Manga 04 Biologia Dna e Genetica [PDF]

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Biologia DNA e GENETiCA

MASAHARU TAKEMURA SAKURA BeCOM Co., Ltd.

SomMario Prefazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX Prologo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 che cos’è una CelLula? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Una cellula è un contenitore di vita . . . . . . . . . Ogni organismo vivente è fatto di cellule . . Le cellule sono vive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Una cellula è composta da molte molecole Non ho mai visto una cellula! . . . . . . . . . . . La cellula più lunga del nostro corpo . . . . . Diamo un’occhiata dentro a una cellula . . . . . . Dentro la membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organelli cellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Il nucleo: un piccolo cervello . . . . . . . . . . . . . . Cosa c’è dentro al nucleo? . . . . . . . . . . . . . Organismi unicellulari e pluricellulari . . . . . . . Organismi procarioti e organismi eucarioti . . .

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2 Proteine e DNA: Decifrare il codice genetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Le proteine guidano l’attività cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Che cos’è l’attività cellulare? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 I superpoteri degli enzimi! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Le proteine con funzione enzimatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Il ruolo delle proteine nella divisione cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Proteine e contrazione muscolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Riassunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Le proteine sono formate da amminoacidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Scambiare un amminoacido con un altro è un ottimo affare! . . . . . . . . . . 75 I geni: le istruzioni per costruire le proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Come fanno le cellule a sapere quali proteine creare? . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Le istruzioni assicurano che l’ordine degli aminoacidi sia corretto . . . . . . 78 I nostri geni sono scritti in un codice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

DNA e nucleotidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Il DNA ha una struttura a doppia elica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Il DNA è formato da nucleotidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 I nucleotidi sono i caratteri del “codice” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Il genoma: una biblioteca di geni. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3 replicazione del dna e divisione celLulare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Le cellule si dividono per moltiplicarsi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 La riproduzione: il più importante evento della vita! . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 La divisione cellulare: il metodo più semplice per riprodursi . . . . . . . . . . . 97 La divisione cellulare negli organismi pluricellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Il DNA viene replicato prima della divisione cellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Cosa succede ai geni? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Il DNA ha una struttura duplicabile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Il ruolo della DNA polimerasi nella replicazione del DNA . . . . . . . . . . . . . 108 Che cos’è un cromosoma? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Il corpo umano contiene 46 cromosomi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 I cromosomi sono visibili esclusivamente durante la divisione cellulare 123 Il processo di divisione cellulare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Mitosi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Citochinesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Che cos’è un ciclo cellulare? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Qual è la causa del cancro?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4 come è fatTa una Proteina? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Un gene diventa utile dopo la trascrizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Come è fatta una proteina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Che cos’è la trascrizione?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Cromatina e trascrizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Tiriamo il filo della cornetta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 L’mRNA è sintetizzato usando uno dei due filamenti di DNA come modello 146 L’RNA polimerasi copia l’informazione genetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 La frammentazione dell’mRNA trascritto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Il rimescolamento degli esoni. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Che cos’è l’RNA? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 I caratteri dell’RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 DNA e RNA utilizzano zuccheri diversi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 L’RNA è flessibile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Esistono vari tipi di RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 RNA di trasferimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 I ribosomi; il meccanismo di sintesi delle proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Il meccanismo del codice genetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Il tRNA trasferisce gli amminoacidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 La proteina è completa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

vi somMario

5 ricerca e tecnologie Genetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Che cosa sono le tecniche del DNA ricombinante? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Manipolare il DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Perfezionamento degli allevamenti e tecniche del DNA ricombinante . . . 183 Un esempio di tecnica del DNA ricombinante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Metodi per individuare e isolare il DNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Animali transgenici (Topi Knockout) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Medicina personalizzata e terapia genica: la genetica sarà il futuro della prevenzione delle malattie?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Terapia genica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Il rinascimento dell’RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Interferenza dell’RNA: usare l’RNA per alterare l’espressione genica . . . . 201 L’RNA può curare le malattie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Come funziona esattamente la PCR? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Come clonare gli animali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Evoluzione molecolare: come i geni possono raccontare una storia. . . . . . . . 208 Il futuro della biologia molecolare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Epilogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 indice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

SomMario Vii

Prefazione La biologia molecolare è una disciplina accademica che cerca di capire il comportamento di organismi troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo. I geni rivestono ruoli molto importanti nel nostro mondo e sono non solo invisibili ad occhio nudo, ma anche difficili da vedere al microscopio. I ricercatori di biologia molecolare come me conducono molti esperimenti ogni giorno nei laboratori universitari, negli istituti di ricerca e nelle aziende: cercano di capire il comportamento del DNA, delle proteine e dell’RNA, e creano modelli che spieghino questo mondo microscopico. Dal momento che non possiamo vedere il materiale su cui investighiamo, la conoscenza nel campo della biologia molecolare si basa solo sui dati degli esperimenti, e ci sono ancora molte cose che non capiamo. Se fare ricerca è difficile, divulgare in maniera semplice il mondo della biologia molecolare ai non specialisti lo è molto di più, e questo vuole essere lo scopo del volume che avete in mano. Le protagoniste della storia che leggerete sono due studentesse universitarie, Ami Kasuga e Rin Natsukawa, che vengono invitate su una piccola isola di proprietà del dottor Moro per seguire delle lezioni di recupero di Biologia Molecolare. Grazie a una macchina di realtà virtuale che le accompagna nel mondo della biologia molecolare e all’aiuto di Marcus, il bell’assistente del professore, le due ragazze riescono a imparare molte cose. Dal momento che lo scopo di Ami e Rin è quello di apprendere le nozioni di base della biologia molecolare, questo libro contiene molte descrizioni realizzate per aiutare il lettore a capire l’argomento; in realtà i processi di replicazione del DNA, trascrizione e sintesi proteica sono meno facili di quanto descritto nel libro, ma se voi lettori capirete che il mondo della biologia molecolare è più complesso e comprende molte più aree che vorrebbe esplorare, allora penso sia stata raggiunta più della metà dello scopo di questo libro. Detto questo, bisogna anche esplicitare che la biologia molecolare è una disciplina molto vasta, ed è quindi inevitabile che sia legata ad altre aree di studio, come la medicina, l’agricoltura e l’ingegneria, ma anche a materie pure quali la fisica, la chimica, le scienze della terra, e ovviamente la biologia. Inoltre è strettamente collegata alla vita di tutti i giorni di molte persone.

Grazie all’incredibile velocità con cui si sono succedute nuove scoperte dalla fine del ventesimo secolo ai giorni nostri, la biologia molecolare è diventata un argomento molto ampio ed è difficile che un singolo ricercatore al giorno d’oggi possa conoscerne ogni singola branca. Questo libro tratta solo le basi della biologia molecolare, ma se volete averne un’immagine più veritiera, suggerisco di usarlo come introduzione, e di continuare a nutrire la vostra curiosità con la moltitudine di materiali disponibili sull’argomento. Per finire, vorrei approfittare di questa opportunità per ringraziare tutto lo staff di Ohmsha Ltd, Masayoshi Maeda per la meravigliosa sceneggiatura e Sakura per i bellissimi disegni con cui ha rappresentato il complesso mondo delle molecole. Ma soprattutto vorrei ringraziare voi lettori. Masaharu Takemura

x prefazione

Prologo Kazuo Koike presente!

rin Natsukawa

ami Kasuga

…

…

AcCidenti, quelLe due...

...Lo so che stanno pasSando un brutTo periodo…

ma se non vengono alLe mie lezioni non posSo aiutarle.

*

*registro delLe presenze

non ho tutTo il tempo del mondo... non posSo più aspetTarle.

bene,

la mia lezione di ogGi è sulLe modificazioni genetiche…

...

oh, sono così agitata.

…dobBiamo andare al suo laboratorio.

laboratorio di biologia profesSor Moro.

tac tac

tac tac 2 Prologo

alcune ore prima

Gentile Rin Natsukawa, non ha ragGiunto il minimo di frequenze necesSarie per pasSare l’esame di istituzioni di Biologia Molecolare, un corso obBligatorio per il suo primo semestre. Venga con urgenza nel mio laboratorio per ricevere istruzioni sulLe sue lezioni di recupero obbligatorie. ProfesSor Moro

ma... ho ricevuto lo stesSo mesSagGio anche io.

imMagino che ci abBia scoperte.

Oh no!

toc toc

Prologo

3

wow! ehi!

Sì? voi dovete esSere ami kasuga e rin Natsukawa, giusto? io sono Marcus, l’asSistente del dotTor Moro. Entrate.

DotTore? Pensavo fosSe un profesSore.

brR

benvenute!

cosa? chi è?

4

Prologo

di chi è questa voce?

