Dal DNA alla genetica dei microrganismi

Question 1

A che cosa servono e come sono classificati gli acidi nucleici?

Answer 1

• contengono le informazioni genetiche di tutti gli organismi –> per dirigere le diverse funzioni dell’organismo l’informazione contenuta nel DNA deve essere trasferita a una molecola di RNA

Possono essere di due tipi

• DNA: acido desossiribonucleico
• RNA: acido ribonucleico

Question 2

Come si legano gli acidi nucleici nel DNA?

Answer 2

LEGAME FOSFODIESTERE: un gruppo -OH in posizione 3’ del desossiribosio si lega al gruppo fosfato in posizione 5’ del nucleotide successivo

troviamo quindi un estremita 5’ con gruppo fosfato, e un’estremita 3’ con -OH libero

Question 3

come si presenta il DNA a livello tridimensionale?

Answer 3

due filamenti polinucleotidici antiparalleli che si associano a ormare una doppia elica

• le pasi puriniche e pirimidiniche si ligano all’interno della catena mediante legame a H
• basi puriniche si associani sempre con pirimidiniche
• Adenina con Timina, Citosina con Guanina

Question 4

Perche’ la replicazione del DNA e’ definita “semiconservativa”?

Answer 4

Perche’ al termine del processo ognuna delle due copie di DNA a doppia elica generate avra’ un filamento proveniente dal DNA originale e uno neosintetizzato

Question 5

come avviene la replicazione del DNA?

Quali sono gli enzimi coinvolti?

Answer 5

L’azione e’ affidato ad due complesso di replicazione che formano una bolla replicativa composta di due forcelle replicative che procedono in direzioni opposte.

1. la DNA elicasi apre la doppia elica esponendo i due filamenti
2. la DNA topoisomerasi srotola il DNA avanti alla forcella per consentirne l’avanzamento
3. l’enzima primasi sintetizza un primer di RNA permettendo l’inizio della sintesi del nuovo filamento
4. la DNA polimerasi aggiunge nucleotidi all’estremita’ 3’ del primer + sostituisce i primer con frammenti di DNA
5. la DNA ligasi unisce i frammenti di DNA in un filamento unico

Question 6

Durante la replicazione, il processo avviene in modo uguale sui due filamenti?

Answer 6

sul filamento veloce la sintesi procede in modo continuo, perche’ la polimerasi procede in maniera lineare in direzione 5’–>3’ a partire da un solo primer

sull’altro filamento, detto lento, la dna polimerasi sintetizza brevi filamenti di DNA (frammenti di Okazaki) procedendo a ritroso, aiutata dalla primasi che sintetizza numerosi primer a intervalli di 100-200 nucleotidi.
I frammenti vengono poi uniti dalla DNA ligasi

Question 7

Oltre agli enzimi coinvolti direttamente nella sintesi di replicazione, quali altri enzimi sono necessari al processo di replicazione del DNA?

Answer 7

• l’informazione genetica nelle cellule eucariotiche e’ presente nei cromosomi –> quando una forcella raggiunge l’estremita’ del cromosoma non riesce a ricopiare il tratto terminale –> il completamento della replicazione avviene tramite l’enzima TELOMERASI che aggiunge sequenze ripetitive dette TELOMERI , non codificanti
• la molecola di DNA non viene replicata a partire da un punto qualsiasi –> specifiche sequenze di DNA (origini di replicazione) che legano il complesso replicativo
  Gli eucarioti iniziano la replicazione contemporaneamente in numerose origini di replicazione sparse lungo i cromosomi

Question 8

Qual e’ il ruolo dell’RNA?

Answer 8

anello di collegamento tra l’informazione contenuta del DNA (sequenze di nucleotidi) e le proteine (sequenze di amminoacidi)

Question 9

Quali sono le differenze principali tra DNA e RNA?

Answer 9

1. BASI AZOTATE: nel RNA la timina e’ sostituita dall’ URACILE
2. lo zucchero e’ un RIBOSIO
3. le molecole di RNA sono brevi
4. l’RNA consiste in un solo filamento che, spesso ripiegato su se stesso, assume complesse struttire secondarie in cui alcune regioni sono parzialmente a doppia elica

Question 10

Quali sono i tipi e le funzioni di RNA?

