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Storia, struttura, meccanismi.
Il primo ricercatore che intuì l’ereditarietà dei caratteri fu un abate boemo Mendel ( 1822-1884 ) che attraverso lavori sugli incroci vegetali, osservò come i caratteri della pianta fossero ereditari, incrociando piante con caratteristiche differenti tra di loro vide che i caratteri si ripetevano con frequenza variabile, si parlò di fenotipo, ovvero di tutto ciò che è visibile e dipendeva dal genotipo, ciò che è scritto nel codice genetico. I caratteri che si ripetevano vennero detti dominanti quelli invece che saltavano più generazioni prima di essere visibili, vennero detti recessivi. Fu lo scienziato tedesco Miescher nel 1869 che all’università di Tubinga isolò dal pus dei bendaggi una sostanza acida che definì “nucleina” in seguito si rivelò essere il DNA. Però anche questo lavoro, come quello precedente, non ebbe il giusto riconoscimento. Nel 1928 con gli esperimenti del microbiologo inglese Griffith, ci fu la certezza dell’esistenza di un fattore chimico in grado di modificare con le proprie caratteristiche organismi aventi caratteri differenti. Famoso il suo esperimento con il calore uccise alcuni pneumococchi ne mescolò l’estratto con batteri vivi ma senza capsula; osservò che i batteri avevano perso la possibilità di costruire la capsula e quindi di danneggiare le cellule di topi; dopo questa manipolazione ricostruivano il proprio codice portando il topo a morte. Fu un altro microbiologo inglese Avery dimostrò che i batteri potevano scambiarsi pezzi di una sostanza chimica chiamata “fattore trasformante”. Era il 1944 e si accettava l’idea che era una sostanza che custodiva il segreto dell’ereditarietà. Nel 1951 alcuni ricercatori riuscirono finalmente a determinare la struttura di questa molecola Watson Crick e Rosalind Franklin arrivando ad ottenere una fotografia chiara della molecola grazie ai raggi X. Fu definita la struttura e nel 1962 ottennero il premio Nobel. Nel 1957 Kornberg, scopre l’enzima DNA-polimerasi che ha la funzione di scrivere una nuova molecola di DNA. Nel 1960 viene scoperto l’RNA messaggero, nel 1966 viene decifrato il codice genetico, nel 1968 viene scoperta la DNA ligasi. Arriviamo al 1970 per avere il primo tentativo di introdurre un gene in una cellula malata, nasce così il DNA ricombinante. Nel 1975 viene descritto il primo metodo per la sintesi del DNA ma si deve arrivare al 1988 perché si attiva il progetto “genoma umano” con l’intento di identificare tutti i geni che compongono il DNA umano. Le ricerche le scoperte dopo questo periodo di tempo sono numerose e tutte importanti. In circa 150 di studio, le scoperte sono state di fondamentale importanza; saranno i prossimi anni che ci daranno un idea precisa sugli effetti di queste ricerche.
Ora cerchiamo di rispondere ad una serie di domanda che un interlocutore fantasma:
Formule chimiche dei componenti del DNA:
Quattro basi: le prime due puriniche: adenina e guanina, le altre due pirimidiniche: citosina e uracile.
ADENINA GUANINA CITOSINA TIMINA
Le basi puriniche sono legate allo zucchero in posizione 9 le basi pirimidiniche in posizione 1’ lo zucchero a sua volta lega le basi in posizione 1’ in posizione 3’ e 5’ alternativamente lega l’acido orto fosforico. Lo scheletro della molecola è costituito dallo zucchero e dall’acido orto fosforico, le basi sono orientate verso la parte interna della alfa elica che si produce. Nella figura sotto riportata è possibile osservare l’avvolgimento dell’elica del DNA.
Acido fosforico Desossiribosio Forma ad alfa elica
Alcune malattie avvengono per errori nella fase di modificazione, i trascritti non sono completi.
Formule chimiche dei componenti del RNA:
Le quattro basi sono due puriniche l’adenina e la guanina e due basi pirimidiniche l’uracile e la citosina.
ADENINA GUANINA CITOSINA URACILE
Lo zucchero è il ribosio e l’acido orto fosforico:
L’RNA a singolo filamento presenta il legame della base purinica in posizione 9, con le basi pirimidiniche in posizione 1, lo zucchero lega le basi in posizione 1’ l’acido fosforico in posizione 3’ e 5’ in alternanza. Il risultato è la formazione della singola elica.
Il processo non è molto semplice la comprensione di questi processi molto complessi necessita di attenzione studio e applicazione.