siete ami e rin, vero?

~~~

e io, io sono ami kasuga.

venite sulLa mia isola, dove si trova il mio vero laboratorio.

non vi chiederò perché non siete venute a quasi nesSuna delLe mie lezioni. spero soltanto che non abBiate pasSato le matTine a letTo dopo aver guardato la tv tutTa la notTe. il suo motivo > era a letTo dopo aver guardato la tv tutTa la notTe

oh sì, io sono rin natsukawa!

il suo motivo > stava facendo gli straordinari sul lavoro

La sua isola?

mMmh zZz zZz

Vi darò ripetizioni quagGiù.

non preocCupatevi, l’isola è molto gradevole in questo periodo delL’anNo.

Prologo

5

ha circa questo aspetTo!

pochi giorni dopo…

… …

non sembra per nulLa come quella foto! Ci hanNo fregate!

6

Prologo

È comunque un’isola, no? Cerchiamo di vedere il lato positivo.

DotTor moro! siamo qui!

shHhH

Ciao, venite dentro.

il dotTor moro è uno dei più importanti ricercatori di biologia molecolare. ha costruito questo laboratorio con i proventi delLe sue invenzioni e dei suoi brevetTi.

È un laboratorio enorme.

BrevetTi?

Ha fatto tutTo questo da solo?

Son qui, ragazZe.

E benvenute. DotTor Moro!

Prologo

7

Ma prima vi spiegherò perché studiamo la biologia molecolare.

in questo momento sono un po’ ocCupato, così ho chiesto a Marcus di metTervi in pari.

Sapete di cosa è fatTa l’acqua che è in questo bicChiere?

Oh sì!

MmMh... di piogGia?

Be’, sì, ma non è questo il punto.

Non si arRabBi dotTore, si stanNo impegnando.

eh eh eh

8

Prologo

Di bagnato!

Non è un indovinelLo! Concentratevi!

Ah, siamo mesSi bene.

ahem. L’acqua è semplicemente un mucChio di molecole, composte da idrogeno

tutTo è fatTo di molecole, anche i nostri corpi.

legato a ossigeno (H2o).

le molecole sono semplicemente la combinazione di elementi.

Lei sta parlando di un mondo picColisSimo e invisibile, temo di non riuscire a imMaginarmelo.

per ora la cosa importante è che capiate che il corpo di un organismo vivente, anche il vostro, è fatTo di un enorme numero di picCole molecole.

tranquilLe.

davVero?

devo solo chiarire una cosa…

esatTo, pensateci un po’!

state studiando biologia molecolare!

una disciplina che spiega come si comportano le molecole nelLe celLule e quali sono le conseguenze delLe interazioni fra le molecole.

penso di iniziare a capirci!

Prologo

9

ma le molecole sono davVero così importanti?

Be’, è sicuramente una domanda lecita.

tz tz

ami, che domande sceme fai?!

oOps.

davVero? questo significa che se studiamo le molecole…

anche perché dopotutTo le stiamo per studiare.

la medicina moderna ha capito che certe malatTie sono causate da molecole anormali.

Oh, posSiamo salvare delLe vite!

sob

10

PrologO

sob

...saremo capaci di curare malatTie che al giorno d’ogGi sono incurabili?

mMh! ahem!

AdesSo vi spiegherò cinque parole importanti in biologia molecolare.

EcCole. Cercate di ricordarle. celLula

proteina DNA RNA gene

uno degli argomenti principali del vostro recupero sarà un tipo speciale di molecole, le proteine. e i geni sono altretTanto importanti. Come sapete, voi ereditate i tratTi da vostra madre e da vostro padre. i geni sono le “istruzioni” per creare proteine e altre molecole. e i geni, sono anche loro molecole? cosa sono il DNA e l’RNA? Le vostre lezioni di recupero risponderanNo a queste domande. il mondo apParentemente difFicile delLe molecole e delLe proteine è molto più comprensibile, se si conoscono le basi.

Marcus, pensi tu al resto? celLula proteina DNA RNA gene

B lu

u

u p

PrologO

11

il dotTor moro è scomparso!

comunque, non sono proprio certa di capire già che cos’è una proteina. cosa sono il DNA e l’RNA?

sembrava un po’ esausto.

per ora basta che ascoltiate atTentamente quando sentite queste parole chiave.

aspetTate! non serve che le capiate fino in fondo subito.

okay!

ecCoci.

andiamo nelL’aula studio.

cosa è quelLa cosa?

12

Prologo

...?

Questa è la macchina dei sogni creata dal dottor moro.

è una macChina per la realtà virtuale che vi farà vedere il mondo microscopico – quello che studiamo in biologia molecolare – esatTamente come se fosSe davanti ai vostri ocChi.

da ogGi userete la macChina dei sogni per studiare la biologia molecolare.

oh mio dio! è fantastico!

…sì, sono super emozionata.

Prologo

13

1 che cos'è una celLula?

Una celLula è un contenitore di vita

ogni organismo vivente è fatTo di celLule.

ora che sapete cosa intendiamo quando parliamo di biologia molecolare, lasciatemi fare una domanda.

nei nostri corpi, moltissime molecole si raggrupPano per formare un organismo vivente.

per poter restare in vita, abBiamo bisogno dei prodotTi delLe loro interazioni.

un acCumulo di tante molecole... non potrebBe diventare semplicemente una molecola più grosSa? ami, tu per caso sei uno strano organismo fatTo da una sola celLula?

maleducata!

bene, è giusto. avete dato entrambe una risposta corRetTa.

16 capitolo 1 che cos'è una celLula?

aspetTa, cosa?!

Come gli atomi si uniscono a formare le molecole, molecole picCole posSono unirsi e formare molecole più grandi.

ogni organismo vivente è fatTo di celLule.

ma le celLule sono fatTe di un misto di molecole picCole e grandi.

wohoO!

W

o

o

o

o

o

o

s

h

ora, proviamo la macChina dei sogni

ogni organismo vivente è fatTo di celLule 17

che cosa è quelLa cosa?

sembra enorme perché ci siamo rimpicCioliti, ma è un banale pezZo di sughero!

sughero tipo quelLo per chiudere le botTiglie?

uno scienziato inglese chiamato robert hoOke ha osServato per primo il sughero con un microscopio che si era fatTo da solo. ha chiamato questi scomparti celLule*.

esatTo. il sughero è composto da un agGregato di questi scomparti. li potete vedere proprio qui!

ecCo come apPare il sughero ad ami e rin dopo che si sono rimpicCiolite.

il sughero è il tesSuto di una pianta morta. QuelLo che hoOke vide erano le pareti celLulari delLe celLule vegetali morte.

il microscopio di hoOke veniva ilLuminato da una lampada e da delLe lenti.

Robert HoOke (1635 - 1703)

chisSà com’era intelLigente hooke per riuscire a costruirsi un microscopio da solo.

18 capitolo 1 che cos'è una celLula?

be', ok. ma è la sua scoperta delLe celLule che è importante. hai davVero un cervelLino da paramecio.

* chiamò questi scomparti celLule perché gli ricordavano delLe celLe monacali - le stanze dove vivono i monaci

e basta! non sono un organismo fatTo da una sola celLula!

un organismo fatTo da una sola celLula è anche chiamato organismo unicellulare.

?

cosa è un organismo unicelLulare?

be', per esempio...

certo che non lo sei!

tipo un’ameba ufF

ehi celLuletTa!

a difFerenza delLe amebe, gli esSeri umani sono organismi pluricelLulari e sono fatTi di molte celLule che coOperano insieme.

senti da che pulpito! sciò, amebe.

quindi ami non è un organismo unicelLulare, bensì uno pluricelLulare.

hai sentito, maledetTa? ora sai quelLo che sono realmente!

be', ci deve esSere un qualche epiteto per persone delLa tua intelLigenza.

questo è troppo!

smetTila di darmi nomignoli!

ogni organismo vivente è fatTo di celLule 19

le celLule sono vive.

ma continuiamo a parlare di celLule.

dopo la scoperta di hoOke, altri studi fatTi da altri scienziati confermarono che questi scomparti - cioè le celLule - esistevano in ogni organismo vivente.

hai detTo un momento fa che tutTi gli organismi sono fatTi di celLule.

quindi è come se il nostro corpo fosSe una casa e le celLule qualcosa simile a dei matToni?

20

capitolo 1 che cos'è una celLula?

più o meno.

esatTo. Ehi, te lo sei ricordata.

aspetTa un secondo, marcus!

devi esSere preciso su questa cosa!

ban

ascoltate me!!!

g

lo sai che c’è una difFerenza enorme tra i matToni e le celLule.

cavolo, è un’imMagine virtuale del dotTore quelLa?

provate così! metTete la vostra mano sul cuore.

tu-tum

tu-tum

ehmMm... sì, ha ragione.

il vostro cuore è fatTo da un enorme numero di celLule e ogni singola celLula pulsa!

ok, capisco. a difFerenza dei matToni, le celLule sono vive.

quindi? sentite un battito, no?!

esatTamente. Come hai detTo prima, posSiamo considerare una celLula come un organismo vivente indipendente.

in efFetTi...

Le celLule sono vive 21

se estraiamo una celLula da un corpo umano e la facCiamo crescere in una coltura nel mio laboratorio, esSa vivrà per un po’.

pensa a un organismo unicelLulare come le amebe e i batTeri. vivono bene no?

un’unica celLula che continua a vivere senza il corpo? non capisco...

in ogni caso, alcune celLule estratte moriranNo poco tempo dopo.

be', penso di sì.

eh, che fretTa.

...va be’, io adesSo devo andare.

BLuuuP

quando ha parlato di quelLe celLule morenti... sembrava così triste.

ma cosa significa esSere “vive” dopo tutTo?

22 capitolo 1 che cos'è una celLula?

Una celLula è composta da molte molecole Una cellula è il prodotto di molte molecole che collaborano insieme. Diversi tipi di molecole, piccole e grandi, interagiscono per formare una “società” che lavora, chiamata cellula. Le molecole grandi sono ad esempio gli acidi nucleici (come il DNA), le proteine, i lipidi (come i grassi e il colesterolo) e i polisaccaridi (come l’amido). Poi ci sono molecole più piccole, come l’acqua, gli amminoacidi e i minerali. Vi ricordate che il Dr. Moro ha detto che le proteine svolgono un ruolo importante nell’attività cellulare? Una grossa molecola proteica è composta da molte molecole più piccole legate fra di loro, chiamate amminoacidi, di cui esistono 20 tipi. A seconda di come vengono combinati, formano proteine con diverse proprietà: la loro struttura determina infatti la loro funzione. Ogni proteina svolge un compito specifico e le nostre cellule sopravvivono grazie al loro lavoro. Ora guardiamo più da vicino la struttura di una cellula. L’esterno della cellula si chiama membrana cellulare ed è fatta di materiale grasso, ovvero di lipidi. Nella sua forma più basilare, una cellula è semplicemente una membrana cellulare fatta di lipidi, con varie molecole che ci galleggiano dentro.

Membrana fatta di lipidi

Molecole che galleggiano in acqua

Varie molecole che galleggiano in una cellula.

Un’altra cosa contenuta nella cellula è il glucosio, uno dei carboidrati più semplici. Sicuramente avete sentito dire che il riso e gli spaghetti sono fatti da carboidrati: il glucosio è contenuto in questi cibi e serve come fonte di energia nella cellula.

Una celLula è composta da molte molecole

23

Non ho mai visto una cellula! Be', aspetta, forse l’avete vista. Poco fa abbiamo parlato di un mondo che è visibile solo al microscopio, ma probabilmente non avete un microscopio a casa. E quindi come si può rimediare? Basta che apriate la porta del vostro frigorifero: potreste vedere un’enorme cellula oblunga proprio lì dentro: sì parlo di un uovo, non è incredibile? L’uovo di gallina che mangiate è un’unica cellula.

La cellula più lunga del nostro corpo Ovviamente, il corpo umano è fatto di cellule, esattamente come ogni altro organismo. A prima vista non potete trovare un tessuto che può essere identificato come “un’unica cellula”, ma esistono molte diverse cellule nel nostro corpo che lavorano insieme, sotto forma di organi e altri sistemi. Visto che generalmente non possiamo vedere le cellule senza un microscopio, potreste pensare che le loro dimensioni siano sempre microscopiche, ma abbiamo anche un tipo di cellula molto lunga e sottile, che, in alcuni casi, può raggiungere oltre un metro di lunghezza! Sono le cellule nervose, che rispondono a diversi stimoli, come la luce, il suono e il tatto, e sono responsabili di portare questi messaggi al cervello. Le cellule nervose sono conosciute anche come neuroni. Una cellula nervosa è formata da un corpo cellulare e da un assone, una specie di cavo che trasmette stimoli e messaggi lungo il nostro corpo fino al cervello. Alcune protrusioni chiamate dendriti escono dal corpo cellulare e ricevono i messaggi dagli altri neuroni. Le cellule nervose del nostro corpo possono avere assoni lunghi un metro.

Corpo cellulare

Dendrite

24

capitolo 1 che cos'è una celLula?

Assone

Diamo un’ocChiata dentro a una celLula

andiamo adesSo alL’esplorazione delL’interno di una celLula Citoplasma Lisosoma

Nucleo Centrosoma Nucleolo

Reticolo endoplasmatico liscio

Mitocondrio Ribosomi

Reticolo endoplasmatico rugoso Apparato del Golgi

Wow, è davvero piena di roba. questa è una celLula tipica. Soffermatevi un atTimo e guardatela nel detTaglio.

già, basta guardare quelLa grosSa palla e quelLe tendine svolazZanti!

Diamo un’ocChiata dentro alLa celLula 25

strano vero, ami? Sembrano tante picCole dita che si contorcono...

come vi sembra? non è interesSante l’interno di una cellula?

è un po’ disgustoso

nauseante

e quelLe palLe volanti, quelLe sono molto divertenti.

be', è lì che stiamo andando

dobBiamo tocCare quelLe cose schifose?!?

ma neanche se mi paghi!

spero ce la facCiate

non preocCupatevi. quando andremo dentro, useremo una navicelLa.

sì, si chiama “vescicola di trasporto transmembrana”. almeno non dobBiamo nuotare atTraverso il muro di grasSo.

una navicelLa?

26

capitolo 1 che cos'è una celLula?

mi consola un po’.

dentro la membrana

che razZa di navicelLa è mai questa?

sembra una macChinina viscida fatTa di grasSo! mi fa venire da vomitare!

