Sintesi Proteica e Codice Genetico

Fondamenti di Genetica

• La genetica studia i meccanismi dell'ereditarietà.
• Il DNA è una macromolecola, molto stabile, che rappresenta l'1% delle molecole in una cellula procariotica.
• Il DNA è capace di replicarsi fedelmente e codificare RNA e proteine.
• Subisce mutazioni, che determinano la variabilità genetica e l'evoluzione degli organismi.

Struttura del DNA

• L'acido desossiribonucleico (DNA) è un polimero di nucleotidi.
• I filamenti di DNA sono antiparalleli, ovvero il senso di un filamento è opposto a quello del filamento complementare.
• Ogni catena presenta un'estremità 5' con un gruppo fosfato e un'estremità 3' con un gruppo ossidrile.
• L'estremità 5' di un filamento corrisponde all'estremità 3' dell'altro filamento.
• Il DNA ha una struttura a doppia elica, con andamento destrorso.
• Le due catene sono unite da legami idrogeno tra le basi azotate.

Modelli di Watson e Crick (1953)

• Il modello di Watson e Crick descrive la struttura del DNA come una doppia elica.
• Ogni molecola di DNA è composta da due filamenti avvolti.
• Le due catene hanno andamento antiparallelo.
• I due filamenti sono uniti da legami idrogeno fra le basi azotate.

Forme fisiche del DNA naturale

• Il DNA può essere lineare a catena singola o circolare a catena singola.
• Può essere anche lineare o circolare a doppia elica.

Regola di Chargaff

• In una singola molecola di DNA a doppio filamento, il rapporto tra basi puriniche (A+G) e pirimidiniche (T+C) è 1:1.
• La percentuale di adenina è uguale a quella di timina e la percentuale di guanina è uguale a quella di citosina (A=T e G=C).

Cromatina

• La cromatina è un complesso di DNA, RNA e proteine basiche (ad esempio, istoni), neutre e acide.
• È complessivamente basofila.
• Presenta diversi livelli di superavvolgimento, come eucromatina (cromatina attiva) ed eterocromatina (cromatina inattiva).

Eucromatina

• Appare chiara al TEM e al MO.
• La cromatina è decondensata.
• Il DNA può essere trascritto in mRNA (interfase del ciclo cellulare).
• Cellule che producono proteine (neuroni, epatociti, ghiandole).

Eterocromatina

• Appare scura al TEM e al MO.
• La cromatina è condensata.
• Il DNA non viene trascritto (fase M del ciclo cellulare).
• Cellule che producono poche proteine (osteociti, spermatozoi).

Epigenetica

• L'epigenetica è una branca della genetica che studia i cambiamenti fenotipici ereditabili senza variazioni nel genotipo.
• I meccanismi epigenetici includono la metilazione del DNA e la modificazione covalente degli istoni.
• L'imprinting genomico è un fenomeno epigenetico che si basa sulla metilazione del DNA e determina l'espressione di alcuni geni a seconda del genitore da cui vengono ereditati.

Corpi di Barr

• Cromosoma X inattivato nelle donne.
• Ben visibile nei nuclei eucromatici, si presenta come una macchia basofila.
• In ogni cellula viene inattivato uno dei due cromosomi X.
• Se i cromosomi X sono più di due (aneuploidia), vengono inattivati tutti tranne uno.
• n° corpi di Barr = n° cromosomi X - 1

Avvolgimenti del DNA

• I diversi livelli di avvolgimento del DNA impattano sull'accessibilità del DNA e sull'espressione genica.
• Molecola di DNA, Nucleosomi, Collana di perle, Fibra cromatinica di 30nm, Cromosoma attivo, Cromosoma metafasico.

Replicazione del DNA

• Il DNA si replica in modo semiconservativo.
• Ogni elica madre fa da stampo per un'elica figlia.
• Durante la divisione cellulare, le due copie di doppie eliche seminuove prodotte finiscono in una cellula figlia.
• L'inizio della replicazione prevede l'intervento di topoisomerasi, elicasi, single-strand binding protein (SSB) e primasi (per sintetizzare brevi inneschi di RNA).
• L'allungamento della replicazione prevede DNA polimerasi, lavorando in direzione 5' --> 3'.
• Ci sono due filamenti di replicazione (leading e lagging), dove il lagging crea frammenti di Okazaki.
• La DNA ligasi congiunge i frammenti di Okazaki.
• Il replisoma è il complesso proteico formato dagli enzimi della replicazione.

Procarioti vs Eucarioti

• I procarioti hanno DNA circolare, mentre gli eucarioti hanno DNA lineare.
• Una sola forcella di replicazione nei procarioti, più forcelle nelle cellule eucariotiche.

Enzimi coinvolti nella replicazione del DNA

• DNA polimerasi
• Topoisomerasi
• Elicasi

Espansione di informazioni

• Il dogma centrale della biologia illustra il flusso di informazioni dal DNA all'RNA alle proteine.
• Solo una piccola parte del DNA (geni) viene trascritta in RNA complementare. Negli eucarioti, gli RNA codificanti vengono modificati prima della traduzione. Un singolo mRNA procariotico è policistronico, mentre i mRNA eucariotici sono monocistronici.

Promotore

• Sequenza segnale di DNA prossima al gene che contiene la TATA box.
• Interagisce con fattori di trascrizione per posizionare l'RNA polimerasi e iniziare la trascrizione.