Answer 10

RNA MESSAGGERO - mRNA

• catena che consiste in una copia complementare dell’informazione genica contenuta nel DNA –> fornisce all’apparato della sintesi proteica una copia del messaggio
• sintetizzati dalla RNA polimerasi usando come filamento stampo il DNA nel processo di TRASCRIZIONE
• all’estremita 5’ hanno cappucci formati da 7-metilguanosina
• all’estremita’ 3’ hanno ripetizioni di adenine (code poli-A)

RNA RIBOSOMIALE - rRNA

• RIBOSOMA = apparato che sibtetizza le catene polipeptidiche sulla base dell’informazione dell’mRNA –> complesso formato da proteine associate all’RNA ribosomiale, composto di due subunita’
• rRNA sono sintetizzati utilizzando come stampo il DNA contenuto nel nucleolo, zona dove avviene l’assemblaggio dei ribosomi

RNA TRANSFER - tRNA

• legano in modo specifico i singoli amminoacidi e li trasportano al complesso ribosoma-mRNA, dove gli amminoacidi vengono legati alla neosintetizzata catena polipeptidica
• ogni tRNA corrisponde a uno specifico amminoacido
• consistono in un filamento avvolto su se tesso a formare una complessa struttura che presenta ANSE
• l’ansa detta ANTICODONE corrisponde a una tripletta di basi complementari a uno specifico CODONE dell mRNA, al quale si lega –> corrisponde all’amminoacido codificato

RNA non codificanti - ncRNA

• tutte le cellule sintetizzano delle molecole di RNA che non servono per la sintesi di proteine, molto eterogenei, la cui funzione non e’ ancora del tutto chiara
• si pensa che svolgano ruoli nella regolazione dell’espressione dell’informazione genitca –> alcuni sono dotati di attiita’ catalitica (ribozimi)

Question 11

Cosa si intende per dogma centrale della biologia?

COme e’ possibile il flusso dell’informazione genetica?

Answer 11

l’informazione genetica passa obbligatoriamente dal DNA all’RNA alle proteine, mai viceversa.
Unica eccezione: retrovirus = grazie al processo di trascrizione inversa, sono in grado di ricavare DNA dall’informazione contenuta nel RNA

Un gene e’ quindi una specifica porzione di DNA che dirige la sintesi di uno specifico RNA

Sono i processi di trascrizione e traduzione a rendere possibile il flusso di informazione: nella molecola di DNA a ogni tripletta di basi corrisponde un amminoacido –> mRNA consiste in uno stampo del DNA, che viene letto dal tRNA sul ribosoma per essere tradotto in sequenza di amminoacidi

Question 12

Cosa avviene durante la trascrizione genetica?

Answer 12

TRASCRIZIONE = consiste nella sintesi di una molecola di RNA che contenga la stessa sequenza di triplette del gene (ovvero del filamento codificante).

Il filamento complementare al codificante e’ detto antisenso e viene utilizzato come stampo per codificare un mRNA che sia la copia fedele del filamento codificante –> operazione della RNA polimerasi distinta in 3 momenti

1. INIZIO: RNA polimerasi si lega al promotore e inizia a svolgere il dna
2. ALLUNGAMENTO: RNA polimerasi legge il filamento antisenso e inizia la sintesi
3. TERMINAZIONE: giunta al sito di terminazione, RNA polimerasi si stacca e libera mRNA

NEgli eucarioti: trascrizione nel nucleo, traduzione nel citoplasma –> mRNA subisce modificazioni per uscire dal nucleo
Nei procarioti: trascrizione e sintesi proteica sono accoppiate, perche’. il DNA non e’ avvolto da membrana nucleare

Question 13

Cosa avviene durante la traduzione genetica?

Answer 13

TRADUZIONE = processo che avviene nel citoplasma che permette di sintetizzare una proteina a partire dall’informazione codificata nell mRNA –> ogni tripletta di basi dell’mRNA e’ detta codone e corrisponde a uno specifico amminoacido (codice genetico).

La traduzione comincia sempre con l’inserimento di un amminoacido METIONINA che corrisponde al codone d’inizio (AUG) dell’mRNA –> tre momenti della traduzione

1. INIZIO: si forma il complesso di inizio in corrispondenza del codone AUG e le due subunita’ del ribosoma si uniscono
2. ALLUNGAMENTO: primo tRNA scorre nella subunita maggiore e entra il secondo –> formazione del legame peptidico tra i due amminoacidi –> si stacca il primo tRNA, il secondo scorre e il terzo si lega
3. TERMINAZIONE: nel ribosoma entra un codone di stop, un fattore di rilascio lega lmRNa al posto del tRNA e causa la separazione del polipeptide dal ribosoma, che deve ancora subire modificazioni prima di diventare proteina –> mRNa viene demolito

Question 14

In cosa consiste l’organizzazione dei geni?