Lipidi (fosfolipidi)

brava. questa navicelLa è fatta di membrana celLulare.

Membrana cellulare

Navicella

ma non ha senso!

Dentro la membrana 27

comunque, perché non ci siamo teletrasportati diretTamente dentro la celLula? siamo in un mondo virtuale dopotutTo.

Vedrai che più avanti ci sarà d’aiuto. Guardate, ci stiamo avVicinando alLa celLula.

Fosfolipide

dopPio strato fosfolipidico Proteina

la superficie delLa membrana celLulare è molto complicata. da qui sembra irRegolare perché ha molte cose infilate dentro.

Idrofobico

polisacCaride

b l e a h !

Idrofilo

ok, pronti alL’impatTo! tenetevi forte!

sh

woO

non mi sento tanto bene...

28

capitolo 1 che cos'è una celLula?

la membrana celLulare è fatTa di due parti: una pelLicola lipidica composta da un dopPio strato di fosfolipidi (chiamata il doppio strato fosfolipidico) e delLe molecole più grandi, come le proteine che galLegGiano nei lipidi.

queste proteine sulLa membrana celLulare sono importanti, sono come sensori per la celLula...

Cellula

...e le permetTono di comunicare con le altre celLule.

mah, tutTo regolare. solita roba da celLula.

ehi amico, come va?

le celLule si parlano?

uhmM!

acCidenti!

no, no, ascoltatele!

le celLule sono bellisSime!

prendetemi sul serio!

Dentro la membrana 29

guardate! Marcus! guarda le pareti delLa navicelLa! si sta sciogliendo! si sta sciogliendo!

Parte anteriore della navicella

La navicella si fonde con la membrana cellulare Parte posteriore della navicella

Si sono unite per fare un’unica membrana!

non preocCupatevi, si sta semplicemente fondendo con la membrana celLulare.

la membrana celLulare è molto mobile e anche i lipidi e le proteine si muovono costantemente: quindi i lipidi che erano nelLa navicelLa ora fanNo parte delLa membrana celLulare. sono diventate un’unica cosa, come farebBero due bolLe di sapone.

si sono unite in un’unica cosa!

credo di aver capito, ma forse non tanto.

30 capitolo 1 che cos'è una celLula?

e insomMa, come ci arRiviamo dentro la celLula ora?

coOosa?!

ci siamo già!

Organelli cellulari Cosa è tutta questa roba gelatinosa che ci circonda?

È citoplasma, una soluzione molto densa di acqua e molecole, che sono sia i nutrienti di cui la cellula ha bisogno sia i suoi scarti. Mentre galleggiamo nel citoplasma della cellula (o meglio nel citosol, la soluzione acquosa al suo interno), vediamo venire verso di noi anche oggetti più grossi, simili a delle gigantesche balene, a delle navi spaziali o a enormi palle da calcio. La cellula è completamente stipata di tutte queste cose. Come dicevo prima, ogni cellula è una cosa vivente e per rimanere in vita deve svolgere una serie di operazioni, eseguite da questi oggetti più grossi di forma differente, che si chiamano organelli, cioè “piccoli organi”. Esattamente come il corpo umano ha un cuore, un cervello e altri organi che hanno specifici compiti nel corpo, una cellula ha piccoli organi responsabili di diverse funzioni. La grossa nave spaziale di prima era in realtà un organello cellulare. Ehi, Marcus, mi stavo chiedendo: cosa sono quelle cose che sembrano dei muri e che si sovrappongono strato su strato?

Andiamoci più vicino. I muri sono fatti di sottili doppi strati fosfolipidici, esattamente come la membrana cellulare, ma non sono dei veri muri. Ora che siamo più vicini, potete vedere che hanno una struttura simile a un nastro ripiegato su se stesso. Ribosoma

Reticolo endoplasmatico

Vescicola

Apparato di Golgi

Ma questi nastri si sovrappongono!

OrganelLi celLulari 31

È un organello cellulare chiamato reticolo endoplasmatico. La sua superficie è coperta da molti ribosomi, che sono degli altri complessi funzionali. Il reticolo endoplasmatico e i ribosomi lavorano insieme per sintetizzare e processare le proteine. In realtà, in molte parti del corpo, ad esempio nel fegato e nei linfonodi, le cellule secernono proteine ad uso di altre cellule del corpo. Quando le proteine vengono secrete, un organello cellulare, chiamato apparato di Golgi, funziona come centro di spedizione. Il processo per l’impacchettamento e il trasporto delle proteine è esattamente come quello che abbiamo usato per entrare nella cellula, ma al contrario! L’apparato di Golgi è composto da cisterne (cisterne del Golgi) che impacchettano le proteine e altre molecole dentro delle sacche fatte di membrana, chiamate vescicole, che trasportano le molecole prodotte all’interno della cellula verso l’esterno; possono anche portare le molecole ad altri organelli della cellula, ad esempio ai lisosomi, attraverso la fusione delle membrane. Apparato di Golgi Proteine Reticolo endoplasmatico

Secrezione verso l’esterno della cellula

L’apparato di Golgi secerne le proteine fuori dalla cellula

A-ha! È per questo che ci hai fatte venire qui in quella strana navicella.

Esatto, siamo entrati nella cellula attraverso la fusione delle membrane. Guardate: nella cellula sono presenti sacche di membrana che vengono usate per effettuare diverse funzioni. In un organello cellulare chiamato lisosoma, le molecole grandi vengono degradate in pezzi più piccoli: è come se fosse il sistema digerente della cellula, che degrada le molecole.

32

capitolo 1 che cos'è una celLula?

Altre vescicole della cellula sono i perossisomi che servono a ossidare sostanze pericolose per neutralizzarle.

Creste Matrice

Un mitocondrio ha più o meno la dimensione di un batterio.

Sezione trasversale di un mitocondrio

Mitocondrio

I mitocondri sono un altro tipo di organello cellulare molto importante. Sono come delle “centrali elettriche” della cellula perché producono l’energia che le serve per vivere. Le cellule hanno bisogno dei mitocondri per sopravvivere!

ATP

Ossigeno

ATP

ATP Glucosio

Acido piruvico

Produce energia

Degradazione Mitocondrio Centrale elettrica Un mitocondrio produce l’energia che serve alla cellula attraverso una molecola chiamata ATP. La produzione di ATP avviene usando l’ossigeno, preso dal nostro corpo attraverso l’inspirazione (nella respirazione), e l’acido piruvico, un prodotto della degradazione del glucosio (uno zucchero).

OrganelLi celLulari 33

Allora, penso di potermi ricordare sia l’apparato di Golgi che i mitocondri, ma i ribosomi, lisosomi e perissosomi hanno dei nomi molto simili, e quindi sono difficili da tenere a mente. Sì, succede spesso di confondere i loro nomi. Ma se conoscete un po’ di greco antico, magari riuscirete a ricordarveli meglio. Soma vuol dire corpo, come una sacca. Lyso significa spezzare. Quindi si capisce che un lisosoma è un organello che sembra una sacca e serve a spezzare le molecole. Alla stessa maniera peroxi significa ossigeno. E se ci pensi, si usa l’acqua ossigenata per lavare una ferita, così ti puoi ricordare che un perissosoma è un organello che usa l’ossigeno per uccidere i batteri ed altre sostanze pericolose.

34 capitolo 1 che cos'è una celLula?

iL NUCLEO: UN PicCOLO CERVElLO

Questo ogGetTo a forma di palLa è chiamato nucleo ed è, per così dire, il cervelLo delLa celLula. è davVero gigantesco!

cavolo se è grosSo!

cervelLo? ma se sembra una palLa da calcio!

dopotutTo, il nucleo contiene una molecola molto importante, il DNA.

sì, è un organelLo molto capace. potremMo dire che il nucleo è persino troppo potente per esSere chiamato organelLo.

il nucleo: un picColo cervelLo 35

ho sentito la parola DNA tipo un milione di volte.

il DNA è un tipo di acido nucleico: una molecola molto grosSa.

Ho sentito parlare dei geni!

È lui che compone i nostri geni.

Okay, andiamo più vicini al nucleo.

Pori nella membrana nucleare

La superficie del nucleo è fatTa da una membrana chiamata membrana nucleare. Principalmente è composta da lipidi, come la membrana celLulare, ed è in continuità con il reticolo endoplasmatico

Membrana nucleare

Reticolo endoplasmatico Membrana nucleare

Pori nella membrana nucleare

ci sono un sacCo di buchi, sembra un nido di api!

tutTe queste rientranze che sembrano dei buchi nelLa membrana nucleare sono chiamati pori. i pori non sono realmente dei buchi: sono parzialmente riempiti da proteine che formano il complesso del poro nucleare, che controlLa cosa entra e cosa esce dal nucleo.

36

capitolo 1 che cos'è una celLula?

Cosa c’è dentro al nucleo? sfortunatamente no.

il nucleo contiene molte altre molecole oltre al DNA

Ehi Marcus, dentro al nucleo c’è solo il DNA?

lo sospettavo...

e contiene anche molto RNA, una sostanza simile al DNA.

il nucleo contiene DNA e alcuni tipi di proteine che sono necesSarie per garantire la corRetTa strutTura e funzione del DNA.

...

resisti ami! Ci prendiamo una pausa fra poco.

DNA, RNA, AhHhH! oh cavolo! il cervelLo di Ami è andato in crisi!

cosa?!

oh mamMa... ora svengo

Cosa c’è dentro al nucleo? 37

ma come ci arRiviamo?

abBiamo bisogno di un “biglietTo per il nucleo” per poter pasSare atTraverso i pori.

andiamo dentro al nucleo per vedere come funziona.

il biglietTo è fatTo da vari amMinoacidi legati fra di loro ed è chiamato segnale di localizzazione nucleare.

ma voi ricordatelo semplicemente come “biglietTo per il nucleo”, che è più facile.

e questo biglietTo porta dentro anche noi?

sì, tranquilLe.

i ribosomi, che creano le proteine, stanNo nel citoplasma. fra le proteine create dai ribosomi, quelLe che devono andare nel nucleo devono avere il segnale di localizzazione nucleare per poter entrare

38

capitolo 1 che cos'è una celLula?

la sequenza segnale è banalmente una sequenza di amMinoacidi che fa parte delLa proteina, ma si comporta come un biglietTo.

iiiz

wi

che cosa è quelLo?

è una proteina diretTa verso il nucleo! agGrapPatevi al biglietTo, voi due.

uAAaaah!

aAah! fai atTenzione!

Cosa c’è dentro al nucleo? 39

che sta succedendo? che dobbiamo fare?

state lì, e verRemo portati alL’interno del nucleo.

!!!

ora prendiamoci una pausa. Ah, ve la state già prendendo, vedo.

finalmente!!!

40

capitolo 1 che cos'è una celLula?

Ami, Rin! Svegliatevi! Siamo dentro al nucleo.

yawn...

wow!

che cosa è tutTa questa roba?

Cosa c’è dentro al nucleo? 41

riuscite a vedere queste cose lunghe, sotTili e di consistenza fibrosa che si intrecCiano tutTe?

AvViciniamoci un po’.

sì, ne vedo un mucChio.

Z oo

m

Fibra di DNA, lunga e sottile Struttura a perle formata da DNA arrotolato intorno alle proteine istoniche (1,7 avvolgimenti, per essere precisi)

molti di questi fili di perle sono legati fra di loro

le perle sono proteine.

42 capitolo 1 che cos'è una celLula?

riuscite a vedere il filo più sotTile che si arRotola due volte intorno ad ogni perla?

oh, sì!

questo filo sotTile è DNA, acido desossiribonucleico. ogni perla è formata da due giri di DNA avVolti intorno a un grupPo di molecole proteiche.

come potete vedere, conNetTe un gran numero di perle.

le proteine che formano le perle insieme al DNA sono chiamate istoni, e la perla è chiamata nucleosoma, ma questo ve lo spiegherò tra un po’ (a pagina 144).

andiamo ancora più vicino. vedete che quelLa perla si sta alLentando? guardate quante proteine gironzolano atTorno alLa parte srotolata di DNA.

L’RNA stabilizzato viene trasportato fuori dal nucleo RNA

Struttura a perla srotolata

sì, le vedo!

L’RNA stabilizzato viene trasportato fuori dal nucleo

Complesso proteico

Cosa c’è dentro al nucleo? 43

stiamo guardando il procesSo di copia del DNA in RNA, che si chiama trascrizione. vedete quelLe cose fibrose più corte del DNA che escono fuori dalLa proteina che si sta muovendo?

sì, stanNo uscendo adesSo!

anche lì!

Membrana nucleare

sono RNA! Si direbBe che questo fenomeno stia acCadendo ovunque.

mRNA

Nucleo

e a quel punto va nel citoplasma.

sembra quasi una fabBrica: i prodotTi sono fatTi e poi spediti via dalLo stabilimento.

44 capitolo 1 che cos'è una celLula?

Complesso del poro nucleare

ApPena sono uscite fuori, ognuna di queste cose fibrose si atTacCa a delLe altre proteine e si avVia verso il poro nucleare.

sì, è una buona analogia.

vi ricordate quando vi ho detTo che i geni sono delLe “istruzioni” per le proteine? sì, vagamente.

più tardi vi spiegherò meglio come vengono “scritTe” queste istruzioni. Per adesSo, ricordatevi semplicemente che queste lineE guida vengono scritTe sotTo forma di geni.

hai anche detTo che i geni sono contenuti nel DNA.

e in più che sono le istruzioni per creare le proteine.

puoi considerare il DNA come un racCoglitore di istruzioni e l’RNA come un foglio su cui sono state copiate dal DNA le istruzioni necesSarie per produrRe una determinata proteina.

in che senso istruzioni?

certo.

hai presente che non puoi fare una torta senza avere la ricetTa?

il nostro DNA è come un libro di cucina pieno di ricetTe (i geni). Una celLula copia i geni scritTi nel DNA sotTo forma di RNA...

L’ RNA è la guida per creare le proteine

Le proteine vengono assemblate seguendo la guida. Il ribosoma è il posto dove avviene la sintesi delle proteine

DNA DNA Il DNA è un raccoglitore di istruzioni (cioè i geni)

Trascrizione

L’ RNA è la guida per creare le proteine realizzata facendo una copia di una parte di DNA chiamata gene

...e li porta nel citoplasma, dove i ribosomi posSono asSemblare le proteine seguendo la guida.