Sequenze regolatrici

• Enhancers: regioni anche distanti dal gene e favoriscono la trascrizione.
• Silencers: regioni che inibiscono l'attività trascrizionale e attraggono repressori.

Trascrizione

• Viene trascritto solo uno dei due filamenti del DNA.
• L'RNA polimerasi sintetizza l'mRNA in direzione 5' --> 3'.
• L'mRNA è una copia complementare dell'antisenso di un gene.
• Alla timina viene sostituito l'uracile.
• La terminazione si verifica quando la RNA polimerasi incontra il segnale di terminazione.

Maturazione dell'mRNA

• L'mRNA viene modificato post-trascrizionalmente con capping all'estremità 5' e poliadenilazione all'estremità 3', in aggiunta al splicing.
• Capping: aggiunta di una guanosina modificata all'estremità 5'.
• Poliadenilazione: aggiunta di una sequenza di adenosine (coda poli-A) all'estremità 3'.
• Splicing: rimozione delle regioni introniche e giunzione degli esoni, contenenti amminoacidi.

Splicing alternativo

• Meccanismo di splicing in cui possono essere ottenuti mRNA differenti a partire dal medesimo pre-mRNA, portando alla sintesi di proteine diverse (isoforme proteiche).

Regolazione pre-trascrizionale

• I promotori, enhancers, silencers, sono sequenze regolatrici.
• I geni vengono riconosciuti dall'RNA polimerasi e i processi post trascrizionali ne influenzano la sintesi.

Traduzione

• Processo che converte l'mRNA in una sequenza di amminoacidi.
• Esso prevede l'intervento di ribosomi, tRNA (molecole adattatrici), amminoacil-tRNA sintetasi (enzimi che caricano gli amminoacidi sui tRNA), e diversi fattori di inizio, allungamento e terminazione.

Codice genetico

• È degenerato: più triplette possono codificare per lo stesso amminoacido.
• Ogni tripletta codifica per al più un amminoacido.
• È universale: è valido per tutte le forme di vita conosciute.
• Ci sono delle eccezioni al codice genetico universale, in particolare nei mitocondri.

Ribosomi e tRNA

• I ribosomi sono le macchine cellulari che leggono le sequenze di mRNA.
• I tRNA trasportano gli amminoacidi e li posizionano nel ribosoma per la sintesi proteica.

Traduzione: inizio, allungamento e terminazione

• Inizio: Il ribosoma si lega all'mRNA, e il primo tRNA caricato con metionina si lega al codone d'inizio AUG, formando il complesso di inizio.
• Allungamento: Il ribosoma si muove lungo l'mRNA, aggiungendo amminoacidi al polipeptide in crescita secondo l'informazione di sequenza dell'mRNA per ogni codone. Il tRNA caricato con il secondo amminoacido si lega al sito A e l'enzima peptidil-transferasi catalizza il legame peptidico. Il tRNA legato al polipeptide si sposta al sito P, e il ribosoma si sposta al codone successivo dell'mRNA.
• Terminazione: Un fattore di rilascio si lega al codone di stop sull'mRNA, causando la separazione del polipeptide completamento dalla macchina di sintesi proteica, e le subunità ribosomiali si separano.

Eccezioni al codice genetico (Selenocisteina e Pirrolisina)

• Sono amminoacidi extra rispetto al codice genetico standard.
• Sono codificati da codoni di stop (UGA e UAG), ma sequenze di mRNA particolari influenzano la traduzione.

Cariotipo

• Rappresentazione visiva dei cromosomi di una cellula.
• Mostra il numero e la forma dei cromosomi per una diagnosi di malattie genetiche.
• Il cariotipo normale negli esseri umani è costituito da 46 cromosomi (22 paia di autosomi e una di eterosomi o cromosomi sessuali).

Cromosomi sessuali

• Tutte le cellule umane hanno 22 paia di cromosomi autosomici e una coppia di cromosomi sessuali.
• Ci sono due tipi di cromosomi sessuali: X e Y.
• Le femmine hanno una coppia di cromosomi X e i maschi hanno un cromosoma X e uno Y.

Alberi genealogici

• Sono utili per tracciare la trasmissione di malattie genetiche nelle famiglie.
• Aiuta a identificare se un carattere è dominante o recessivo e se è legato all'autosomi, ai cromosomi sessuali o ai mitocondri.

Malattie genetiche

• Autosomica recessiva
• Autosomica dominante
• X-linked recessiva
• X-linked dominante
• Mitocondriale

Mutazioni genomiche

• Delezioni, Duplicazioni, Inserzioni, Traslocazioni.
• Aneuploidie: Numero anormale di cromosomi. (es: Trisomia 21 - sindrome di Down)
• Monosomie: Assenza di un cromosoma. (es: Sindrome di Turner: mancanza di un cromosoma X in una femmina)
• Trisomie: Presenza di un cromosoma extra. (es: Sindrome di Down: presenza di un cromosoma 21 extra)

Mutazioni

• Geniche: mutazioni a livello di singoli geni (es: mutazioni puntiformi, frame-shift).
• Genomiche: mutazioni a livello dell'intero corredo cromosomico.
• Cromosomiche: mutazioni nella struttura dei cromosomi (es: delezioni, duplicazioni, inversione, traslocazioni).