Answer 14

Negli eucarioti, molti geni non codificano proteine –> è sempre vero che il DNA degli eucarioti porta alla sintesi di diversi tipi di RNA
Negli eucarioti un singolo gene può codificare più proteine –> GENI INTERROTTI
- ESONI = sequenze codificanti che contengono l’informazione per la sintesi della proteina
- INTRONI = blocchi di sequenze non codificanti

I diversi esoni presenti in un gene possono essere saldati secondo combinazioni diverse che generano proteine differenti –> gli eucarioti sono più versatili dei procarioti

Question 15

In cosa consiste l’espressione genica?

Answer 15

è importante che la trascrizione e la traduzione siano coordinate con le condizioni della cellula e dell’organismo –> i geni presenti nel genoma vengono quindi espressi solo in specifici momenti della vita della cellula = regolazione dell’espressione genica.

La specializzazione o differenziamento delle cellila è dovuta all’espressione di geni differenti, possibile grazie alla regolazione spaziale e temporale dell’espressione genica.

I procarioti sono organismi unicellulari, quindi non specializzano le cellule –> la regolazione dell’espressione genica serve a rendere la cellula più efficace rispetto alle condizioni ambientali in cui si trova

Question 16

Che cosa si intende per regolazione dell’espressione genica? A che cosa serve?

Answer 16

Gli organismi devono integrare gli stimoli provenienti dall’ambiente esterno con quelli del proprio programma genetico di sviluppo –> per farlo, vengono operati diversi programmi di regolazione dell’espressione genica.

La sequenda di DNA compresa tra un promotore e il suo terminatore è detta unità trascrizionale: i fattori trascrizionali sono un ampio gruppo di proteine regolatrici che modulano dal punto di vista temporale e spaziale l’espressione differenziale dei geni –> possono agire reprimendo oppure inducendo l’espressione dei geni.

Question 17

Come funziona la regolazione dell’espressione genica nei procarioti?

Answer 17

Nei procarioti le unità trascrizionali sono dette operoni, ognuno dei quali contiene

• un PROMOTORE a cui si lega la RNA polimerasi
• un OPERATORE, nelle vicinanze del promotore, che lega un fattore di trascrizione

Gli operoni sono inducibili e reprimibili.
OPERONI INDUCIBILI: regolazione è operata da un repressione che è normalmente legato all’operatore e blocca la trascrizione. –> Esempio dell’operone lac di Escherichia coli
- In presenza di lattosio, l’allolattosio funziona da induttore –> si lega al repressore, che nella forma complessata non può legarsi all’operatore
- il promotore diventa accessivile alla RNA polimerasi
- la produzione delle proteine sintetizzate conduce alla degradazione del lattoso, quindi viene a mancare l’allolattosio e il repressore torna a legarsi all’operatore

OPERONI REPRIMIBILI: un repressore inattivo, normalmente incapace di legarsi all’operatore, viene attivato dall’alta concentrazione di una proteina e si lega all’operatore impedendo l’ulteriore sintesi della proteina –> esempio di operone trp (amminoacido triptofano)

• operatore normalmente non è legato dalla proteina repressore
• è l’amminoacido a fungere da co-repressore legandosi al repressore e conferendo la capacità di legarsi all’operatore

Question 18

Come funziona la regolazione dell’espressione genica negli eucarioti?

Answer 18

Negli eucarioti l’espressione genica è un processo molto complesso che comprende meccanismi di controllo a diversi livelli

1. REGOLAZIONE PRE-TRASCRIZIONALE = cellula regola l’accessibilità del genoma tramite la regolazione dei nucleosomi (unità DNA-istoni)
2. REGOLAZIONE TRASCRIZIONALE = permette o meno la trascrizione di un gene e regola la quantità del trascritto prodotto –> fattori di trascrizione: fanno in modo di esprimere o silenziare un gene
3. REGOLAZIONE POST-TRASCRIZIONALE = regolazione della quantià di trascritto eucariotico che va incontro alla traduzione (ad esempio attraverso la regolazione dello splicing)
4. REGOLAZIONE POST-TRADUZIONALE = regolazione delle modificazioni di struttura che permettono a una proteina di essere attiva, ad esempio sottoponendo la proteina a modifiche che la rendono inattiva o favoriscono la degradazione

Question 19

Come avviene la regolazione pre-trascrizionale?