Cosa c’è dentro al nucleo? 45

questo procesSo, che va dal dna alLe proteine, è chiamato espressione genica.

capite adesSo perché possiamo chiamare il nucleo “il cervelLo delLa celLula”?

be', capisco che ha un ruolo cruciale.

bene! ok, per ogGi basta.

dotTore!

aspetTa, marcus!!

no, hai fatTo un buon lavoro.

ino

ris

r so

46

capitolo 1 che cos'è una celLula?

oh, mi scusi! ho detTo qualcos’altro di sbagliato?

lasciami semplicemente riempire qualche buco.

nel nucleo, l’espresSione genica si ocCupa di gestire la sintesi proteica, la più importante delLe operazioni celLulari. il nucleo decide quali proteine devono esSere prodotTe e quali invece no.

sono io che decido!

nucleo

sisSignore!

proteina

AgGiungo solo: questo è il motivo per cui chiamo il nucleo “il cervelLo delLa celLula”.

e...

?

capisco

ami si è adDormentata. marcus, per favore ripetile quest’ultima parte

ArgGgh! Quando ti sei adDormentata?

Cosa c’è dentro al nucleo? 47

Organismi unicelLulari e pluricelLulari. Ho usato l’espressione cellula unica all’inizio di questo capitolo. Questo termine si può riferire a un solo organismo o a una “società” di organismi viventi. Gli organismi unicellulari sono delle creature viventi composte solo da una cellula e molti di loro sono invisibili all’occhio umano. Potreste pensare che sono da qualche parte lontano da noi, e invece ne siamo perennemente circondati. Anzi, abbiamo trilioni di organismi unicellulari che vivono nei nostri corpi. Un esempio sono i batteri intestinali, che vivono nel nostro intestino crasso. I batteri intestinali sopravvivono prendendo i nutrienti dagli scarti del nostro cibo digerito, e allo stesso tempo prevengono la diffusione di batteri tossici che causano malattie. Il nostro corpo e i batteri intestinali beneficiano entrambi in una relazione in cui ognuno prende qualcosa e dà qualcosa. Una relazione come questa, tra due organismi che traggono beneficio entrambi, si chiama relazione simbiotica.

Stomaco Intestino crasso

Intestino tenue

Esistono circa 500 specie di batteri intestinali. In un grammo di feci, possono esserci fino a un milione di esemplari!

I batteri sono solo un tipo di organismi unicellulari. Esistono anche i protozoi - ad esempio i parameci e le amebe.

48 capitolo 1 che cos'è una celLula?

Varie tipologie di cellule Gli organismi con più di una cellula sono chiamati... be' lo avrete capito, pluricellulari. Quasi tutti gli organismi viventi visibili a noi (e molti che non lo sono) sono pluricellulari: gli esseri umani, gli alberi di ciliegie, i muschi, i cani, le pulci e gli elefanti, sono tutti pluricellulari. Le cellule che creano diverse strutture – nervi, stomaco e pelle, per esempio – hanno diverse forme e diverse funzioni. Le cellule con la stessa forma e la stessa funzione e che sono raggruppate insieme si chiamano tessuto. Il corpo degli animali, compreso quello umano, è composto principalmente di quattro tipi di tessuti: il tessuto epiteliale, il tessuto connettivo, il tessuto muscolare e il tessuto nervoso.

Le cellule si raggruppano a formare un tessuto

Il tessuto epiteliale (o epitelio). Questo tessuto forma la pelle degli organismi e la superficie degli organi interni, come il canale digerente. Ne esistono di diverse tipologie, come l’epitelio pavimentoso, l’epitelio cilindrico e l’epitelio sensoriale. Il tessuto connettivo. Questo tessuto svolge diversi ruoli nel corpo. Serve a connettere fra di loro diversi tessuti, cellule ed organi. Il tessuto connettivo fibroso, come i legamenti e i tendini, aiuta a connettere i muscoli alle ossa. Il tessuto connettivo contiene molto collagene, che è una proteina. Il sangue, le ossa e il tessuto adiposo (che conoscete sotto nome di grasso!) sono altri tipi di tessuto connettivo.

Organismi unicelLulari e pluricelLulari 49

Il tessuto muscolare. Come dice il nome stesso questo tessuto forma i muscoli. In questa categoria sono inclusi i muscoli scheletrici, i muscoli cardiaci e i muscoli viscerali. Il tessuto nervoso. Questo tessuto forma i nervi che compongono il sistema nervoso. Le cellule nervose usano i segnali elettrici per trasmettere i messaggi da e per il cervello al resto del corpo.

Il tessuto nervoso avverte il cervello quando lo stomaco è pieno

Il tessuto epiteliale protegge lo stomaco dagli acidi e dagli enzimi

Il tessuto muscolare si contrae per aiutare la digestione

I tessuti presenti nel vostro stomaco: il tessuto connettivo è uno strato fra il tessuto muscolare e quello epiteliale, che tiene insieme l’intero stomaco.

Un insieme di tessuti uniti per uno stesso scopo si chiama organo. Ogni tessuto è collegato ad un altro in una maniera specifica per formare l’organo in questione. Come avete visto lo stomaco è fatto di un insieme di quattro diversi tipi di tessuto. Altri organi sono formati in un modo simile, e svolgono compiti specifici. A loro volta, questi organi si combinano per formare i sistemi del nostro corpo. Negli organismi pluricellulari, le cellule si raggruppano per formare gli organi e gli organi lavorano insieme per formare i sistemi. In questo modo, una piccola cellula può svolgere dei compiti davvero molto difficili!

50 capitolo 1 che cos'è una celLula?

Vaso sanguigno

Trachea

Cuore Polmone Stomaco

Fegato

Intestino crasso Intestino tenue

Organi del sistema digerente: bocca, faringe, esofago, stomaco, intestino tenue, intestino crasso, ano, retto, fegato, cistifellea, pancreas. Organi del sistema circolatorio: cuore, aorta, arterie, vene, vasi linfatici. Organi del sistema respiratorio: narici, faringe, laringe, trachea, bronchi, polmoni.

Organismi procarioti e organismi eucarioti

Come avete imparato poco fa, il concetto di organismo unicellulare e pluricellulare è usato per classificare sommariamente il mondo degli organismi viventi in due gruppi. Esiste anche un altro modo per dividerli in altri due gruppi. Questo secondo approccio si basa sulla presenza o sull’assenza del nucleo nella cellula. Se si usa questo parametro, gli organismi viventi vengono suddivisi in organismi procarioti (quelli senza nucleo) e organismi eucarioti (quelli con il nucleo).

Come presenza o assenza di nucleo? Ma il nucleo non era il “cervello della cellula”? Pensavo fosse indispensabile!

Organismi procarioti e organismi eucarioti 51

Potresti pensarlo, ma fermati a riflettere: se ricordi, il nucleo viene chiamato “il cervello della cellula” perché contiene il DNA e controlla l’espressione dei geni scritti nel DNA, giusto? Ma fintantoché il DNA è presente nella cellula e i geni vengono appropriatamente espressi, è importante che esista una struttura chiamata nucleo? Quando il materiale genetico di un organismo non è contenuto in un nucleo, allora l’organismo si chiama procariota. I batteri sono i più abbondanti organismi procarioti sulla terra: dentro questi organismi tutte le funzioni della cellula sono svolte nel citoplasma e non negli organelli circondati da membrana.

Il DNA è libero nella cellula (corpo nucleoide)

La membrana nucleare non è presente

Organismo procariota

Il DNA è nel nucleo

È presente la membrana nucleare Organismo eucariota

Quando il nucleo di un organismo ha una membrana e una forma distinta, allora si dice eucariota. Tutti gli organismi unicellulari (a eccezione delle alghe unicellulari e dei batteri) sono inclusi nella categoria degli eucarioti. I protozoi come i parameci sono organismi eucarioti. Potreste pensare che i termini anucleato e nucleato possano essere sufficienti a classificare gli organismi, a seconda della presenza o dell’assenza del nucleo nelle cellule che lo compongono, ma non è vero. Anche se diciamo che i procarioti non hanno il nucleo, in realtà hanno una struttura che funziona alla stessa maniera. L’area dove è raccolto il DNA è separata dal resto del citosol. Per questo, il termine nucleoide è usato per indicare la presenza di una struttura simile al nucleo ma più primitiva, infatti non è circondato da una membrana nucleare. Il termine vero nucleo è usato per gli organismi che hanno una membrana attorno al materiale genetico per proteggerlo. La membrana nucleare è semplicemente una membrana, ma è molto importante!

52

capitolo 1 che cos'è una celLula?

2

Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

drii n drii n

mMh

pronto? frus

h

frush

frush

oh, marcus. buongiorno.

54

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

la vostra colazione è pronta!

per favore sveglia ami...

COLAZiONE! COLAZiONE!

am

wh

wow, ti sei alzata bene, eh?

ami, rin, buongiorno.

sembra che ti sia ripresa dal nostro viagGio, mi fa piacere.

buongiorno.

yahwn

sì...

Un quiz per colazione? 55

prima ripasSiamo le cinque parole chiave che avete imparato ieri, ve le ricordate?

oh sì, che fame!

umpf uhmM

un momento!

celLula, proteina, DNA, RNA e gene!

fantastico rin.

...

bravissima.

Brava! Te le ricordi tutTe.

eheh

celLula proteina DNA RNA gene

ieri avete studiato le celLule. l’argomento di ogGi sono le proteine e il DNA, e in particolare, come esSo viene usato per creare le proteine.

56 capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

vi ricordate cosa è una proteina? ve l’ho acCenNato ieri.

uhm, è un nutriente che si trova nelLa carne e nel pesce, no?

vero, ma non stavamo parlando di nutrizione.

???

le proteine, che sono fatTe di molti amMinoacidi legati insieme, sono molecole importantisSime per il funzionamento delLa celLula.

l’RNA di trasferimento dispone gli amMinoacidi nelL’ordine deciso dal gene.

proteina

contrazione muscolare (miosina) enzima difesa biologica (sistema imMunitario)

amMinoacidi (20 tipi)

i geni danNo le istruzioni su come gli amMinoacidi devono esSere disposti

capelLi (cheratina) pelLe (colLagene)

e una proteina è quelLo che viene fuori quando gli amMinoacidi sono sistemati seguendo queste istruzioni.

Un quiz per colazione? 57

uhmM

cosa?

vi aiuto a vedere il quadro complesSivo.

crr crr

se non lo capite così, proviamo in un’altra maniera. l’informazione che serve a creare la proteina è conservata nel nostro DNA in una sequenza di istruzioni che chiamiamo “gene”. Per fare una proteina, la celLula trascrive il DNA in RNA.

i ad

usS

fl

o

r

A DN

a

A

toast lLiti a r mMo

58

a

ein

ot

e

ion

uz

ad

tr

pr

oh, non sembra così difFicile. ci sei ami?

ne

izio

r sc

tr RN

ne

zio

ica

l ep

amM

gr

dia

o

inf

lL’

de

ne

zio

a rm

.

ica

et

n ge

gli amMinoacidi sono uniti seguendo le istruzioni, date dal gene che è nel DNA. L’ordine delLe sequenze nelL’RNA (che è un polimero) determina le sequenza degli amMinoacidi nelLa proteina.

oh sì scusa! puoi mangiare adesSo!

gnam gnam

ma la colazione?

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

aAah! finalmente!

le proteine guidano l’atTività celLulare

che cos'è l’atTività celLulare?

iniziamo la lezione di ogGi.

ieri abBiamo imparato un sacCo di cose sulLe celLule, ma le celLule sono tutTe uguali?

scusa, ma...

no, ogni celLula ha una funzione difFerente. sì, rin?

per esempio, le celLule del fegato svolgono varie funzioni, come l’immagazZinamento dei nutrienti, la loro distribuzione nel corpo e la neutralizZazione delL’alcol.

Viene bevuta una bevanda alcolica

Nutrienti Alcol

Grasso Metabolismo

Cervello

I nutrienti vengono assorbiti dallo stomaco

I nutrienti vengono mandati a tutto il corpo Muscoli

Metabolismo L’alcol viene mandato al fegato L’alcol e i Fegato attraverso i vasi nutrienti Trasforma l'alcol in sanguigni sono assorbiti sostanze più tollerabili dall’intestino tenue e meno dannose

Che cos’è l’atTività celLulare? 59

le celLule dei muscoli, come quelLe nei vostri bicipiti, controlLano il movimento del corpo contraendosi e rilasSandosi.

quindi il ruolo delLe celLule è estremamente diverso fra una celLula e un’altra!

esatTo. e queste funzioni difFerenti sono eseguite dalLe proteine, che studieremo ogGi.

le proteine sono molecole che svolgono compiti molto importanti nel corpo degli organismi viventi.

le celLule sembrano meravigliose, riescono a svolgere così tante funzioni...

se le proteine non funzionano, le cellule non posSono sopravVivere.

ma cos'è una proteina, e come fa a svolgere queste funzioni?

bene, sembrate interesSate. vi farò qualche buon esempio.

60

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

i superpoteri degli enzimi!

Riso Glucosio

la digestione delL’amido che si trova nel cibo preferito di ami (il riso!) è svolto da molte proteine di una tipologia particolare: gli enzimi.

gli organismi viventi producono l’energia necesSaria per pensare e per muoversi framMentando l’amido e ricavando così il glucosio.

L’amido viene spezzettato in maltosio

Il maltosio viene poi frammentato nell’intestino tenue e assorbito come glucosio

Intestino tenue Parte del glucosio viene immagazzinato sotto forma di glicogeno

Glicogeno

Se il livello dello zucchero nel sangue diminuisce, il fegato converte il glicogeno immagazzinato in glucosio e lo manda al resto del corpo.

Il glucosio che non viene immagazzinato è mandato alle cellule del corpo.

Cellule del cervello

Cellule muscolari

Il glucosio viene consumato

Grasso L’eccesso viene conservato sotto forma di grasso.

