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DNA ...la scoperta

1665 il matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese Robert Hooke (1635-1702), usando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine «cellula» ha assunto il suo attuale significato, cioè «unità di base della materia vivente», soltanto 150 anni dopo la scoperta di Hooke.

1838, Matthias J. Schleiden (1804-1881), un botanico tedesco, giunse alla conclusione che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule.

1839, lo zoologo tedesco Theodor Schwann (1810-1882) estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi.

1838-1839

Che noia……

La mancanza di figure rende la lezione molto noiosa, proviamo ad aggiungere figure

1869 La scoperta del DNA è attribuita al ricercatore svizzero Friedrich Miescher già nel 1869. La storia racconta che Miescher lavorava in un laboratorio dove si cercava di comprendere la struttura delle cellule. Per avere a disposizione tanto materiale, raccolse le bende chirurgiche con il pus (formato di cellule) e osservò una sostanza microscopica a cui diede il nome di nucleina. Questa sostanza era associata con proteine e derivava dal nucleo delle cellule. Miescher scoprì che la nucleina era composta di idrogeno, ossigeno azoto e fosforo ed è stato il primo ad identificare il DNA come una molecola distinta.

http://www.dnaftb.org/15/animation.html

Ancora non ci siamo… i bambini devono poter immaginare ciò di cui stiamo parlando, quindi servono più figure…

E allora…..

DNA ... La scoperta

1665 il matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese Robert Hooke (1635-1702), usando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine «cellula» ha assunto il suo attuale significato, cioè «unità di base della materia vivente», soltanto 150 anni dopo la scoperta di Hooke.

1838, Matthias J. Schleiden (1804-1881), un botanico tedesco, giunse alla conclusione che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule.

1839, lo zoologo tedesco Theodor Schwann (1810-1882) estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi.

1838-1839

1858 l’idea che tutti gli organismi fossero formati da una o più cellule assunse un significato ancora più ampio quando l’anatomopatologo tedesco Rudolf Virchow (1821-1902) affermò che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti: «Quando una cellula esiste, ci dev’essere stata una cellula preesistente, proprio come un animale si origina solo da un animale e una pianta si origina solo da una pianta».

Il suo studio

1869 La scoperta del DNA è attribuita al ricercatore svizzero Friedrich Miescher già nel 1869. La storia racconta che Miescher lavorava in un laboratorio dove si cercava di comprendere la struttura delle cellule. Per avere a disposizione tanto materiale, raccolse le bende chirurgiche con il pus (formato di cellule) e osservò una sostanza microscopica a cui diede il nome di nucleina. Questa sostanza era associata con proteine e derivava dal nucleo delle cellule. Miescher scoprì che la nucleina era composta di idrogeno, ossigeno azoto e fosforo ed è stato il primo ad identificare il DNA come una molecola distinta.

http://www.dnaftb.org/15/animation.html

1919 Phoebus Levene nel 1919 scoprì la struttura dei nucleotidi, formati da base azotata, fosfato e zuccheri. Levene sostenne per la prima volta che il DNA è un filamento di nucleotidi legati tra loro tramite fosfati la cui ripetitività era costante. Levene maturò anche la convinzione che tale filamento fosse corto e che le proteine con la loro struttura più complessa fossero le giuste candidate ad essere le molecole dell’eredità.

160,000 combinazioni

1928 L'esperimento di Frederick Griffith del 1928

?

Questo fu il primo esperimento a suggerire che i batteri possono trasferire informazioni genetiche attraverso un processo noto come trasformazione. Il materiale genetico di un batterio si traferisce ad un altro. L’esperimento aprì la strada alla determinazione di quale fosse la natura del materiale genetico.

1937 Trascorrono quasi venti anni prima che William Astbury, nel 1937, possa presentare alla comunità scientifica i primi risultati dei suoi studi sulla diffrazione a raggi X, i quali dimostrano che il DNA ha una struttura molto regolare.

Questa è una delle prime cristallografie pubblicate da Astbury, è un capello di Mozart!

1943 L'esperimento di Oswald Theodore Avery e dei suoi colleghi Colin MacLeod e Maclyn McCarty, rappresenta una delle esperienze fondamentali per l'avanzamento delle conoscenze nel campo della genetica e della biologia molecolare.

Tramite l'esperimento riuscirono a

dimostrare che il cosiddetto principio

trasformante (ovvero il portatore di

informazioni geniche scoperto nel 1928 da

Griffith in seguito al suo famoso

esperimento) era il DNA.