Answer 19

Grazie alle proteine dette istoni il DNA nei cromosomi è densamente compattato nella cromatina –> esistono però due tipi di cromatina:

• EUCROMATINA = forma aperta, tipica dei geni attivamente trascritti
• ETEROCROMATINA = forma condensata, trascrizione genica repressa

La transizione tra forma aperta e chiusa è reversibile e dipende da modificazione chimiche introdotte sulle proteine istoniche.
REGOLAZIONE CARICA DELLE CODE ISTIONICHE
- le code degli istoni sono cariche positivamente
- gli enzimi istone acetilasi possono aggiungere gruppi acetile carichi negativamente alle code
- il legame istone-DNA viene allentato e la cromatina si apre
- gli enzimi istone deacetilasi sono in grado di rimuovere i gruppi acetile dalle lisine

REGOLAZIONE METILAZIONE

• gli enzimi istone metiltransferasi legano gruppi metile alle lisine
• la trascrizione viene inibita
• gli enzimi istone demetilasi rimuovono i gruppi metile

Le modificazioni agli istoni costituiscono il CODICE ISTONICO, che può essere trasferito tramite mitosi e meiosi

Question 20

Che cosa studia l’epigenetica?

Answer 20

Studia l’effetto che le modificazioni ereditarie agli istoni e al DNA producono sul fenotipo delle generazioni successive. –> imprinting materno o paterno

Le modificazioni epigenetiche (modificazioni degli istoni o metilazione del DNA) non cambiano l’informazione genetica ma solo la sua accessibilità
La trasmissione dei marcatori epigenetici è stata correlata ad alcune malattie genetiche nell’uomo: l’inattivazione di un certo gene non dipende da una mutazione nella sequenza del DNA, ma dal permanere di una particolare organizzazione dell’eterocromatina o di una metilazione del promotore

Question 21

In cosa consiste la dinamicità del genoma?

Answer 21

FLUSSO GENICO ORIZZONTALE = scambio di materiale genetico tra organismi diversi, mediato da elementi genetici mobili in grado di spostare l’informazione da una cellula all’altra

• Virus rimescolano la loro informazione genetica con quella della cellula ospite
• i PLASMIDI sono elementi genetici mobili che possono diffondere rapidamente la resistenza agli antibiotici nelle popolazioni batteriche
• i TRASPOSONI sono elementi genici mobili che possono interrompere geni o causare la ricombinazione tra regioni cromosomche diverse

Question 22

Quali sono le caratteristiche biologiche dei virus?

Answer 22

I virus sono parassiti endocelullari obbligati –> dipendono dal metabolismo della cellula ospite per potersi riprodurre

• non hanno una struttura cellulare –> involucro proteico (capside) + genoma interno
• il genoma può presentarsi sotto forma di RNA o di DNA
• uniche entità biologiche che possono usare l’RNA sia per l’espressione dei geni sia per la trasmissione alla progenie dell’informazione genetica
• in alcuni casi il DNA si presenta sotto forma di un unico filamento
• capside è circondato dall’envelope –> frmmento di membrana citoplasmatica derivata dalla cellula infetta
• hanno dimensioni molto piccole
• genoma molto limitato –> numero molto limitato di geni: la maggior parte delle funzioni metaboliche viene offerta dalla cellula infettata

Question 23

Che cos’è un virione?

Answer 23

Ogni virus ha la capacità di infettare un determinato tipo di cellule: finchè si trova all’esterno di una vellula, la particella virale è totalmente priva di attività metabolica ed è indicata con il termine virione

Question 24

Qual è il ciclo vitale di un virus?

Answer 24

1. ADESIONE = il virione si attacca alla cellula ospite attraverso l’interazione con i recettori, proteine della membrana cellulare
2. PENETRAZIONE = il virus entra nella cellula e rilascia il genoma virale
3. ESPRESSIONE DEI GENI E REPLICAZIONE DEL GENOMA = accumulo delle molecole di genoma e delle proteine necessarie per assemblare nuove particelle virali
4. ASSEMBLAGGIO = dei capsidi, all’interno dei quali è inserito il genoma
5. RILASCIO = delle nuove particelle virali all’esterno della cellula

Tutte queste fasi richiedono l’espressione coordinata nel tempo e nello spazio dei geni virali

Question 25

In cosa consistono il ciclo litico e lisogeno dei virus?