Energia consumata

L'amido, che si trova in cibi quali riso, pane e pasta, viene digerito e trasformato in glucosio, che viene mandato alle cellule del corpo.

parte del fegato serve come magazZino per il glucosio (sotTo forma di glicogeno) da tenere per emergenze future.

questo materiale di riserva, il glicogeno, viene prodotTo da una proteina che si chiama glicogeno sintasi.

i superpoteri degli enzimi! 61

A titolo informativo, il glicogeno viene formato dalLa decomposizione del glucosio in ecCesSo. Le celLule del fegato e le celLule muscolari posSono imMagazZinare glucosio sotTo forma di glicogeno.*

glucosio

riso

glicogeno

se sei afFamato e diminuisce la concentrazione di glucosio nel sangue (chiamato il livelLo di glicemia nel sangue), le proteine convertono il glicogeno in glucosio e lo mandano al resto del corpo.

Aha

ok, finiamola qui con la lezione e torniamo nelLa macChina dei sogni per vedere meglio come funzionano le proteine.

5 kg di riso

il glucosio è come del riso cotto, pronto per esSere mangiato. il glicogeno è come un sacCo di riso, pronto per esSere imMagazzinato e mangiato più tardi.

glu... glicogeno gli... glucosio

oh no! marcus! il cervelLo di ami è tropPo pieno!

oh, cavolo!

presSsto, mandiamo glucosio al suo cervelLo!

BA

NG

!

whaAa!

62

capitolo 2 Proteine e DNA

*anche se tutTe le celLule delL’organismo posSono imMagazZinare glicogeno, la magGior parte viene conservata nel fegato e nei muscoli.

wow! dove siamo?

ehi, guardate! c’è anche qualcun altro.

siamo nel fegato.

lasciate che mi presenti. ecCo il mio biglietto da visita.

el ore d DiretT . Aldo o fegat asi ogen r id De

Uhm, grazie... Aldo.

mi avevano detTo che le proteine erano incredibili, e invece questo qui è così banale.

dai, credo tu posSa farcela se ti impegni!

sì...

!

BANG

oh... mi spiace di avervi deluso. Le proteine sono davVero molto comuni in realtà.

i superpoteri degli enzimi! 63

WAHAHAHAHAH! [BUUUUuuuRP]

!

OHMAMMMA!

NG

BA

MA COSA È??

 Sake io sono alcodzilLa!* e adesSo ridurRò in briciole il fegato di questo tizio! hic!

nesSuno mi può fermare!

g

an

b dan

gli artigli di alcodzilla sono estremamente tosSici. il fegato è nei guai se non interviene qualcuno!

g

sono invincibile! oh, imMagino che potrei ocCuparmene io...

ma non è giusto! dovresti fare qualcosa invece di stare a guardare!

sì. ci penso io!

via gli occhiali

sì, e cosa pensi di poter fare tu?

la mia identità segreta è...

*alcodzilLa rapPresenta ovViamente l’alcol 64

capitolo 2 Proteine e DNA

un substrato (in questo esempio l’alcol) legato a un enzima porta a un cambio di conformazione: un cambiamento delLa forma delL’enzima che atTiva i suoi super poteri!

ENZiMAn!

non avrei mai imMaginato la sua vera identità.

G!

N BA

non è una proteina ordinaria! Uomo Enzima?

ma chi, quelLo lì?

cosa? è un enzima! una sostanza che riesce a velocizZare le reazioni chimiche.

gli enzimi non si trovano nei detersivi e nei prodotTi per le pulizie?

guarda!

enzimi super potenti e super efficaci

sì, ma gli enzimi fanNo molto di più che rimuovere qualche macChia.

poc

calcio catalitico! ah ah ah! ma che razZa di calcio è quelLo?! il tuo atTacCo fa pena!

niente paura!

i superpoteri degli enzimi! 65

le mie bracCia! le mie bracCia!

sta' a vedere.

ehe

ack

cr

il fegato è pieno di enzimi protetTivi. quando viene atTacCato da una tosSina, questi enzimi riportano il fegato in salute.

aAaAh!

il mio corpo.. sto diventando un’acetaldeide!

WoOoOF!

k

ac

cr

ma che sucCede?

e adesSo il tocCo finale. aiutante!

vai! atTacCa, enzima deidrogenasi!

arrrrrrrr

booom! 66

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

!

ng

ba

ecCo cosa è apPena sucCesso: l’alcol è stato convertito in acetaldeide dal primo enzima e sucCesSivamente in inNocuo acido acetico dal secondo enzima.

detosSificazione delL’alcol alcol un po’ di alcol viene mandato fuori atTraverso la respirazione

verso le celLule del fegato

l’alcol deidrogenasi riduce l’alcol in... acetaldeide l’acetaldeide deidrogenasi rompe l’acetaldeide in... acido acetico

queste reazioni chimiche sono catalizZate da proteine chiamate enzimi.

guardate: alcodzilLa è stato trasformato in un tenero animaletTo!

l’acido acetico è spezzetTato atTraverso il metabolismo in...

diosSido di carbonio e acqua

grazie enziman!

non c’è di che. ho semplicemente riportato il fegato in salute. adDio!

wiwi

la salute del fegato e del suo proprietario è salva... per il momento.

e tutTo questo, grazie a enziman!

e basta! chi è che sta facendo la voce narRante?

i superpoteri degli enzimi! 67

sh

o oo

w

mi hai o? chiamat

dotTor moro!

aAaAh

dotTor moro, ha organizZato lei tutTa questa storia con l’uomo enzima. non è un po’ tropPo rafFazZonata?

ok ok, mi sono preso qualche libertà, ma adesSo avete capito che una proteina può esSere molto potente quando è un enzima.

imMagino di sì...

ok alLora. continua la lezione, marcus.

68

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

che tipo strano.

puoi dirlo forte.

Le proteine con funzione enzimatica Gli enzimi sono tipi speciali di proteine che hanno il potere di accelerare le reazioni chimiche. Ci sono decine di migliaia di tipi di proteine nel nostro corpo, ma non tutte sono enzimi. Vedrete tra poco che alcune proteine, tipo quelle del sistema immunitario che combattono i batteri, non sono enzimi. Molti processi che avvengono nel nostro corpo, tipo la digestione, l’assorbimento dei nutrienti e la replicazione del DNA, sono dovuti a reazioni chimiche e ognuna di queste ha un suo enzima specifico. Ogni reazione del nostro corpo è avviata da un enzima specifico. Tutti gli enzimi svolgono la funzione di catalizzatori (o biocatalizzatori), cioè aiutano ad avviare la reazione chimica e la rendono più veloce, ma non reagiscono direttamente con nessuna molecola della reazione. Ecco perché Enziman ha chiamato il suo attacco “calcio catalitico”!

A proposito, sono enzimi sia le proteine viste prima che immagazzinavano il glucosio sia quelle che degradavano l’alcol. La proteina che immagazzina il glucosio si chiama glicogeno sintasi e la proteina che converte l’alcol in innocuo acetaldeide è l’alcol deidrogenasi.

Alcol deidrogenasi (ADH) etc.

Alcol

Acetaldeide deidrogenasi (ALDH1, ALDH2) etc

Acetaldeide

Acido acetico Diossido di carbonio e acqua.

Come abbiamo appena visto, l’alcol viene degradato nel fegato. Un enzima converte l’alcol in acetaldeide e poi un secondo enzima converte l’acetaldeide in acido acetico.

Le proteine con funzione enzimatica

69

Vi ricordate? È stato Enziman, o alcol deidrogenasi, a degradare l’alcol, e il suo cane, acetaldeide deidrogenasi, ha convertito l’acetaldeide in acido acetico. Ogni enzima è responsabile di una determinata reazione chimica.

Alcol deidrogenasi (ADH) etc.

Alcol

Acetaldeide deidrogenasi (ALDH1, ALDH2) etc

Acetaldeide Acido acetico

Diossido di carbonio e acqua.

il ruolo delLe proteine nelLa divisione celLulare Le proteine guidano anche il processo di divisione cellulare, cioè il modo in cui si riproducono le cellule, dividendosi in due. Prima di iniziare la divisione, il DNA nel nucleo viene copiato in modo che una copia può essere data alla nuova cellula che si forma dalla divisione. Un enzima è incaricato di iniziare il processo di copia del DNA (detto replicazione del DNA).

Topoisomerasi: un enzima che aiuta il DNA ad aprirsi DNA replicato

DNA polimerasi: un enzima che aggiunge nuovi nucleotidi al filamento di DNA Quando una cellula va incontro a divisione, non ci sono solo gli enzimi a partecipare al processo. Le proteine strutturali che danno forma alla cellula aiutano anche a spostare il contenuto della cellula e la membrana cellulare, predisponendola così alla divisione cellulare.

70

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

Proteine e Contrazione muscolare Marcus, ci sono proteine anche nelle cellule dei muscoli, tipo i bicipiti di cui ci hai parlato a colazione? Bella domanda. I muscoli (come i bicipiti) sono formati da un gruppo di cellule muscolari collegate. Ogni cellula si chiama fibra muscolare.

Fibra muscolare

Le cellule muscolari contengono due tipi di fibre lunghe e fini, chiamati filamento di actina e filamento di miosina. Actina e miosina sono due proteine. Il muscolo si contrae quando queste fibre scivolano le une sulle altre.

Filamento di miosina

Rilascio

Filamento di actina

Contrazione

Proteine e contrazione muscolare 71

Le proteine aiutano i muscoli a mantenere la loro forma e a muoversi. Non sono semplicemente catalizzatori di una reazione chimica.

Inizio a sospettare che Enziman non sia poi tutto ‘sto granché.

Rin! Sei molto antipatica. Povero Enziman!

Su, dai! Mica fa tutto quello che fanno le proteine nel muscolo.

Riassunto Le proteine aiutano le cellule a eseguire diverse funzioni. Nel corpo umano esistono più di 100.000 tipologie di proteine. Ogni proteina è responsabile di un lavoro specifico. Qui elenchiamo alcune delle funzioni principali delle proteine: _p _p _p _p _p _p

Controllare le reazioni chimiche (enzimi) Attuare le contrazioni muscolari (actina e miosina) Trasportare l’ossigeno e i nutrienti (emoglobina) Mantenere l’omeostasi, cioè l'equilibrio dell'organismo (ormoni come l’insulina) Difendere il corpo dai virus e dai batteri nocivi (immunoglobuline) Mantenere la struttura della cellula (collagene e cheratina)

Le proteine svolgono funzioni vitali nel corpo.

Sì l’ho capito, sono utilissime.

Proprio così, riusciamo a vivere grazie al continuo lavoro delle proteine.

Oooooh! proteine come Enziman! Che uomo favoloso.

Ma come mai sei così fissata con Enziman?!

72

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

Le proteine sono formate da amminoacidi Abbiamo imparato ieri che gli organismi viventi sono fatti di cellule. Gruppi di cellule formano i tessuti, e gruppi di tessuti formano gli organi, che infine formano il corpo dell’organismo. È un po’ come impilare mattoni per costruire una casa.

Mattoni impilati fanno un muro

Le cellule si uniscono per fare un tessuto

Anche le proteine sono fatte di componenti più piccoli: in particolare, sono catene di molecole chiamate amminoacidi.

Le proteine sono catene di amminoacidi. Anche il DNA è una catena: le sostanze che si uniscono per formarlo si chiamano nucleotidi.

Il DNA è una catena di nucleotidi. Quindi gli amminoacidi formano le proteine nella stessa maniera in cui le cellule formano i tessuti? No! C’è una grossa differenza fra le cellule e le proteine. Le cellule si impilano nelle tre dimensioni per formare i tessuti del corpo, mentre gli amminoacidi si uniscono in linea per formare le proteine. Quindi, se le cellule sono come mattoni, gli amminoacidi sono come perle di una collana, giusto?

Le proteine sono formate da amMinoacidi

73

Esattamente! Naturalmente anche queste catene poi prendono una forma aggrovigliata, non sono certo tutte dritte. Questi amminoacidi si legano insieme per formare le proteine e la loro sequenza determina la loro funzione.

Alanina

Arginina

Glutammina Glutammato

Asparagina

Aspartato

Cisteina

Glicina

Istidina

Isoleucina

Leucina

Lisina

Metionina

Fenilalanina

Prolina

Serina

Treonina

Triptofano

Tirosina

Valina

i 20 tipi di amMinoacidi che sono usati per costruire le proteine.

Il glutammato monosodico è fatto di amminoacidi vero? Rende il cibo buonissimo!

Sì è vero. Il glutammato monosodico è fatto da acido glutammico, un tipo di amminoacido. Ci sono 20 tipi di amminoacidi, e organizzandoli in un ordine predeterminato creano proteine specifiche (in realtà esistono più di 20 amminoacidi ma solo questi sono usati per creare le proteine). Adesso diamo uno sguardo alla struttura degli amminoacidi: ognuno dei 20 amminoacidi usati per creare le proteine ha una porzione uguale agli altri 19 e una porzione diversa da tutti gli altri. Due gruppi comuni

COO− H3N+

C R

74

H

Struttura comune a tutti e 20 gli amminoacidi La catena laterale è diversa in ogni amminoacido

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

In questa figura, R rappresenta la catena laterale: questa porzione varia in ogni amminoacido. Quindi ci sono 20 tipi di catene laterali, che variano da alcune molto semplici, che consistono di un solo atomo di idrogeno, ad alcune molto complesse, composte da molti anelli aromatici legati tra di loro. COO− H3N+

C

COO − H

H3N+

C

COO− H

CH3

CH2OH

Alanina

Serina

H3N+

C

H

CH2 Anello benzenico

OH Tirosina

Ognuno di questi 20 amminoacidi ha una struttura comune a tutti, formata da + un H3N e un COO .

Scambiare un amminoacido con un altro è un ottimo affare! Vi sembrerà che questo non c’entri nulla, ma sapete perché il sangue è rosso?

Perché il sangue umano è rosso come le fiamme della giustizia, esattamente come Enziman arde della passione di fare del bene! Non può essere questo il motivo.

E infatti non lo è. La risposta giusta è che nel sangue c’è un pigmento rosso chiamato emoglobina. Le cellule del sangue svolgono l’importante funzione di portare ossigeno alle cellule del corpo e lo fanno attaccando l’ossigeno alle emoglobine. Una volta che le cellule ricevono l’ossigeno possono produrre energia. L’emoglobina trasporta anche la CO2 e il suo colore è rosso vivo a causa dell’elevata quantità di ferro che contiene. Marcus ma perché stiamo parlando del sangue ora? Non stavamo parlando di proteine?