Ogni aminoacido viene attivato attraverso una serie di processi, la prima reazione è l’attivazione dell’aminoacido con ATP per formare un complesso AMP - AMINOACIL. Successivamente si forma il complesso con t RNA, la reazione è catalizzata da una serie di enzimi le aminoacil-t RNA sintetasi.
Ogni enzima è specifico per l’aminoacido e per il t RNA nel caso di aminoacidi con più di un t RNA lo stesso enzima può legare indifferentemente ognuno dei diversi t RNA relativi all’aminoacido l’enzima è specifico ed orchestra la reazione. Questi enzimi sono in grado di correggere eventuali accoppiamenti errati. Ogni acido nucleico t RNA possiede un diverso codice definito anticodon, una specie di tasca situata dalla parte opposta all’attacco dell’aminoacido.
ATP |
|
AMP |
+
|
H4P2O7 |
Durante questa reazione si consumano una molecola di ATP che si scinde in AMP e acido bi fosforico, spostando l’equilibrio verso l’aminoacido attivato con il t RNA. L’energia richiesta per detta reazione è quasi zero, perché l’energia derivante dall’idrolisi del legame estere dell’aminoacil-tRNA equivale a quella del gruppo fosforico terminale dell’ATP. La reazione è spostata verso sinistra perché si forma il bi fosfato, in tutto si consumano due molecole di acido fosforico e si forma una molecola di AMP. L’enzima sintetasi non si dissocia dall’oligo enzima ma rimane attaccata per tutta la reazione. L’aminoacido è legato al t RNA in posizione 3’ dell’ultimo zucchero dell’acido nucleico. Il legame avviene tra il gruppo carbossile dell’aminoacido e il gruppo ossidrile dello zucchero, in posizione 3’ formando un estere.
L’anticodon si accoppia al codon situato sul m RNA. Il t RNA ha una forma a L e all’ estremità 3’ possiede sempre la medesima sequenza C C A con l’ossidrile in posizione 3’ libero per poter legare l’aminoacido mediante il gruppo carbossilico. I ribosomi sono formati da RNA e proteine, di numero e natura differente, in funzione al tipo di cellula considerata
Ci sono sub unità grandi e piccole nell’E.coli vi sono due unità una di massa 50 S l’altra di 30 S. Tali unità si possono così schematizzare:
50 S ------------------ 23 S + 5 S + 35 proteine
70 S ------
30 S ----------------- 16 S + 20 proteine
Inizio della sintesi proteica:
Il ribosoma durante la sintesi proteica viene a dissociarsi solo il 30 S partecipa alla prima fase, solo in un secondo momento con la scomparsa del fattore di inizio III si attacca il 50 S, formando il complesso 70 S. I fattori di inizio sono tre ad ognuno un compito specifico, favoriscono il posizionamento del primo t RNA con l’aminoacido, sul m RNA a sua volta posizionano il secondo t RNA in funzione del codon letto. Formano il complesso detto di inizio sintesi. La prima molecola di t RNA si attacca al codon di inizio che presenta la tripletta AUG il sito viene detto P o peptidici sul ribosoma. L’altro dove si attacca il secondo t RNA viene detto sito A. La fase di allungamento consiste nell’aggiunta degli aminoacidi sino alla lunghezza specificata. Gli enzimi che agiscono sono differenti rispetto alla prima fase, il
t RNA legato al primo codon passa il proprio aminoacido, al secondo t RNA, mediante idrolisi si viene a liberare il gruppo carbossilico che si lega con il gruppo amminico libero. L’enzima responsabile del trasferimento è il peptidil trasferasi. Il secondo t RNA possiede due aminoacidi, cambia di posizione scorrendo sul m RNA, l’enzima responsabile del processo viene chiamato traslocasi.
Allungamento della sintesi proteica:
Questa fase è caratterizzata dall’aggiunta progressiva di aminoacidi alla nascente catena proteica. Gli enzimi che partecipano a questa nuova fase sono i fattori di allungamento, le traslocasi e il GTP dalla sua idrolisi si trae l’energia necessaria a costruire la catena proteica. Tutto questo funziona sino all’incontro con il segnale di stop blocco della sintesi, la proteina viene ad avere la giusta quantità di aminoacidi.
Fase di terminazione:
Al segnale di stop si ha il termine della sintesi, i fattori di terminazione idrolizzano la proteina dall’ultimo t RNA. Gli acidi nucleici vengono distrutti il ribosoma viene a dissociarsi e le proteine vengono assorbite all’interno del reticolo endoplasmatico, dove subiranno delle modificazioni. Anche l’apparato del Golgi è deputato alla trasformazione delle molecole proteiche come la formazione delle glico-proteine.
