e ritorna nel citosol per ricaricarsi. Le tappe si ripetono per tutta la lunghezza dell'mRNA, tramite la partecipazione di proteine dette fattori di allungamento. LE TAPPE DELLA TRADUZIONE: LA TERMINAZIONE La terminazione avviene quando nel sito A entra uno dei tre codoni di Stop che codificano un fattore di rilascio che consente l'idrolisi del legame tra la catena polipeptidica e il tRNA. LE MODIFICHE POST-TRADUZIONE ALI DELLE PROTEINE Nella sequenza aminoacidica di ogni proteina indicata sia la sua conformazione strutturale sia la destinazione finale all'interno della cellula.le proteine subiscono una serie di modifiche post- traduzionali. La maggioranza dei polipeptidi deve essere modificata dopo la traduzione per poter diventare proteine funzionali. La proteine puo subire: - - L'azione di gruppi fosfato che ne modifica la forma La dizione di zuccheri è importante per le funzioni di indirizzamento e riconoscimento Il taglio del polipeptide permette ai frammenti di ripiegarsi nella loro forma attiva LE MUTAZIONI SONO CAMBIAMENTI NEL DNA LE MUTAZIONI NON SONO SEMPRE EREDITARIE In qualsiasi cellula possono verificarsi errori di duplicazione del DNA. Negli organismi pluricellulari si riconoscono due tipi di mutazioni: 1. Le mutazioni somatiche: quelle che si verificano nel soma (organismo), in seguito alla mitosi, e non vengono ereditate dalla prole generata per riproduzione sessuata. 2. Le mutazioni nella linea germinale: si verificano nelle cellule germinali, (produzione di gameti) e sono ereditarie. GLI EFFETTI DELLE MUTAZIONI Non tutte le mutazioni hanno effetti fenotipici. - una mutazione silente non ha effetto sulla funzione della proteina. Può essere una mutazione in una regione del DNA che non codifica per una proteina, oppure può essere nella parte codificante di un gene ma non ha effetto sulla sequenza di amminoacidi a causa della ridondanza del codice genetico. - una mutazione con perdita di funzione danneggia la funzione della proteina. una mutazione del genere può causare la mancata espressione di un gene o il gene può essere espresso ma produrre una proteina che non è più in grado di svolgere il suo ruolo nella cellula. - una mutazione con acquisto di funzione produce una proteina con una funzione alterata. Questo tipo di mutazione mostra eredità dominante, questo tipo di mutazione è comune nei tumori. Alcune mutazioni producono il fenotipo a esse corrispondente soltanto in condizioni restrittive, mentre in condizioni permissive non sono visibili. Questi fenotipi prendono il nome di mutanti condizionali. Molti mutanti condizionali sono sensibili alla temperatura, cioè manifestano il fenotipo modificato solo a certe temperature. TRE CATEGORIE DI MUTAZIONI le mutazioni sono cambiamenti nella sequenza nucleotidica del DNA; a livello molecolare le possiamo suddividere in: - mutazioni puntiformi: mutazioni di una singola coppia di basi, quindi riguardano un solo gene: un allele si trasforma in un altro a causa di un'alterazione di un solo nucleotide. - mutazioni cromosomiche: riguardano un segmento di DNA, che può subire un cambiamento di posizione o di orientamento. -mutazioni del cariotipo che riguardano il numero dei cromosomi presenti in un individuo, che possono essere di più o di meno rispetto alla norma. LE MUTAZIONI PUNTIFORMI Le mutazioni puntiformi si possono produrre in seguito a un errore nella duplicazione del DNA sfuggito al processo di correzione di bozze, oppure a causa di agenti mutageni ambientali, come le radiazioni e certe sostanze chimiche. Le mutazioni puntiformi del DNA producono un cambiamento nella sequenza dell'mRNA. LE MUTAZIONI SILENTI per effetto della degenerazione del codice genetico, alcune sostituzioni di base non producono cambiamenti della sequenza amminoacidica prodotta per traduzione dell'mRNA alterato. sono molto frequenti e sono alla base della variabilità genetica che non trova espressione in differenze Fenotipiche. LE MUTAZIONI DI SENSO Alcune sostituzioni, di base, modificano il messaggio genetico in modo tale che nella proteina troviamo un amminoacido al posto di un altro. Essa può anche comportare la perdita di funzionalità di una proteina, oppure ne riduce l'efficienza. Le mutazioni di senso possono essere compatibili con la sopravvivenza degli individui portatori. Alcune mutazioni di senso possono perfino accrescere l'efficienza della funzione di una proteina. LE MUTAZIONI NON SENSO Hanno un effetto più distruttivo delle mutazioni di senso. In una mutazione non senso, la sostituzione della base fa sì che nell'mRNA risultante si formi un codone di Stop, come per esempio UAG. UNA mutazione di non senso, interrompendo la traduzione nel punto in cui si è verificata, porta alla sintesi di una