Scambiare un amMinoacido con un altro è un otTimo afFare! 75

Be’, il componente principale dell’emoglobina è una proteina! L’emoglobina è fatta di due tipi di proteine chiamate globine: Į e ȕ: ognuna di queste proteine è detta subunità. L’emoglobina è composta da due subunità Į e due subunità ȕ. Visto che sono proteine, ognuna di queste due subunità è composta di una lunga sequenza di amminoacidi legati insieme in un ordine specifico. Į1

ȕ2

Į2

Emoglobina

ȕ1

È formata da due subunità Į e due subunità ȕ

Ogni subunità è composta di una lunga catena di amminoacidi legati insieme in un ordine specifico.

Cambiare anche solo un amminoacido nella catena può causare un bel problema. Per esempio, se il sesto amminoacido contenuto nella subunità ȕ, l’acido glutammico, è sostituito con una valina, si forma una deformazione nell’emoglobina. Questa deformazione impedisce all’emoglobina di trasportare l’ossigeno correttamente e causa anemia. Cambiare gli amminoacidi può inoltre causare una deformazione tale da far assumere ai globuli rossi una forma a falcetto, causando l’anemia falciforme. 123456

Acido glutammico Normali globuli rossi

Emoglobina normale

Globuli rossi a forma di falcetto

Emoglobina anormale Valina

Anche l'ordine degli amminoacidi nella catena è importante. Ogni porzione R di un amminoacido spinge le altre porzioni R grazie a delle forze particolari, come la forza elettrostatica, la forza dei legami a idrogeno e la forza delle interazioni idrofobiche. Le forze che si instaurano tra i gruppi R costringono la catena ad aggrovigliarsi in una forma tridimensionale. La struttura di una proteina (il suo ingombro sterico) è determinata da un bilanciamento di queste forze. Se si sostituisce un singolo amminoacido con un altro si cambia la forma della proteina. E per le proteine, forma e funzione sono strettissimamente connesse! La proteina è tenuta in questa forma dai legami a idrogeno Amminoacido

76

?

? ?

Cambio dell’ingombro sterico

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

Quando un amminoacido è sostituito con un altro, non ci sono più gli stessi legami a idrogeno, perciò cambia anche la forma della proteina.

i geni: le istruzioni per costruire le proteine

come fanNo le celLule a sapere quali proteine creare?

lo avete capito che cambiare anche solo un amMinoacido nelLa strutTura delLa proteina porta a cambiare le proprietà di quelLa proteina?

sì, l’ho capito, ma come fa il corpo di un esSere vivente ad azzecCare tutTe le volte il giusto ordine degli amMinoacidi?

belLa domanda!

ehe

mi scriverei le istruzioni e le appenderei al muro!

non fanNo mai degli erRori che portano a proteine diverse?

io incaricherei una persona di provVedere a un amMinoacido specifico e lascerei che quella persona creasSe lo stesSo amMinoacido ogni volta.

come fareste voi a evitare di fare erRori nelLa sequenza?

io mi prendo cura delL’amMinoacido A! AmMinoacido

AmMinoacido

io delL’amMinoacido B!

i geni: le istruzioni per costruire le proteine 77

be’, l’idea di ami è molto semplice, ma molto spesSo nel mondo naturale i procesSi avVengono in modo molto semplice.

tutTo somMato, avete ragione entrambe.

blaaaa ma come!

come può bastare che si apPendano delLe istruzioni?

Non ci posSo credere.

le istruzioni asSicurano che l’ordine degli amMinoacidi sia corRetTo esistono delLe “istruzioni” che riportano la sequenza degli amMinoacidi.

io e la natura siamo una cosa unica!

vi ricordate cosa vi ho detTo prima? che cosa sono queste istruzioni?

esatTo! e di cosa sono fatTi i geni?

i geni!

78

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

DNA?

dovresti dire “il nucleo”.

nelLa gigantesca palLa da golf!

brave!! e dove si trova il DNA?

be’, in ogni caso ve lo ricordate.

per esempio, la sequenza di amMinoacidi per la proteina A è contenuta nel gene A. Come ha detTo Ami, le istruzioni sono contenute nel nucleo.

ecCo, le istruzioni che contengono la giusta sequenza degli amMinoacidi sono i geni contenuti nel DNA* La sequenza degli amminoacidi per la proteina A è contenuta qui DNA Gene A *un filamento di DNA contiene molti geni

i nostri geni sono scritTi in un codice la sequenza degli amMinoacidi è contenuta nel DNA, ma ovViamente non è scritTa in italiano.

oh, è scritTa in giapPonese?

no, nemMeno in giapPonese.

i nostri geni sono scritTi in un codice 79

è scritTa nel codice genetico!

diversamente dalLe proteine, il DNA non è fatto di amMinoacidi

Proteine

DNA

Amminoacidi

Non ci sono amminoacidi qui!

il DNA usa caratTeri unici; la sequenza di amMinoacidi è descritTa in questi caratTeri, li chiamiamo nucleotidi.

un codice?

quindi è come se il DNA avesSe un codice tutTo suo. traduzione delL’mRNA caratTeri del DNA

sequenza di amMinoacidi

i ribosomi traducono questo codice per determinare l’esatTa sequenza degli amMinoacidi che serve a creare le proteine.

80

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

ne capiremo di più nel capitolo 4. adesSo andiamo avanti.

DNA e nucleotidi

il DNA ha una strutTura a dopPia elica

guardiamo la forma del DNA.

wiiiiii!

ma come? di nuovo?

siamo nel nucleo!

sì.

vi ricordate che il DNA era arRotolato intorno ad alcune molecole proteiche? adesSo ci andremo più vicino.

visto da qui, il DNA sembra una molLa.

sì, ma sembra fatTo di due filamenti...

il DNA ha una strutTura a dopPia elica 81

ma non è arRotolato a caso. vedete che forma esatTamente una spirale?

sì, è una strutTura molto ordinata.

guardando atTentamente, i filamenti di DNA sembrano formati da una lunga catena di diverse molecole di forma difFerente.

il DNA ha una forma a doppia elica.

un po’ come sono fatTe le proteine, no?

venite più vicino per vedere come è dentro.

il DNA è fatTo di nucleotidi tu quoque, DNA?

esatTamente come le proteine sono composte di amMinoacidi legati tra di loro, il DNA è formato da molti ogGetTi uniti insieme.

82

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

questi ogGetTi che compongono il DNA si chiamano nucleotidi. DNA

Nucleotidi

nuc... nucle....

il nome ufFiciale è deossiribonucleotide, ma è ancora più difFicile da ricordare. chiamiamolo semplicemente nucleotide.

anche nucleotide è difFicile da ricordare.

se lo pronunciate un po’ di volte lo ricorderete.

nucleotide nucleotide nucleotide nucleotide

mi sembra che per ami non funzioni.

gagh

il DNA è composto di nucleotidi 83

i nucleotidi sono i caratTeri del “codice”

qui vedete la strutTura di un nucleotide

P

P

O

P O

H H O

P

Acido fosforico

H

H

H

H OH

quindi il DNA è fatTo così.

Deossiribosio

H

Un nucleotide

un nucleotide può esSere diviso in tre parti:

l’acido fosforico è ciò che si otTiene quando fosforo e acqua si combinano per formare un acido.

l’acido fosforico, il deosSiribosio e una base.

il deosSiribosio è un tipo di zucChero.

sip

ma non è dolce al gusto.

84

Base

DNA

Base P

P O

Base

Base

Base

P

P O

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

Base

potremMo dire che le basi sono le facCe dei nucleotidi, il deosSiribosio (gli zucCheri) rapPresenta le gambe e gli acidi fosforici sono le mani. i nucleotidi si legano ai loro vicini attacCando le mani del primo nucleotide alLe gambe di quelLo dopo. in questo modo si forma la strutTura del DNA.

Nucleoside

DNA

Nucleotide

A

A

T

T

Acido fosforico. Il nucleoside diventa A un nucleotide quando ha le mani T attaccate.

C

C

C

G

G

G

Acido fosforico e zucchero. Quando le mani si attaccano alle gambe del nucleotide successivo la struttura del DNA è completa.

NH2 AdesSo concentriamoci sulLe basi. Un nucleotide può avere una di queste quatTro basi.

T

P

C

O

P

G

T

O

O

C

G

P

N

H

H3C

N

N N

O

O

Timina (T)

O

NH2 N N

N

HN

CH N

P

A

A

O

O

Citosina (C)

N

P

H2N

Adenina (A)

La base è la parte più importante del nucleotide.

CH N

N

Adenina, Guanina, Citosina e Timina spesSo vengono abBreviate rispettivamente in A, G, C e T.

Guanina (G)

il DNA è fatTo di questi 4 tipi di nucleotidi legati insieme in ordini diversi. Non mi è nuova questa cosa. Già! È un po’ come nelLe proteine.

È vero, anche le proteine sono fatTe da molecole legate fra di loro (i 20. amMinoacidi).

i nucleotidi sono i caratTeri del codice 85

Sia le proteine sia il DNA sono sostanze chiamate polimeri. Sono entrambi fatTi di unità singole, chiamate monomeri (che siano amMinoacidi o nucleotidi), legate insieme a formare lunghe catene. L’ordine dei monomeri nelLa catena è molto importante: in altre parole, è l’ordine delLe basi del DNA a determinare l’ordine degli amMinoacidi nelLe proteine!

vi ricorda qualcosa?

ho capito! le basi sono i caratTeri del DNA!

le informazioni sulL’ordine degli amMinoacidi sono racColte nel DNA sotTo forma di codice, un codice scritTo coi caratTeri del DNA

esatTamente!

l’ordine delLa sequenza di queste quatTro basi (A, G, C e T) è

Geni AGC

CTA

AAT

CAG

Traduzione

GTC

Sequenza di basi del DNA

Sequenza di amminoacidi il codice che specifica quale deve esSere l’ordine delLa sequenza di amMinoacidi.

86

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

quindi un gene contiene le informazioni per creare una singola proteina.

Oh! Ma in che maniera i geni sono colLegati agli amMinoacidi?

non è giusto, Rin! perché io non ci capisco nulLa?

Non ricordi mai nulLa eh, Ami?

inizi a capirci Rin!

bon

k!

nucleo-cacCa!

oho! sembra che ti debBa dare una lezione!

aAaAh!

il dotTor moro sarebBe così fiero. si stanNo impegnando così tanto.

togliti di mezZo!

i nucleotidi sono i caratTeri del codice 87

il genoma: una biblioteca di geni Conoscere la sequenza di ogni gene può essere utile in medicina e biologia: in futuro, le persone potrebbero essere in grado di esaminare il loro DNA per vedere se sono predisposti a certi tipi di cancro o ad altre malattie. L’insieme delle sequenze di ogni filamento di DNA di un organismo è chiamato genoma e ogni organismo vivente possiede un genoma nel nucleo di ogni sua cellula. Il Progetto Genoma Umano è stato completato nel 2003; grazie a questo progetto sono state scoperte e lette le sequenze delle basi del DNA presenti nel corpo umano. Negli esseri umani, questo significa individuare e leggere circa 30.000 geni diversi, ciascuno con un'unica, lunga combinazione delle quattro basi A, G, C e T. Cromosoma, un filamento di DNA

Nucleo

Quando la cellula si divide, il DNA è replicato e si condensa nella cromatina.

DNA

Cellula I cromosomi si trovano nel nucleo della cellula

Uomo

AGTC ATGATGC TGAGT AT T C G A AT G C A . . . C A G TA G C T G A

C G AT G C A C G A AT C G AT C G . . . A G

C G A AT G C A G TA G C G AT . . . . .

Il genoma contiene circa 3 miliardi di nucleotidi (AGCT)

rappresenta un gene - i geni possono variare in lunghezza, ma la maggior parte delle volte sono lunghi più di 1000 basi.

Le vostre cellule hanno 23 paia di cromosomi. Per ogni paio, uno è ereditato da vostra madre e l’altro da vostro padre. Ogni cellula ha due set di geni, tutte eccetto le cellule sessuali, che hanno solo 23 cromosomi, ereditati un po’ da vostra madre e un po’ da vostro padre. Le cellule sessuali sono usate esclusivamente nella riproduzione.

88

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

Geni del padre

Geni della madre Cromosomi Una normale cellula con due set di cromosomi (diploide)

Cellula uovo

Spermatozoo

Le cellule sessuali hanno solo un set di cromosomi (aploidi)

Il bambino riceve un set di geni da ognuno dei due genitori, avendone così due in totale

Quindi noi abbiamo 23 cromosomi che vengono da nostro padre e 23 che vengono da nostra madre (sono 23 paia con 46 cromosomi in totale). Sopra vediamo un unico paio di cromosomi.

Il genoma può essere descritto come una biblioteca che contiene libri di racconti brevi. Ogni libro è un cromosoma e ogni racconto è un gene che dice come fare una certa proteina.

Ma il genoma contiene anche altro oltre ai geni: per esempio, ci sono delle sequenze di basi in mezzo ai geni che non codificano per proteine e sono quindi dette non codificanti. La ricerca sta cercando di capire la funzione di queste altre parti di genoma. Le sezioni di DNA non codificanti possono assolvere funzioni molto importanti, come la regolazione dell’espressione dei geni.

il genoma: una biblioteca di geni 89

Se ogni base fosse una lettera, il genoma sarebbe lungo 100 milioni di parole, ovvero l’equivalente di 5000 libri, ognuno di 300 pagine: tutta questa biblioteca è compressa nel nucleo di una cellula che ha la dimensione di un puntino. Una copia completa di questa biblioteca (tutti e 5000 i volumi) è contenuta in quasi tutte le cellule.

90

capitolo 2 Proteine e DNA: decifrare il codice genetico

3 replicazione del DNA e divisione celLulare

Le celLule si dividono per moltiplicarsi

La riproduzione: il più importante evento nelLa vita! OgGi impareremo la replicazione del DNA e la divisione celLulare.

mMh, sembra roba difFicile.

replicazione? divisione?

state atTente! L’argomento di ogGi è molto importante!