1952 L'esperimento di Alfred D. Hershey e Martha Chase prova definitivamente nel 1952 che il materiale genetico è costituito da DNA e non da proteine.

In seguito a questi risultati incontrovertibili anche gli scienziati che avevano criticato esperimenti precedenti, si convincono dell'importantissimo ruolo biologico del DNA.

1951-52

Erwin Chargaff formula due regole: 1) Esiste un rapporto 1:1 tra le basi puriniche (A+G) e le basi pirimidiniche (T+C) contenute nel DNA di una cellula. Il rapporto è costante in tutte le specie.

2) in una molecola di DNA a doppio filamento la concentrazione di adenina eguaglia quella di timina e la concentrazione di citosina quella di guanina (%A = %T; %C = %G).

Questa ultima semplice regola è stata uno degli elementi essenziali che hanno permesso la formulazione del modello di DNA da parte di James Watson e Francis Crick. Grazie anche a questa regola si sono dedotte le corrette forme di appaiamento delle basi tra i due filamenti del DNA.

Watson e Crick costruirono diversi modelli di DNA, con cartone e fil di ferro, cercando di far combaciare tutte le informazioni che avevano a disposizione. Costruirono il modello basandosi su un bozzetto di Odile Speed, moglie di Crick, che lo aveva disegnato seguendo le istruzioni del marito: il bozzetto compare sulla rivista scientifica Nature il 25 aprile del 1953 quando la struttura a doppia elica viene presentata per la prima volta.

1953 Nel 1953 i due scienziati ipotizzano che il DNA si componga di due catene di nucleotidi disposte a formare una doppia elica. Ciascuna purina, composta da due anelli, si trova di fronte ad una pirimidina, composta da un singolo anello. L'adenina (A) si lega alla timina (T) mentre la citosina (C) si lega alla guanina (G), in accordo con i risultati di Chargaff. I legami tra le basi puriniche e pirimidiniche avvengono tramite ponti idrogeno.

Avery e Chargaff • Avery stabilì che il DNA (e non le

proteine) era il materiale genetico

della cellula.

• Chargaff scoprì che la propozione

delle quattro basi azotate nel DNA è

la stessa in tutte le cellule degli

individui della stessa specie.

Watson e Crick •Organizzarono i dati a loro

disposizione e costruirono il

modello di DNA.

•Il modello ha la forma di

doppia elica.

Il DNA

• I cromosomi sono costituiti

sia da acido deossiribonucleico,

o DNA, sia da proteine.

• Gli elementi di base del DNA

sono i nucleotidi.

I nucleotidi

• Ogni nucleotide è composto

da una base azotata, uno

zucchero (deossiribosio) e un

gruppo fosfato.

• Le basi azotate sono di due

tipi: le purine, adenina (A) e

guanina (G); le pirimidine,

citosina (C) e timina (T).

L’appaiamento tra basi

• Ogni base forma un legame covalente

con lo zucchero adiacente.

• Le basi appaiate si incontrano

sull’asse centrale dell’elica con legami a

idrogeno.

• Le basi appaiate sono complementari

dove (A=T) e (G≡C).

La struttura

• Contiene due catene

• Le percentuali G=C e A=T

• Legami fosfodiesterici tra nucleotidi

N

N N

N

N N

O

H

H

O

N

s u g a r

H

s u g a r

C H 3 timina

adenina

N

N N

N

O

N

H

N N

N

H

O

s u g a r

H

H

H

s u g a r

citosina

guanina

L’appaiamento delle basi

implica la formazione di legami idrogeno

Figura riportata nella

pubblicazione originale

di Watson e Crick

Nature, Aprile 1953


20

La struttura del DNA

• Il DNA ha una forma ad elica regolare con legami idrogeno tra le basi

• L’impilamento delle basi è determinato da

interazioni idrofobiche

• Ogni coppia è ruotata di 36°

• Solchi maggiore (22Å) e minore (12Å)

• Avvolgimento in senso orario (elica destrorsa)

Nature, Vol. 171, p.737, April 25, 1953

MOLECULAR STRUCTURE OF

NUCLEIC ACIDS

A Structure for Deoxyri bose Nucleic Acid

We wish to s uggest a structure for the salt of

deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has

novel features which are of considerable biological

interest.

