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CAP.8 Concetti relativi a riproduzione ed ereditarietà; DNA e geni, codice

genetico, duplicazione del DNA, sintesi delle proteine.

8.1 LA RIPRODUZIONE

La riproduzione è il processo con cui la specie si perpetua, permettendo la generazione di nuovi

discendenti.

È’ un processo necessario non per la sopravvivenza dell’individuo, ma per la specie.

Consiste nella generazione di un nuovo individuo a partire da uno o da due genitori.

Negli organismi unicellulari la riproduzione dell’individuo coincide con la divisione cellulare (la

cellula madre scompare, dividendosi nelle due cellule figlie e dando quindi origine a due nuovi

individui).

Negli organismi pluricellulari la riproduzione dell’individuo non coincide con la divisione cellulare.

LA RIPRODUZIONE NEGLI ORGANISMI EUCARIOTI PLURICELLULARI

Esistono due forme di riproduzione:

1) RIPRODUZIONE ASESSUATA O AGAMICA O MOLTIPLICAZIONE VEGETATIVA

Per generare un nuovo individuo è sufficiente che una o più cellule (talvolta organizzate in strutture

particolari, come i bulbi, gli stoloni, ecc.) si stacchino dall’organismo genitore e inizino una serie di

divisioni cellulari (non è necessaria la fusione delle cellule sessuali).

Gli organismi producono altri individui uguali a loro senza la partecipazione di un partner, di

gameti o di fecondazione.

Poiché non avviene né la meiosi, né la fecondazione, l’individuo trasmette il suo corredo

cromosomico inalterato attraverso divisioni mitotiche delle cellule e vengono prodotti discendenti

che sono geneticamente identici (cloni). Le cellule figlie sono identiche alla cellula madre.

Tale tipo di riproduzione può avvenire con diverse modalità (scissione, gemmazione …)

Questa strategia non favorisce la variabilità genetica e quindi diminuisce la capacità di adattamento

alle variazioni ambientali, tuttavia può essere vantaggiosa quando è necessario che una popolazione

si affermi velocemente in un ambiente (difficile o particolarmente instabile, o a cui i genitori sono

già ben adattati).

Questo tipo di riproduzione può avvenire in animali poco evoluti come nei polipi e nei platelminti.

Nelle piante si possono avere diverse tipologie di riproduzione asessuata:

- per FRAMMENTAZIONE DEL CORPO VEGETALE (tallo, fusti, stoloni, tuberi, rizomi..)

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- per produzione di BULBILLI E PROPAGULI

- per APOMISSIA (si producono dei nuovi individui senza che ci sia stata la fusione delle cellule

sessuali, quindi hanno solo il corredo cromosomico materno).

E’ poco diffusa negli animali, più comune nei vegetali, in Alghe, Briofite e Pteridofite, ma si

mantiene anche nelle Gimnosperme e soprattutto nelle Angiosperme.

2) RIPRODUZIONE SESSUATA O GAMICA

Coinvolge due genitori ciascuno dei quali produce GAMETI (uova o spermatozoi) o CELLULE

SESSUALI o CELLULE GERMINALI, cellule specifiche per la riproduzione dalla cui fusione si

genera un nuovo individuo.

La sessualità è lo scambio di materiale genetico tra due organismi; è ciò che consente la variazione

del corredo cromosomico della cellula, e quindi garantisce la possibilità di casuali cambiamenti che,

se favorevoli, possono affermarsi consentendo l’evoluzione della specie.

“Gamos” significa nozze, in greco, quindi la riproduzione gamica è quella che comporta l’unione

tra due cellule.

In genere i gameti sono prodotti in organi specializzati che negli animali si chiamano GONADI (in

greco = generazione); nei vegetali la denominazione cambia a seconda dei gruppi sistematici.

Possono provenire dalla stesso individuo o da individui diversi; in quest’ultimo caso, il nuovo

individuo può ereditare caratteri di entrambe i genitori, e ha un patrimonio genetico che non è

identico a quello di nessuno dei due.

I gameti da soli non sono capaci di generare un nuovo individuo, ma devono fondersi 2 gameti di

sesso opposto, attraverso la FECONDAZIONE. Solo gameti di sesso opposto possono fondersi.