ami, rin, cosa pensate sia la cosa più importante delLa vostra vita?

be’ dev’esSere...

come mai? iniziamo la lezione e lo scoprirete.

il matrimonio!

iup

ma,

piii

!

me Per ro! u ic s di

almeno, per alcune ragazZe lo è.

92

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

a parte gli esSeri umani, il matrimonio è importante per gli altri organismi?

baciami cara!

non credo

nemMeno io. che cosa stupida!

no!

aha

tipo riuscite a imMaginarvi una pulce d’acqua vestita di bianco o una copPia di pol-pi che balLano al loro matrimonio?

ihih

la cosa più importante per quasi tutTi gli organismi viventi non è il matrimonio, ma...

la riproduzione, o la creazione di una nuova vita.

facCiamoci un giro lungo il fiume.

forse vorRete cambiarvi con vestiti più comodi.

la riproduzione: il più importante evento nelLa vita 93

gh!

?

io... ehm, acCetto le vostre scuse.

scusa se ci abBiamo mesSo tanto.

guardate lì.

bene, siamo arRivati. non sapevo ci fosSe un fiume qui.

sto gelando! brR

94 capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

i salmoni stanNo risalendo il fiume.

h

splas

h

lis

sp

cosa? siamo in quel periodo delL’anNo?

generalmente i salmoni tornano al fiume in cui sono nati durante l’autunNo.

questi salmoni geneticamente modificati pensano che sia autunNo, anche se in realtà siamo in estate.

un salmone maschio e una femMina si sono incontrati!

quando la femMina depone le uova il maschio rilascia il suo sperma.

quanto è intelLigente il dotTor moro!

sono felice di non esSere un salmone. fa un fredDo cane.

guardate là!

ben fatTo ragazZi! spero che vivrete per sempre felici e contenti!

b

so

uhmM...

la riproduzione: il più importante evento nelLa vita 95

icie

erf

afF rti

up ns oi ran

non ci posso credere!

io

o ni m

mo

l i sa

aAargh!

dopo aver nuotato controcorrente rischiando la loro vita per acCopPiarsi, i salmoni muoiono poco dopo il procesSo di fecondazione.

per onorare la memoria dei salmoni, anche io avrò lo stesSo scopo nelLa vita!

la loro vita ci rivela lo scopo di tutTi gli organismi: vivono semplicemente per riprodursi

ma tu sei fuori di testa!

come pensate che generino prole?

la fecondazione è un pasSagGio delLa riproduzione sesSuale, che è il procesSo atTraverso il quale gli organismi pluricelLulari come gli umani e i salmoni generano la prole.

!

zai

ban

gli organismi unicelLulari non si riproducono unendo lo sperma e le celLule uovo.

96

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

usando i loro graziosi poteri ninja?

be’, torniamo al laboratorio per vedere nelLa macChina dei sogni come si riproducono gli organismi unicelLulari.

tu sei matTa.

a bocca aperta

sì, torniamo dentro.

lì

firu

uh, no, è abBastanza giusto.

La divisione celLulare: il metodo più semplice per riprodursi siamo sotT’acqua? non c’è aria, non posSo respirare! sto per morire!

wow!

calmati, siamo in realtà virtuale! certo che puoi respirare!

La divisione celLulare: il metodo più semplice per riprodursi 97

ti abituerai ami.

aspetTatemi!

Swoo o

guardate quegli organismi unicelLulari lagGiù che stanNo provando a riprodursi! Andiamoci vicino!

questo è un microorganismo chiamato paramecio

Divisione

Replicazione intercellulare

ah, quindi si divide in due?

sì, ha creato una nuova vita wow!

no, è andato incontro a divisione cellulare.

ha usato i suoi poteri ninja?

98

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

sh

gli organismi unicelLulari generano prole atTraverso la divisione celLulare.

un organismo unicelLulare è composto di una sola celLula.

buon per loro!

sembra facile, ma se un microrganismo continua a dividersi una volta alL’ora...

quindi il modo più semplice per crearne un’altra è che la celLula originaria si divida in due.

che?

fissandola

blop

facile, non mi sarei aspetTata nient’altro da un organismo unicelLulare.

blop

...diventeranNo 16,8 milioni di celLule in 24 ore!

ma sono tantisSime!

La divisione celLulare: il metodo più semplice per riprodursi 99

oltre ai protozoi, come il paramecio, anche i batTeri, come l'Escherichia Coli, si riproducono per divisione celLulare. Questo procesSo è definito riproduzione asessuata*.

è il modo più primitivo di generare delLa prole.

*ci sono ecCezioni a questa regola. Alcuni organismi unicelLulari, inclusi i parameci, si scambiano un po’ del loro materiale genetico senza riprodursi.

la divisione celLulare negli organismi pluricelLulari sarebBe tutTo più facile se anche gli esSeri umani fosSero capaci di dividersi.

no, sarebBe un bel guaio.

sì, imMagino sarebBe un po’ strano

è meglio che gli umani non posSano andare incontro a divisione celLulare.

eh! eh!

100

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

be’, non è proprio così!

oh! dotTor moro!

almeno nel mondo virtuale.

ho un po’ di cose da aggiungere.

e non è solo una testa gigante, ha un corpo normale ora.

per un organismo unicelLulare, la divisione celLulare genera la prole.

dovete sapere che la divisione celLulare avViene anche negli organismi pluricelLulari, come gli umani.

davVero? la divisione celLulare avViene anche negli umani?

ovViamente un uovo fecondato, o zigote, va incontro a divisione celLulare per diventare un uomo. ma non crea nuovi organismi.

e meno male.

ma non è così negli organismi pluricelLulari, come gli umani.

ma cosa fa la divisione celLulare negli adulti?

andiamo a vedere!

La divisione celLulare negli organismi pluricelLulari 101

che cosa è ?

e

rmid

epide

derma

ipoderma

stiamo vedendo la pelLe del dorso di una mano umana.

vedete, le celLule delLa pelLe sono prodotTe una dopo l’altra.

oh sì!

quelLe vecchie stanNo cascando.

pezZetTi di pelLe vanNo via

ogni celLula è viva, poi arRiva il suo momento e muore.

quando ci laviamo le mani, le celLule epidermiche di pelLe vecChia vengono lavate via.

agh, fa un po’ schifo!

102 capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

oh no.

gli esSeri umani non posSono mantenersi in vita a meno che il loro corpo non stia continuamente a rimpiazZare le celLule che stanNo morendo.

ovViamente, gli esSeri umani non posSono dividersi interamente, ma le celLule si posSono dividere individualmente.

guarda!

la pelLe è fatTa di tanti strati diversi.

le celLule si stanno dividendo una dopo l’altra!

Strato corneo Strato lucido Strato granuloso Strato spinoso Strato basale Cellule basali

la stesSa cosa acCade in tutTo il corpo, a ecCezione di alcuni tesSuti, tipo il cuore e i polmoni.

queste celLule che si dividono continuamente nelLo strato basale si chiamano cellule basali.

le celLule basali si dividono ripetutamente per produrRe nuove celLule che rimpiazZano quelLe vecchie che muoiono e vengono lavate via.

La divisione celLulare negli organismi pluricelLulari 103

WHEW!

per un organismo unicelLulare come ami, la divisione celma per noi organismi lulare crea delLa pluricelLulari serve semprole, plicemente a mantenere in salute il corpo.

esatTo.

ahahah!

marcus! non è esatTo! devi difendermi!!

oh, deve averci ragGiunti grazie alLa sua macChina virtuale personale, nel laboratorio.

oh,

dov’è il dotTor moro?

104

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

colpevole

aAaAh! scusa, scusa!!

potrebBe pure vederci di persona qualche volta, anche se è così ocCupato.

il DNA viene replicato prima delLa divisione celLulare

cosa sucCede ai geni?

cosa sucCede ai geni dentro una celLula prima che si è divisa?

otTima domanda.

ami mi ha giocato un brutTo scherzo

il DNA, geni inclusi, si divide.

DNA

Prima il DNA si duplica Poi si divide

Comunque il procesSo è molto diverso dalLa divisione celLulare. prima di tutTo, il DNA viene srotolato per fare due metà.

poi, con l’aiuto di enzimi, le due metà sono completate per formare due dopPi filamenti identici. Ora, quando le celLule si dividono, avrete due celLule con lo stesSo identico DNA.

cosa sucCede ai geni? 105

certo. però è strano che un’istruzione possa esSere divisa.

il procesSo di duplicazione del DNA si chiama replicazione del DNA.

il termine divisione non è realmente corRetTo visto che il DNA replicato si trova in ognuna delle due nuove celLule. replicazione significa fare una copia identica.

riuscite a ricordarvelo?

il DNA ha un strutTura duplicabile

uhmMm, doppia... dopPia trecCina?

ieri avete imparato la strutTura del DNA* ti ricordi come si chiama, ami?

*(a pag 81).

quasi. doppia elica è il termine giusto.

Doppia elica Nucleotidi

Schema tridimensionale Schema bidimensionale

dovresti dire nuc--

106

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

oh sì. ed è fatTa di nucleotidi, giusto?

aspetTa, ha detTo bene!

bene! e quindi perché la strutTura è dopPia?

ho detto bene!

la base fa da intermediario per conNetTere i due filamenti, un po’ come una cerniera.

dopo che i nucleotidi sono uniti in una lunga catena per formare il DNA, la base del nucleotide sporge fuori dalla “catena principale” formata da zucCheri e fosfati.

Base

A

C

T

G

Gruppo fosfato A

C

Zucchero T

T

G

A

G

A

C

C

G

T

Catena principale

e così, le basi di ogni filamento sono conNesSe in maniera debole da legami a idrogeno, che tengono il DNA insieme...

CH 3 P

T

H HN

O

N

NH O

O

G

NH

O

Legame a idrogeno

...con le basi nel mezZo e la catena principale alL’esterno. questo è il motivo per cui il DNA è detTo a doppio filamento.

NH H H NH

P

A O

Legame a idrogeno

N

H NH

P

C O

O

H HN

O

P

A

P

C

N

O

O P

CH 3

O HN

T

O

O O

N

HN

O

HN H

P

G

O P

il DNA ha una strutTura duplicabile 107

è importante sapere che una base può interagire solo con un’altra base e che la sua compagna è sempre la stesSa. L’Adenina (A) si apPaia alLa Timina (T) e la Guanina (G) alLa Citosina (C).

A

C

G

G

C

C

G

T

T

A

A

T

G

C

C

G

G

C

A

A

T

T

Se una base è A (adenina), la sua compagna sarà sempre T (timina). Se una base è G (guanina), la sua compagna sarà sempre C (citosina).

La compagna di ogni base è predeterminata

questo significa che se il DNA ha una sequenza ACgGcCGtTaA, la sequenza compagna nelLa dopPia elica sarà sempre TGcCgGCaAtT.

quindi se sapPiamo la sequenza di DNA di un filamento, sapPiamo anche la sequenza delL’altro filamento. sì!

cercate di ricordarvelo, è molto importante nel procesSo di replicazione del DNA.

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa replicazione del DNA oh! la replicazione del DNA è cominciata!

108

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

dentro il nucleo

dopo che i due filamenti sono stati separati, ci sono due filamenti singoli. nuovi nucleotidi vengono atTacCati a ognuno dei due filamenti di DNA in sucCesSione e così si crea un nuovo dopPio filamento di DNA.

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 109

no, è tropPo complicato per capirlo.

ah, sto impazzendo!

macChina dei sogni, metTiti sulLa modalità facile!

ok, proviamo a vederlo in un altro modo.

e sono qui per mostrarti il favoloso procesSo delLa replicazione!

ehi belLezZa, sono il DNA!

grazie!

be’, di sicuro è un tipo “facile”.

il procesSo di replicazione sta per iniziare.

eheheh

state attente!

110 capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

per prima cosa, si rompono i legami a idrogeno nel punto di origine delLa replicazione.

e la DNA polimerasi si atTacCa alL’origine delLa replicazione

wrap DNA polimerasi

il DNA inizia a separarsi in due filamenti singoli.

i nucleotidi si atTacCano al DNA

la polimerasi inizia ad asSemblare nucleotidi.

nucleotidi

la DNA polimerasi si muove in una direzione predeterminata.

e guardate, i nucleotidi vengono atTacCati al DNA.

oh! è comparsa un’altra DNA polimerasi sulL’altro filamento

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 111

questo avViene lungo tutTo il DNA,

e ora ci siamo duplicati!

e alLa fine...

wow!

...la replicazione è completata!

ma è fantastico!

clap clap

clap

ahem, grazie.

112

e comunque, la sequenza delLe basi dei due filamenti di DNA è esatTamente la stesSa.

e sicCome una base si acCopPierà sempre con la stesSa compagna, la sequenza delLe basi del nuovo filamento è determinata automaticamente. Funziona benisSimo per la replicazione!

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

vai!

lasciate spiegare a me.

già, è giusto.

oh

ma cosa è questa DNA polimerasi che è apParsa a metà del procesSo?

come avete visto, la replicazione del DNA crea nuovo DNA. ed è l’enzima DNA polimerasi a svolgere questo compito

la DNA polimerasi deve esSere presente per far sì che avVenga la replicazione.

ciao, DNA!

credo di iniziare a capire.

andiamo più vicino, per vedere cosa fa la DNA polimerasi.

ciao ciao.

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 113

sembra che i preparativi per la replicazione del DNA siano inziati.

aspetTa, che cosa è questo rumore che fa “whoOsh whoOsh?”

fra le molte proteine sintetizZate dai ribosomi fuori dal nucleo, alcune sono proteine di iniziazione che si legano alL’origine di replicazione

Proteina DNA

Il DNA inizia ad aprirsi nel punto dove si sono legate molte proteine.

guardate il DNA. moltisSime proteine si stanNo legando in uno stesSo punto, che deve esSere il punto dove parte la replicazione del DNA.