A structure for nucleic acid has already been

proposed by Pauling and Corey (1). They kind ly made

their manuscript available to us in advance of

publication. Their model consists of three intertwined

chains, with the phosphates near the fibre axis, and the

bases on the outside. In our opinion, this structure is

unsatisfactory for two reasons: (1) We believe that the

material which gives the X-ray diagrams is the salt, not

the free acid. Without the acidic hydrogen atoms it is

not clear what forces would hold the structure together,

especially as the negatively charged phosphates near

the axis will repel each other. (2) Some of the van der

Waals distances appear to be too small.

Another three-chain structure has also been

suggested by F raser (in the press). In his model the

phosphates are on the outside and the bases on the

inside, linked together by hyd rogen bonds. This

structure as described is rather ill- defined, and for this

reason we shall not comment on it.

We wish to put forward a ra dically different

structure for the salt of deoxyribose nucleic acid. This

structure has two helical chains each coiled round the

same axis (see diagram). We have made the usual

chemical assumptions, namely, that each chain consists

of phosphate diester groups joining §-D-

deoxyribofuranose residues with 3',5' linkages. The two

chains (but not their bases) are related by a dyad

perpendicular to the fibre axis. Both chains follow

right- handed helices, but owing to the dyad the

sequences of the atoms in t he two chains run in

opposite directions. Each chain loosely resembles

Furberg's2 model No. 1; that is, the bases are on the

inside of the helix and the phosphates on the outside.

The configuration of the sugar and the atoms near it is

close to Furberg's 'standard configu ration', the sugar

being roughly perpendicular to the attached base. There

is a residue on each every 3.4 A. in the z-direction. We

have assumed an ang le of 36¡ between adjacent

residues in the same chain, so that the structure repeats

after 10 residues on each chain, that is, after 34 A. The

distance of a phosphorus atom from the fibre axis is 10

A. A s the phosphates are on the outside, cations have

easy access to them.

The structure is an open one, and its water content

is rather high. At lower water contents we would expect

the bases to tilt so that the structure could become more

compact.

The novel feature of the structure is the manner in

which the two chains are held together by the purine

and pyrimidine bases. The planes of the bases are

perpendicular to the fibre axis. The are joined together

in pairs, a single base from the other chain, so that the

two lie side by side with identical z-co-ordinates. One

of the pair must be a purine and the other a pyrimidine

for bonding to occur. The hydrogen bonds are made as

follows : purine position 1 t o pyrimidine position 1 ;

purine position 6 to pyrimidine position 6.

If it is assumed that the bases only occur in the

structure in the most plausible tautomeric forms (that is,

with the keto rather than the enol configu rations) it is

found that only specific pairs of bases can bond

together. These pairs are : adenin e (purine) with

thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with

cytosine (pyrimidine).

In other words, if an adenine forms one member of

a pair, on either chain, then on th ese assumptions the

other member must be thymine ; similarly for guanine

and cytosine. The sequence of bases on a s ing le chain

does not appear to be restricted in any way. However, if

only specific pairs of bases can be formed, it follows

that if the sequence of bases on one chain is given, then

the sequence on t he other chain is automatically

determined.

It has been found experimentally (3,4) that the ratio

of the amounts of adenine to thymine, and the ration of

guanin e to cytosine, are always bery close to unity for

deoxyribose nucleic acid.

It is probably impossible to build this structure

with a ribose sugar in place of the deoxyribose, as the

extra oxygen atom would make too close a van der

Waals contact. The previously published X-ray data

(5,6) on deoxyribose nucleic acid are in sufficient for a

rigorous test of our structure. So far as we can tell, it is

roughly compatible with the experimental data, but it

must be regarded as unproved until it has been checked

against more exact results. Some of these are giv en in

the following communications. We were not aware of

the details of the results presented there when we

devised our structure, which rests mainly though not

entirely on published experimental data and

stereochemical arguments.

It has not escaped our notice that the specific

pairing we have postulated immediately suggests a

possible copying mechanism for the genetic material.

Full details of the structure, includ ing the

conditions assumed in building it, together with a set of

co-ordinates for the atoms, will be published elsewhere.

We are much ind ebted to Dr. Jerry Donohue for

constant advice and criticism, especially on interatomic

distances. We have also been stimulated by a

knowledge of the general nature of the unpublished

experimental results and ideas of Dr. M. H. F. Wilkins,

Dr. R. E . Franklin and their co-workers at King's

College, London. One of us (J. D. W.) has been aided

by a fellowship from the National Foundation for

Infantile Paralysis.

J. D. WATSON

F. H. C. CRICK

Medical Research Council Unit for the Study of

Molecular Structure of Biological Systems, Cavendish

Laboratory, Cambridge.