Il modello proposto è detto operon . Esistono geni repressori che portano alla formazione di proteine che bloccano la trascrizione ed esistono geni chiamati promotori che portano alla formazione di proteine che inibiscono il repressore e permettono la trascrizione. Accanto ai geni qui descritti abbiamo i geni strutturali che sono in grado di codificare proteine, RNA, enzimi e così via. Nel DNA i siti di legame dell’attivatore si trovano prima del sito del promotore, mentre i siti di legame del repressore detto operatore si trovano dopo il sito del promotore. Dopo il sito dell’operatore vi sono i geni strutturali.
Il modello è così concepito vi sono due siti di legame uno chiamato promotore ed è la regione contenente i siti di legame dell’RNA polimerasi, l’altra operatore ed è la regione in cui si legano le molecole del repressore. Se avviene il legame tra l’operatore e la molecola repressore la sintesi non può avvenire, perché la RNA polimerasi non può leggere i geni strutturali essendo il sito dell’operatore occupato. Il repressore, che è una proteina può essere sintetizzato in forma attiva e quindi funzionare subito bloccando la sintesi dell’ RNA, oppure in forma inattiva, in questo caso per funzionare necessita di un'altra molecola presente nel terreno di coltura chiamato corepressore. Il complesso tra il repressore corepressore si combina con l’operatore bloccando la sintesi dell’RNA chiamata trascrizione. Questo tipo di regolazione viene normalmente chiamata negativa. Esiste una regolazione positiva dovuta alle molecole degli attivatori che favoriscono la sintesi dell’RNA in quanto si legano in prossimità dei siti promotori favorendo il legame tra l’RNA polimerasi ed il sito promotore. Esiste un altro meccanismo dove molecole denominate induttori possono legarsi alla molecola del repressore inattivandola e permettendo così, la sintesi dell’RNA. Questo meccanismo è necessario perché se un prodotto è presente nella cellula non vi è alcun bisogno di sintetizzarlo, viceversa se un prodotto è assente nella cellula vi è la necessità di produrlo. Questo meccanismo quindi dirige la sintesi delle molecole una specie di semaforo dove con il rosso non si passa, mentre con il verde si passa.
Certo che no nelle cellule degli eucarioti la duplicazione avviene in più punti ed in differenti direzione. Questo è dovuto alla complessità dei cromosomi che sono molto grandi per essere duplicati, infatti hanno bisogno di un tempo maggiore rispetto ai batteri. Si formano molte forcelle di replicazione che si muovono in direzione differenti. I meccanismi di duplicazione del DNA degli eucarioti è ancora avvolto da processi non ben conosciuti.
Le mutazioni sono alterazioni che avvengono a danno delle molecole che compongono il DNA, alterazioni che possono avere origine fisica ( raggi UV ) chimica ( sostanze cancerogene ) o biologica ( errori nel meccanismo di duplicazione del DNA ). Le mutazioni possono portare a:
-A-T-T-G-C-G-C- |
GENE NORMALE |
-A-T-G-C-G-C- |
DELEZIONE |
-A-T-T-T-G-C-G-C- |
INSERZIONE |
-G-T-T-G-C-G-C- |
TRANSIZIONE |
-A-A-T-G-C-G-C- |
TRANSVERSIONE |
Il codice genetico è il meccanismo mediante il quale è possibile sintetizzare le proteine; in altre parole è la sequenza del DNA che determinava la sequenza delle proteine. Il DNA sintetizzava l’mRNA acido nucleico che recava la sequenza sotto forma di triplette ( tre basi adiacenti ) che specificano un determinato aminoacido. La zona dove sono poste queste sequenze viene detta Codon. L’altra molecola che legge tale sequenza è il tRNA con una tripletta situata nella zona detta Anticodon, questo acido nucleico lega anche un aminoacido. L’interazione tra il codon e l’anticodon permette la traduzione del codice genetico. Ad ogni tripletta letta corrisponde un aminoacido. Il codice genetico è universale ovvero vale per tutti i tipi di cellule. Molte osservazioni possono essere fatte:
Oggi sappiamo che 4 basi nucleotidiche si possono combinare tra di loro 3 per volta, il numero di combinazioni possibili sono:
4*4*4 = 64 combinazioni |
Le combinazioni possibili sono 60 |
Una combinazione detta di start AUG . |
Bisogna eliminare dal calcolo 4 combinazioni |
Se il codice non fosse degenerato ci sarebbero 20 triplette per codificare 20 aminoacidi, se per una qualche ragione una delle triplette subisse una mutazione, quel preciso aminoacidi non potrebbe essere più codificato.
Fonte: http://www.itisvc.it/lezionionline/leziochimica/lezioni/dna.doc
Sito web da visitare: http://www.itisvc.it
Autore del testo: Paolo Rosso
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