Dalla fusione dei nuclei dei due gameti si origina una nuova cellula, lo ZIGOTE, da cui, con una

serie di mitosi successive, si svilupperà il nuovo individuo.

Negli animali si possono avere due tipi i riproduzione sessuale: quella biparentale o anfigonica

che coinvolge due genitori ciascuno dei quali produce cellule sessuali o gameti (uova e spermi o

spermatozoi), o quella partenogenetica, dove la madre produce gameti femminili, uova, che danno

origine a individui, maschi, femmine o di entrambi i sessi, senza l’intervento del gamete maschile.

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8.2 DNA, Geni e Codice genetico.

LA CROMATINA: è costituita da acidi nucleici e istoni, ed è la forma despiralizzata di

organizzazione del DNA durante l’interfase, cioè nel periodo in cui la cellula non è in divisione.

Quando la cellula è pronta a dividersi, il materiale genico si duplica e, durante la divisione cellulare,

i filamenti di cromatina vengono impacchettati per formare i cromosomi.

CROMOSOMI (Fig.8.1): sono strutture nelle quali il materiale genetico (DNA) di un organismo è

organizzato e compattato, visibili, con determinati coloranti, in particolari fasi del ciclo cellulare

(mitosi e meiosi), vale a dire in prossimità e durante la divisione cellulare. Queste sono formazioni

bastoncellari costituite ognuna da una molecola di DNA e da proteine che raggiungono il massimo

grado di spiralizzazione, e quindi la massima visibilità al microscopio ottico , nella metafase, fase

centrale della divisione cellulare.

Ogni cromosoma è costituito da due bastoncelli identici derivati dalla duplicazione del DNA, detti

perciò cromatidi fratelli. Questi sono tenuti insieme in un punto più sottile del cromosoma detto

costrizione primaria o centromero che può occupare una posizione variabile; se è perfettamente

centrale, si parla di cromosomi metacentrici, se è decentrata i cromosomi sono definiti

acrocentrici, se, infine, il centromero è posto nella porzione terminale del cromosoma, questo è

detto telocentrico.

Il centromero non è solo un carattere morfologico, ma rappresenta il sito di attacco alle fibre del

fuso durante la divisione cellulare; questo aggancio avviene grazie ad una piastra proteica chiamata

cinetocoro.

Alcuni specifici cromosomi presentano una costrizione secondaria che è la sede della NOR

(nucleolar organizer region = regione organizzatrice del nucleolo), a livello della quale si trovano i

geni responsabili della sintesi dell’RNA ribosomiale che avviene proprio a livello del nucleolo.

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Fig.8.1– Impacchettamento del DNA nei nucleosomi (da Brum et al., 2000)

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Ogni specie ha un numero caratteristico di cromosomi (uomo = 46 cromosomi)( Fig. 8.2), costituiti,

oltre che da DNA, da proteine legate (ISTONI).

Fig. 8.2 - Il nucleo di un globulo bianco del sangue umano contiene 46 cromosomi (da Postlethwait

et al., 1993).

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GENE: è un tratto di DNA che codifica per una proteina, cioè contiene le informazioni necessarie

per un determinato carattere (carattere: statura, colore del fiore, superficie semi).

Normalmente ogni gene è presente in due esemplari che stanno su due cromosomi distinti, uno

derivante dal padre, uno dalla madre.

ALLELI: sono forme alternative dello stesso gene.

Il gene che presiede alla formazione dei capelli può contenere l’informazione per:

- capelli lisci

- capelli ondulati

- capelli crespi

Alleli = forme alternative per il carattere “ tipi di capelli”; è un tratto di DNA

Gli alleli a livello del DNA presentano una sequenza identica di nucleotidi, ma differiscono tra loro

solo per uno o pochi nucleotidi rispetto alle migliaia che costituiscono il gene.

Gli organismi possono essere:

OMOZIGOTE: l’individuo porta due alleli identici per un carattere.

ETEROZIGOTE: l’individuo porta due alleli differenti per un determinato carattere.

IL CODICE GENETICO

Il DNA contiene in codice le informazioni riguardanti la sequenza di amminoacidi che andranno a

costituire le proteine dell’organismo.

La sequenza di amminoacidi di una proteina è codificata nel DNA sotto forma di sequenza di basi.