proteina più breve del normale, che normalmente non è attiva. LE MUTAZIONI PER SCORRIMENTO DELLA FINESTRA DI LETTURA Riguardano singole coppie di basi che si inseriscono nel DNA oppure vengono rimosse. Esse mandano fuori registro il messaggio genetico, alternandone la decodifica. se all'mRNA si aggiunge o si toglie una base, la traduzione va avanti senza problemi fino al punto di inserimento o sottrazione della base, da quel punto in poi le "parole" di tre lettere del messaggio genetico risultano tutte scalate di una lettera. LE MUTAZIONI CROMOSOMICHE La molecola di DNA può spezzarsi e ricongiungersi, alterando totalmente la sequenza dell'informazione genetica. Le mutazioni cromosomiche possono essere di quattro tipi: 1. Delezione: rimuove parte del materiale genetico. Ha conseguenze gravi come quelle delle mutazioni per scorrimento della finestra di lettura. un cromosoma si spezza in due punti e le due porzioni esterne su ricongiungono lasciando fuori il segmento di DNA intermedio. 2. Duplicazione: si può verificare in contemporanea con una d'elezione. se i cromosomi omologhi si rompono in due punti diversi e ciascuno si va ad attaccare al pezzo dell'altro, si ha insieme una delezione e una duplicazione: un cromosoma sarà privo del segmento di DNA (delezione), mentre l'altro ne conterrà due copie(duplicazione). 3. Inversione: rottura di un cromosoma e ricongiungimento errato. un segmento di DNA può staccarsi e reinserirsi nello stesso punto del cromosoma ma “girato al contrario”; la proteina risultante sarà profondamente alterata è quasi certamente non funzionante. 4. Traslocazione: avviene quando un segmento di DNA Si distacca dal proprio cromosoma e va ad inserirsi in un cromosoma diverso. Le traslocazioni possono essere reciproche o non reciproche. POSSono provocare disfunzioni nei gameti e sterilità. Le traslocazioni sono alterazioni frequenti in molte malattie genetiche e in alcuni tumori. LE MUTAZIONI CARIOTIPICHE Le mutazioni cariotipiche si verificano quando un organismo presenta dei cromosomi in più o dei cromosomi in meno. se sono presenti interi corredi cromosomici in più o in meno si parla di euploidia aberrante, se è solo una parte del corredo cromosomico ad essere in eccesso o in difetto, l'anomalia è chiamata aneuploidia. Negli organismi diploidi le forme di aneuploidia 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). Il caso più frequente è la trisomia 21, chiamata sindrome di DOWN, porta un ritardo dello sviluppo, bassa statura, problemi cardiaci e respiratori. Può derivare o da una non-disgiunzione meiotica i da una traslocazione di gran parte del cromosoma 21 sul cromosoma 14. sono note anche due trisomie, la sindrome di Patau (trisomia 13) e la Sindrome di Edwards (trisomia 18). In ambedue i casi nessun bambino che nasce supera i primi mesi di vita. Più frequenti sono le alterazioni di cromosomi sessuali abbiamo la Turner (femminexo) e Klinefelter(deriva dalla non-disgiunzione e porta alla nascita di maschi XXY) LE MUTAZIONI POSSONO ESSERE SPONTANEE O INDOTTE Le mutazioni possono essere classificante in base alla causa che le ha provocate: 1. spontanee: sono cambiamenti del materiale genetico che si verificano senza l'intervento di una causa esterna 2. Indotte: Si verificano in seguito a un cambiamento del DNA provocato da un fattore esterno alla cellula, detto agente mutageno. una mutazione spontanea può avvenire per vari motivi: - le basi del DNA sono parzialmente instabili: per ogni base esistono due forme diverse, una frequente e una rara. una base che abbia temporaneamente assunto la sua forma rara può appaiarsi con la base sbagliata (portando una mutazione puntiforme) - Le basi possono cambiare per una reazione chimica: per esempio la perdita di un gruppo amminico trasforma la citosina in uracile. Alla duplicazione del DNA, la DNA polimerasi inserirà A, anziché una G. La DNA polimerasi compie errori di duplicazione: questi errori sono riparati dal complesso di duplicazione in fase di correzione di bozze, ma alcuni sfuggono a questa funzione e diventano permanenti. - Il meccanismo della meiosi non è perfetto: si può verificare una non-disgiunzione che porta all'aneuploidia. Eventi casuali di rottura e successiva ricongiunzione dei cromosomi producono delezioni, duplicazioni e inversioni o traslocazioni. Anche le mutazioni indotte da agenti mutageni presentano vari meccanismi di alterazione del DNA. Le radiazioni possono danneggiare il DNA, alterandone la struttura o causando la rottura della molecola. Le mutazioni spesso producono organismi meno idonei all'ambiente, ma quelle della linea germinale sono fondamentali per la vita, perché forniscono la variabilità genetica su cui agiscono le forze dell'evoluzione.