Answer 25

CICLO LITICO = fase di produzione di nuovi virioni

CICLO LISOGENO = fase di latenza iin cui il genoma virale permane nella cellula ospite senza produrre nuovi ospiti

Question 26

Qual è il meccanismo principale con cui un segmento di DNA può essere incorporato all’interno di un frammento di DNA più grande?

Answer 26

RICOMBINAZIONE OMOLOGA = opera in tutti gli organismi e svolge un ruolo fondamentale nel rimescolare l’informazione genetica

• due molecole di DNA hanno dei tratti di sequenza identici che vengono riconosciuti e si appaiano
• si forma il CHIASMA che viene tagliato grazie all’azione di enzimi specifici
• si liberano due molecole ricombinanti che contengono porzioni di DNA scambiate

Question 27

In quale modo due cellule batteriche possono scambiarsi materiale genetico?

Answer 27

TRASDUZIONE, TRASFORMAZIONE E CONIUGAZIONE
i metodi si distinguono per il modo in cui il DNA è trasferito da una cellula all’altra e per gli eventi di ricombinazione che integrano il DNA della cellula donatrice nel genoma della cellula ricevente

Question 28

Cosa si intende per trasduzione batterica? Quali sono i due modi in cui può avvenire?

Answer 28

TRASDUZIONE si verifica quando il materiale genetico viene trasferito mediante un batteriofago da un batterio a un altro

TRASDUZIONE GENERALIZZATA –> durante il ciclo litico

• durante il ciclo litico il comosoma batterico viene frammentato
• alcuni geni batterici vengono incorporati in alcuni fagi
• la cellula lisata rilascia i fagi, che attaccano nuove cellule
• il fago trasferisce i geni batterici ad un’altra cellula durante il rilascio del materiale genetico
• la cellula infetta diventa un trasducente

TRASDUZIONE SPECIALIZZATA –> durante il ciclo lisogeno

• DNA virale si integra all’interno del cromosoma batterico sotto forma di profago
• quando il profago si rimuove dal genoma batterico, la scissione non è precisa e rimangono attaccati alcuni geni del batterio infettato
• il profago esteso viene replicato e inserito nei fagi
• quando fagi attaccano nuove cellule inseriscono anche DNA batterico
• è specializzata perchè molti batteriofagi integrano in DNA in punti specifici e quindi tendono a portarsi dietro sempre gli stessi geni

Question 29

Che cos’è un plasmide?

Answer 29

PLASMIDI = molecole extracromosomiche di DNA circolare che contengono alcune informazioni genetiche accessorie

• più piccoli del cromosoma batterico
• hanno una loro origine di replicazione –> possono duplicarsi autonomamente all’interno del batterio
• sfruttano l’apparato replicativo delle cellule batteriche
• possono passare facilmente da un batterio all’altro

Question 30

Cos’è la trasformazione batterica?

Answer 30

Quando una cellula batterica muore o viene lisata, i plasmidi vengono rilasciati ed assorbiti da cellule batteriche adiacenti

Question 31

Cos’è la coniugazione batterica?

Answer 31

I batteri si riproducono tramite scissione, dando origine a individui geneticamente identici al genitore (cloni) –> non si spiega la differenziazione delle specie di batteri
- le mutazioni casuali non sono sufficienti

CONIUGAZIONE = processo in cui due cellule batteriche si scambiano materiale genetico

• richiede l’unione fisica tra le due cellule attraverso il pilo sessuale, un capale filamentoso proteico che mette in comunicazione il citoplasma delle due cellule
• unione di un batterio donatore F+ che possiede il plasmide F che porta geni per la sintesi del pilo con un batterio ricevente F-
• alla fine del processo i due batteri si sono scambiati il plasmide F (quindi sono entrambi F+) e possono essersi scambiati anche altre porzioni di genoma

Question 32

Cos’è un trasposone?

Answer 32

TRASPOSONE = sequenza di DNA in grado di spostarsi autonomamente da un sito cromosomico a un altro all’interno della stessa cellila

INTERRUZIONE GENICA = il trasposone si inserisce all’interno di un gene eliminand la sua attività codificativa, inattivandolo. Il trasposone può con il tempo muoversi in un alto sito riattivando il gene

RICOMBINAZIONE OMOLOGA = due copie di un trasposone su un cromosoma possono appaiarsi con due copie dello stesso elemento e dare luogo a ricombinazione omologa