Ogni amminoacido è indicato attraverso la sequenza di tre basi del DNA ( questa sequenza è anche

chiamata tripletta o codone).

Perché ogni amminoacido è indicato attraverso tre basi?

Dato che sono stati identificati 20 amminoacidi e, dato che questa codifica deve essere fatta con un

alfabeto di 4 lettere (corrispondenti alle 4 basi)….

come possono essere fatte 20 “parole” diverse di identificazione, in modo che ogni parola contenga

il minor numero possibile di lettere?

Se il codice fosse fatto di parole di una sola lettera, allora un alfabeto di quattro lettere A-B-C-D

può dare solo quattro significati diversi.

Se il codice fosse fatto di parole di due lettere, posso avere 16 combinazioni:

AA – AB - AC - AD

BB – BA – BC – BD

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CC – CD - CA – CB

DD - DA – DB – DC

Combinazioni: 42 = 16

Se il codice fosse fatto di 3 lettere

ABC – ACD – ADB…. allora posso avere 43 = 64 combinazioni diverse.

Il codice genetico (Fig.8.3) indica ogni amminoacido per mezzo di una sequenza di tre lettere, cioè

tre basi azotate adiacenti.

Le triplette del codice genetico sono in tutto 64, di cui tre vengono usate per segnare la fine di una

catena polipeptidica in costruzione; un altro codone costituisce la tripletta d’inizio.

Alcune delle 64 triplette indicano lo stesso amminoacido (sono sinonimi), vedi figura sotto.

Fig.8.3– Il codice genetico (da Brum et al., 2000).

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8.3 La duplicazione del DNA

La duplicazione è il processo tramite il quale vengono prodotte due copie identiche di una

doppia elica di DNA. Prima che una qualunque cellula si divida per dare origine a due nuove

cellule, è necessario che tutto il DNA in essa contenuto venga duplicato, in modo da avere, dopo la

divisione cellulare, 2 cellule identiche a quella di partenza. Questo processo deve svolgersi con

un'estrema precisione; dal momento che i singoli geni sono dati da sequenze specifiche di basi

azotate. Se la nuova cellula deve essere in grado di svolgere le stesse mansioni della «madre» che

l’ha generata, deve possedere gli stessi geni e, quindi, l’identica sequenza di basi azotate.

Nella doppia elica è evidente la stretta relazione tra struttura e funzione. L’architettura molecolare

del DNA determina, infatti, il meccanismo di replicazione della molecola. Il processo, sebbene

complesso, richiede un tempo relativamente breve. Basti pensare che il batterio Escherichia coli,

che ha un’unica molecola di DNA lunga circa 5.000 kb, impiega 30’ a duplicare il suo materiale

genetico. Nell’uomo ogni cellula contiene 46 molecole di DNA che, nel complesso, misurano 3

milioni di kb. Sono necessarie poche ore per duplicare tutto questo materiale genetico, e la

percentuale di errore è di circa uno ogni miliardo di nucleotidi. Nelle piante, infine, il processo

procede ad una velocità media di 8 micrometri all’ora.

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Fasi della duplicazione o replicazione del DNA

Fig.8.4 – Replicazione del DNA (da Mitchell et al., 1996).

La duplicazione del DNA inizia in siti particolari della molecola detti punti di origine della

replicazione (fig. 8.4), a livello dei quali la doppia elica si despiralizza formando delle «bolle»

replicative, per poi procedere bidirezionalmente, cioè con forcine di replicazione che avanzano in

entrambe le direzioni.

In E. coli esiste un'unica sequenza a livello della quale si forma il sito di replicazione, mentre nei

genomi più lunghi e complessi esistono diversi siti di replicazione lungo i filamenti di DNA in

modo tale che la sintesi avvenga contemporaneamente in più punti e possa svolgersi con notevole

velocità. Il processo si considera ultimato quando le bolle di replicazione poste lungo la molecola

vengono a contatto le une con le altre.

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Nei punti di origine entrano in funzione particolari proteine di attivazione oltre ad alcuni enzimi,

noti come elicasi, che spezzano i ponti di idrogeno che legano le basi appaiate; in tal modo la

doppia elica si despiralizza e si apre permettendo ai due filamenti polinucleotidici di fungere da

stampo per la formazione delle due nuove molecole.