1. Pauling, L., and Corey, R. B., Nature, 171, 346

(1953); Proc. U.S. Nat. Acad. Sci., 39, 84 (1953).

2. Furberg, S., Acta Chem. Scand., 6, 634 (1952).

3. Ch argaff, E., for references see Zamenhof, S.,

Brawerman, G., and Chargaff, E., Bio chim. et Biophy s.

Acta, 9, 402 (1952).

4. Wyatt, G. R., J. Gen. Physiol., 36, 201 (1952).

5. A stbury, W. T., Symp. Soc. Exp. Biol. 1, Nucleic

Acid, 66 (Camb. Univ. Press, 1947 ).

6. W ilkins, M. H . F., and Randall, J. T., Biochim. et

Biophys. Acta, 10, 192 (1953).

«It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated

immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material»

Il modello a doppia elica di Crick e Watson

suggerisce un meccanismo di replicazione

OLD NEW OLD NEW

NEW NEW

OLD OLD

La molecola di DNA forma

copie identiche di se stessa

Lewin, IL GENE VIII, Zanichelli editore S.p.A. Copyright ©

2006

Enzimi per gli acidi nucleici

•Polimerasi: DNA polimerasi RNA polimerasi

•Nucleasi: esonucleasi endonucleasi

La duplicazione • Nella duplicazione del DNA, la doppia

elica si apre e fa da stampo per la sintesi di

nuovi filamenti di DNA.

• La molecola del DNA si apre come una

cerniera e i due filamenti si allontanano.

• Ciascun filamento darà origine a una

copia del filamento complementare con

cui era appaiato originariamente.

La duplicazione è semiconservativa

• Le basi si appaiano in modo

complementare.

• Ogni nuova doppia elica è formata

per metà da un filamento già

esistente e per metà da uno appena

sintetizzato: perciò è detta

semiconservativa.

Gli enzimi e il proofreading

• Gli enzimi controllano con precisione il processo di

duplicazione.

• Le DNA-polimerasi hanno il compito di aggiungere

nucleotidi al filamento in costruzione.

• Se si verifica un errore, lo correggono.

• La capacità di leggere le sequenze e di rimuovere i

nucleotidi che non sono appaiati in modo corretto è

detta proofreading.

La Sintesi Proteica Dal DNA alla proteina:

dai nucleotidi agli amminoacidi

La traduzione e la trascrizione

• Il passaggio di informazioni dal DNA alla proteina è

detto traduzione.

• La trascrizione ha lo scopo di copiare o «trascrivere» il

messaggio contenuto nel DNA in una molecola

complementare.

• L’RNA è indispensabile nel processo di trascrizione.

La trascrizione

L’RNA •È una biomolecola simile al DNA ma ha alcune

differenze:

•lo zucchero è il ribosio;

•al posto della timina è presente l’uracile;

•è composto da un filamento singolo.

La trascrizione

• Le molecole di RNA messaggero sono copie (o trascritti)

di sequenze di nucleotidi presenti nel DNA.

• La trascrizione è catalizzata dall’enzima RNA polimerasi;

• L’RNA polimerasi e il DNA scorrono uno sull’altra

permettendo così la sintesi dell’mRNA a partire dal

filamento stampo.

La traduzione

I codoni

• I codoni sono segmenti di RNA contenenti tre

nucleotidi.

• Il codice genetico a triplette codifica le diverse

proteine.

• La struttura primaria di ogni tipo di proteina è

formata da una specifica disposizione lineare dei 20

differenti amminoacidi.

RNA ribosomale

• I ribosomi sono i siti dove avviene la

sintesi proteica. Sono costituiti in

parte da proteine e in parte da RNA,

detto RNA ribosomiale (rRNA).

• Ogni ribosoma è formato da due

subunità (maggiore e minore).

RNA di trasporto

• Ogni molecola di tRNA ha la

funzione di agganciare uno

specifico amminoacido per

trascinarlo fino all’mRNA.

• È composto da un sito di

attacco e un anticodone.

La sintesi proteica

•È il

trasferimento di

informazioni

dagli acidi

nucleici agli

amminoacidi.

La sintesi proteica nelle cellule eucariote

• Le proteine sono

sintetizzate sui ribosomi del

reticolo endoplasmatico e

poi inviate all’apparato di

Golgi.

• Da qui sono smistate ai

diversi comparti cellulari.

dna la scoperta - lumsa.it dna la... · chirurgiche con il pus (formato di cellule) e osservò una...

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