Fig.8.5 – Replicazione del DNA (da Brum et al., 2000).

La duplicazione del DNA è detta semiconservativa proprio perchè le due molecole che si formano

sono composte da un filamento appartenente alla vecchia molecola e da un filamento neoformato.

Man mano che i filamenti dell'elica si separano, le topoisomerasi entrano in funzione per impedire

che le porzioni adiacenti si superavvolgano. L'effettiva sintesi del nuovo filamento è catalizzata

dalla DNA-polimerasi, che lega tra di loro i singoli nucleotidi. Questi giungono sul sito di

replicazione sotto forma di nucleotidi-trifosfati e, durante la reazione di polimerizzazione,

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eliminano due radicali fosforici liberando così l'energia necessaria alla reazione. A livello del sito di

replicazione la molecola assume una struttura a Y detta forcella (o forca) di replicazione , che si

allarga in corrispondenza della base della Y man mano che la duplicazione procede. La velocità di

allungamento è di circa 500 nucleotidi al secondo nei batteri e di 50 al secondo nelle cellule umane.

Dato che l’enzima DNA–polimerasi non è in grado di iniziare un nuovo filamento complementare

di DNA, ma solo di prolungare un filamento che c’è già sulla base di un filamento stampo, allora

RNA polimerasi sintetizza un filamento di RNA lungo circa trenta paia di basi complementare ad

una certa regione del filamento stampo di DNA chiamato PRIMER.

La DNA-polimerasi agisce solo in direzione 5'? 3' in quanto è in grado di legare nucleotidi solo

all’estremità libera in 3’ del filamento di DNA in fase di formazione. Quindi, a causa della

disposizione antiparallela dei due filamenti che costituiscono la doppia elica, solo il filamento 3'? 5'

viene replicato ininterrottamente ed è perciò detto filamento guida o veloce (filamento leading)

(Fig.8.6). Man mano che la forcella replicativa si allunga, la polimerasi può continuare senza

interruzione a legare i nucleotidi del nuovo filamento. Per quanto riguarda l'altra emimolecola, la

polimerasi mette insieme piccoli segmenti, sempre in direzione 5'? 3'. I frammenti sono lunghi

1000-2000 bp nei batteri e 100-200 bp negli eucarioti. Quando la forcella si allunga, infatti, poichè

il processo avviene in direzione inversa a quella in cui l’enzima agisce, si realizza un meccanismo

simile a quello della cucitura con la tecnica del «punto indietro». Successivamente interviene una

ligasi che unisce questi frammenti detti frammenti di Okazaki, dal nome del ricercatore che li

osservò per primo. Questo secondo filamento neosintetizzato è detto filamento in ritardo o lento

(filamento lagging) (Fig.8.6).

Fig.8.6 – Replicazione del DNA (modif. da Brum et al., 2000).

Uno degli aspetti più sorprendenti della replicazione del DNA è la sua accuratezza. La

polimerasi ha, infatti, la capacità di "rivedere" il suo operato e di correggere gli eventuali errori; se

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nel filamento in fase di sintesi si aggiunge un nucleotide che non è complementare a quello della

molecola stampo, la polimerasi arresta la sua opera di polimerizzazione e, rifacendo il cammino a

ritroso, è in grado di staccare il nucleotide errato. Questo processo, di estrema importanza al fine

dell'esatta trasmissione dei caratteri ereditari di cellula in cellula, è detto proofreading (lettura di

prova).

Come si è detto il DNA porta e trasmette le informazioni genetiche, che consistono nella

sequenza di basi azotate. Poichè il numero di basi appaiate in una molecola di DNA varia da 5000,

per i virus più semplici, a 3 miliardi nel genoma umano, le variazioni possibili sono davvero

infinite. Questo spiega l'enorme diversità degli esseri viventi.

SINTESI DELLE PROTEINE

Fig.8.7 – Schema generale della sintesi delle proteine (Longo e Longo , 1989).

È’ il processo che porta alla formazione delle proteine partendo da informazioni memorizzate nel

DNA. L’informazione contenuta nel DNA del nucleo (Fig.8.7, 8.8 e 8.9) viene ricopiata su

molecole di mRNA (RNA messaggero) attraverso un processo di TRASCRIZIONE.

La trascrizione è un processo basato sulla complementarietà delle basi (ad una base di adenina del

DNA corrisponde l’uracile sull’RNA e ad una base di citosina del DNA corrisponde la guanina.

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Fig.8.8 – Schema generale della sintesi delle proteine (Brum et al. , 2000).

Fig.8.9 – Meccanismo della trascrizione (da Brum. et al., 2000)

Nel nucleo le due catene (filamenti) di DNA si separano ed una sola viene trascritta.

Intervengono enzimi detti RNA polimerasi, che separano i 2 filamenti del DNA e uniscono i

nucleotidi che formeranno l’mRNA e quindi si appaiano complementarmente sul filamento

“senso” o significativo, che presenta la sequenza adatta per la sintesi della proteina, cioè quella

stabilita dal gene da trascrivere.

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La cellula è in grado di produrre tanti mRNA quante sono le proteine specifiche e necessarie alla

cellula e all’organismo, sintetizzandoli al momento del bisogno.

L’mRNA, una volta sintetizzato, esce dal nucleo attraverso i pori dell’involucro nucleare e si porta

sui ribosomi, a cui si lega.

Per costruire una proteina, gli amminoacidi, derivanti dagli alimenti e trasportati dai liquidi

circolatori (es. sangue) alle singole cellule, si legano in fila secondo un ordine stabilito dall’RNA

messaggero attraverso le triplette che lo costituiscono.

Dato che tra amminoacidi e triplette non esiste affinità chimica, le cellule producono molecole

mediatrici, dette tRNA (RNA transfert o di trasferimento)(Fig.8.10), specifiche per ciascun tipo di

amminoacido, che con una parte (anticodone ) riconoscono specificatamente una determinata

tripletta dell’mRNA e con un’altra l’amminoacido corrispondente, a cui si legano.

Fig.8.10 – Modello di RNA transfert o di trasporto (da Mitchell et al., 1996)

Un estremo di ciascuna molecola di tRNA contiene infatti una sequenza di tre nucleotidi

(anticodone ), le cui basi azotate possono legarsi a basi complementari presenti nei codoni

dell’mRNA. Il tRNA si lega all’mRNA con ponti idrogeno tra le basi .

- Il codone è una tripletta di nucleotidi dell’mRNA che codifica per uno specifico amminoacido.

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- L’anticodone è una tripletta di nucleotidi di tRNA che riconosce un codone dell’mRNA.

Ogni differente molecola di tRNA si lega con un amminoacido specifico grazie ad enzimi, come la

tRNA sintetasi, che riconoscono sia un determinato tRNA sia l’amminoacido corrispondente e li

legano insieme.

I complessi tRNA- amminoacido si attaccano in punti specifici dell’mRNA ( determinati dal codice

genetico).

Fig.8.11– Ribosoma (da Brum et al., 2000)

Un ribosoma funzionante (Fig. 8.11) è costituito da una subunità grande e una subunità piccola che

si assemblano a partire dall’inizio della sintesi del polipeptide e si staccano quando la sintesi è stata

completata. I ribosomi assemblati (Fig. 8.12) scorrono lungo la molecola di mRNA contenuta nel

solco tra le due unità e ne “leggono” via via i codoni, cominciando dalla tripletta che costituisce il

segnale d’inizio; ad ogni tripletta tradotta il ribosoma aggiunge, attraverso l’allineamento dei tRNA,

un amminoacido al polipeptide che si va formando e che viene assemblato attraverso enzimi

specifici.

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Fig. 8.12 - Ribosomi su cui avviene la traduzione (da Postlethwait et al., 1993)

I tRNA che hanno lasciato il loro amminoacido unito al ribosoma si staccano da esso e possono

essere riutilizzati.

Solitamente diversi ribosomi traducono la stessa molecola di mRNA, entrando in azione uno dopo

l’altro e formando una “catena” detta poliribosoma; in questo modo si formano varie molecole del

polipeptide richiesto.

Gli amminoacidi si uniscono fra loro tramite legami peptidici (O=C-N-H); che si formano per

condensazione, con l’eliminazione di una molecola di acqua da due amminoacidi contigui. Giunta

al codone d’arresto la catena di amminoacidi si stacca e forma la proteina.