Filamenti di DNA separati

il DNA ha iniziato a sintetizZarsi in un punto che si è aperto.

Il DNA mentre viene sintetizzato

andiamo più vicino alL’area dove il DNA sta venendo sintetizZato.

sì, lo vedo!

114 capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

una delLe proteine si lega al filamento singolo di DNA. i nucleotidi, il materiale di cui è fatTo il DNA, stanNo galLegGiando lì intorno, e si atTacCano al filamento singolo.

Nucleotide La polimerasi si muove in questa direzione

La catena di DNA che sta venendo sintetizzata

prestate atTenzione! la DNA polimerasi alL’inizio non ha sintetizZato DNA.

oh!

è ve ro!

DNA polimerasi

quelLa proteina è la DNA polimerasi.

in realtà la sintesi di DNA inizia quando un filamento corto di RNA viene sintetizZato. questo filamento si chiama RNA primer.

DNA

RNA primer La sintesi parte da qui

DNA

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 115

la DNA polimerasi si può legare completamente al filamento singolo di DNA e iniziare a lavorare solo dopo che è stato sintetizZato il primer di RNA.

DNA

La replicazione è iniziata qui

DNA

DNA

DNA

RNA primer

DNA

DNA

DNA

Il DNA si apre in questa direzione

più sintesi di DNA porta a...

più replicazione del DNA!

no, non ci arRivo.

Y

X

ma come rin, non lo vedi?

!

rda

gua

sul filamento X la replicazione va avanti senza problemi nelLa direzione in cui si apre il doppio filamento,

ma sul filamento

Y vengono sintetizZati dei picColi framMenti di DNA nelLa direzione opPosta!

116 capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

brava ami.

un dopPio filamento di DNA è composto da due filamenti di DNA atTacCati l’un l’altro in due direzioni opPoste.

la sintesi del DNA inizia sempre terminazione 3´ alla terminazione 3´ terminazione 5´

terminazione 5´

terminazione 3´

una terminazione si chiama 5’ (cinque primo) e l’altra si chiama 3’ (tre primo). quando i due filamenti si legano insieme si dispongono in direzioni opPoste.

una domanda! perché si chiamano 5’ e 3’?

be’, il nucleotide, il materiale che compone il DNA, è fatTo di deosSiribosio (uno zucChero con 5 atomi di carbonio), acido fosforico e una base.

marcus! guardami!

5´ 4´

1´

P P

3´ 2´ Zucchero Acido (desossiribosio) fosforico

A

T

G

C

5´

1´ 3´

Base

A

4´ 2´

Nucleotide

Struttura di un nucleotide

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 117

quindi diamo il nome 5’ e 3’ perché sono questi i numeri assegnati ai carboni “liberi” dei desosSiribosi che stanNo alLe terminazioni delLa catena.

il desosSiribosio ha 5 atomi di carbonio, a cui si asSegnano i numeri dalL’1 al 5. 5´ 1´

4´ 3´

P

5´

P

P 3´

P

3´

A

C

G

T

A

T

G

C

A

T

5´ 3´

5´ 3´ P

P 3´ 5´

3´ 5´

3´

P

5´

5´ 3´ P

5´

5´ 3´ P

2´

3´ 5´

5´ 3´

5´

3´

è proprio così.

P

quindi quando un dopPio filamento è aperto in due filamenti singoli,

la DNA polimerasi può replicare il DNA solo nelLa direzione 5’-3’.

la replicazione avViene in direzione 5’-3’ di ogni filamento. 3´

5´

5´

3´

3´

5´ 3´

5´

3´ 5´

5´ 3´

Frammento di okazaki

per cui la replicazione avViene in direzione opPosta al filamento su cui si basa.

5´

3´5´

3´

3´ 5´

5´ 3´

la DNA polimerasi riesce nel difFicile compito di sintetizZare tanti picColi framMenti che vengono poi uniti alLa fine.

118 capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

come va? se avete capito tutTo fino a questo momento, direi che adesSo sapete un bel po’ di cose sul DNA.

questi picColi framMenti si chiamano frammenti di okazaki dal loro scopritore, il dotTor reiji okazaki.

già, imMagino di sì.

ne

io

s fu

n

co

io ho una domanda.

perché la DNA polimerasi replica solo in direzione 5’-3’?

eh eh! non c’è bisogno di sapere queste cose per l’esame del dotTor moro ed è davVero complesSo... non voglio confondervi, diciamo che ha a che vedere con la forma delL’enzima DNA polimerasi.

guardate là. il DNA ha finito la replicazione!

ok, grazie.

scusa

ovVio che non lo sa nemMeno lui.

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 119

non è favoloso il procesSo di replicazione del DNA?

120

sì, è una delle meraviglie delLa vita.

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

anche il dotTor moro ha detTo qualcosa sulLa vita.

vita?

ogni celLula è viva, e muore dopo un certo periodo di tempo.

sembrava triste mentre lo diceva, no?

macChé! a me non sembrava triste.

...

ci avrei giurato...

te lo sei imMaginato e basta!

...

il ruolo delLa DNA polimerasi nelLa duplicazione del DNA 121

che cos’è un cromosoma? Se parliamo di divisione cellulare non possiamo non parlare dei cromosomi.

Cosa è un cromosoma?

Un cromosoma è il DNA in una forma specifica, che contiene le informazioni genetiche. Prima che inizi la divisione cellulare, i cromosomi si uniscono gli uni con gli altri al centro della cellula. Quando inizia la divisione cellulare, i cromosomi sono divisi in due parti. Un cromosoma è fatto da un lungo filamento di una sostanza chiamata cromatina. Vi ricordate la catena di perle che abbiamo visto nel capitolo 1? Quella è cromatina. È fatta da proteine chiamate istoni, DNA e altre molecole. Ogni perla della catena è fatta da 1,7 giri di DNA arrotolati intorno a un nucleosoma Un filamento di DNA si attorciglia, perla dopo perla, formando un filo spesso di cromatina. In pratica un nucleosoma è un insieme di proteine, in totale otto molecole di istoni legate insieme, due per ognuno di questi tipi: H2A, H2B, H3 e H4. I cromosomi, cioè i filamenti di cromatina, generalmente sono sparsi nel nucleo e sono invisibili anche al microscopio, tranne quando si condensano nella forma compatta per la divisione cellulare: allora diventano visibili.

DNA

Cromosomi sparpagliati Nucleosoma, cioè un ottamero di istoni

Cromosomi condensati

DNA e cromosomi I cromosomi sono stati scoperti nel diciannovesimo secolo e si chiamano così perché hanno la tendenza a colorarsi facilmente con l’uso di coloranti (chroma in greco vuol dire colore, e lo avrete sicuramente già sentito in parole come monocromo e cromatico).

122

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

il corpo umano contiene 46 cromosomi Tutte le cellule (a esclusione di quelle sessuali) contengono 23 coppie di cromosomi. Il numero di cromosomi varia da un organismo all'altro e non è correlato al grado di evoluzione dell’organismo stesso. Per esempio i pesci rossi hanno circa 100 cromosomi! 22 dei 24 cromosomi umani sono autosomi, cioè non sono collegati al genere sessuale. Ogni cellula ha due copie di ciascun autosoma: perché due? Perché uno proviene dal padre e uno dalla madre. Ad ogni autosoma viene assegnato un numero da 1 a 22, a partire dal più grande (che quindi è il numero 1): vengono dunque chiamati “cromosoma 3”, “cromosoma 16” e così via. I due cromosomi che non sono autosomi si dicono cromosomi sessuali. Sono detti cromosoma X e cromosoma Y. Questi ultimi cromosomi determinano il sesso della persona. Le cellule dei maschi hanno un cromosoma X e un cromosoma Y (XY), mentre le femmine hanno due cromosomi X (XX). Maschio

Autosoma

Y X

Cromosomi sessuali

Femmina

X X

Cromosomi sessuali

i cromosomi sono visibili esclusivamente durante la divisione cellulare Visto che i cromosomi si inspessiscono solo quando il DNA replicato e gli istoni sono completamente condensati, si vedono esclusivamente durante la divisione cellulare. Quando devi dividere un pezzo di tessuto in due parti, ci metti meno tempo se lo ripieghi tante volte prima di tagliarlo. Per le cellule è uguale: è più facile dividere il DNA condensato piuttosto che quando è disperso nel nucleo. Adesso guardiamo la divisione cellulare.

che cos’è un cromosoma? 123

iL processo di divisione cellulare Una volta che il DNA è stato replicato, inizia la fase successiva. Quando la replicazione del DNA è terminata, la cellula inizia a prepararsi per la divisione. La divisione cellulare consta di due fasi: la mitosi e la citodieresi.

Mitosi La divisione cellulare inizia nel nucleo, dove si trova il DNA. Il processo di divisione del contenuto del nucleo in due si chiama mitosi. Ma la divisione del nucleo è tipo la fissione nucleare, quella che genera radioattività e che è usata per produrre energia nucleare? È questo che accade nel nostro corpo?!

NOOOOooooo!!! Il nucleo di una cellula non è la stessa cosa del nucleo di un atomo. Si chiamano nella stessa maniera, ma sono due cose completamente diverse! La mitosi non ha nulla a che vedere con la fissione nucleare!

Oh! Meno male!

Nella mitosi, il DNA replicato è condensato nei cromosomi, che formano una spessa struttura fatta a X. Delle strutture, chiamate centrosomi, che di solito si trovano vicino al nucleo, iniziano a spostarsi verso i poli della cellula. Nucleo Membrana nucleare

DNA duplicato

Profase

Cellula

124

Centrosoma

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

Anche se alla fine il processo porterà alla formazione di due nuclei, per adesso il nucleo originario non è ancora diviso. La membrana nucleare originaria si disfa all’inizio della mitosi e si riforma quando la cellula si è divisa.

Cromosoma

Fibre del fuso

Guardate! Succede qualcosa dalle parti del centrosoma!

Brava. Delle sostanze fibrose, chiamate fibre del fuso, iniziano a diramarsi dai centrosomi, che ora si trovano ai poli opposti della cellula. Queste fibre del fuso sono fatte di sottili strutture chiamate microtubuli. Dopo che la membrana è scomparsa, il DNA duplicato che ha iniziato a condensarsi è rilasciato nel mare del citoplasma: questo è molto importante. Quando i cromosomi hanno finito di condensarsi e hanno preso la loro forma, una delle fibre del fuso provenienti dai centrosomi raggiunge il loro centro e ci si attacca. Se ci fosse stata la membrana nucleare sarebbe stata un ostacolo per la fibra del fuso.

Fibre del fuso

Metafase

La mitosi

125

Le fibre del fuso spostano i cromosomi al centro della cellula, creando il fuso mitotico.

Anafase

Durante l’anafase, le fibre del fuso spostano i cromosomi a cui sono attaccate verso i poli della cellula. Alla fine del processo, i cromosomi che erano al centro si trovano separati nei due poli. Poco dopo essere stati separati, i cromosomi iniziano a decondensarsi e a sparpagliarsi per tornare al loro stato iniziale: diventano quindi di nuovo invisibili, anche al microscopio. Inizia a riformarsi la membrana nucleare, che si era disciolta nel citoplasma e si riforma il nucleo a ognuno dei due poli. Formazione di uno dei due nuclei

Telofase

Per permettere alla cellula di dividersi e continuare a vivere, il DNA non può dividersi a caso, ma deve replicarsi e suddividersi nei due nuclei in maniera uguale. A causa della presenza del fuso mitotico, questo processo viene chiamato divisione mitotica.

126

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

Citochinesi C’è qualche differenza fra animali e piante in questo processo di divisione?

Il processo è quasi uguale per quel che riguarda la mitosi. Nella citochinesi, che avviene più tardi, la cellula deve dividersi in due, e qui c’è una grossa differenza fra animali e piante. Nelle cellule animali, la porzione vicino al centro della cellula si stringe finché la cellula non si divide in due parti uguali. Una parte importante della citochinesi è che anche gli altri organelli, il citoplasma e i nutrienti devono essere divisi equamente nelle due nuove cellule. È un po’ come quando si fanno i biscotti: quando fai una pallina di pasta cerchi di prendere lo stesso numero di pezzetti di cioccolata e nocciole, in modo che ogni pezzo ne abbia la stessa quantità.

Cellule animali

Visto che le cellule vegetali sono circondate da una struttura più dura chiamata parete cellulare, il loro processo di divisione è un po’ diverso. In queste cellule una parete, chiamata piastra cellulare, appare al centro della cellula. Da lì cresce gradualmente e diventa sempre più larga fino a quando non divide la cellula in due porzioni. Piastra cellulare Cellula vegetale

In questa maniera la cellula completa la sua divisione, e il DNA si trova al sicuro in entrambe le cellule.

La Citochinesi 127

Che cos'è un ciclo cellulare? Alcune cellule continuano a dividersi continuamente mentre altre non lo fanno. Il ruolo di una cellula determina quanto spesso si deve replicare. Le cellule basali (v. pagina 103), che avete visto alla base della pelle, sono una tipologia di cellule che si divide illimitatamente, perché le cellule della pelle sono rimpiazzate di continuo. Le cellule basali hanno una vita limitata: si pensa che quando le cellule basali diventano vecchie, smettano di dividersi. Come avete imparato fin qui, la divisione cellulare segue alcuni passaggi: il DNA viene replicato, la cromatina si condensa in cromosomi, la membrana nucleare si sfalda, il contenuto della cellula si divide in due e la cellula si divide. Una cellula effettua molti controlli durante la replicazione per accertarsi di non aver commesso errori durante questo importante processo.

L’anello indica un punto di controllo nel ciclo cellulare.

È finita la preparazione alLa divisione? Sto per tirare i cromosomi!

PosSo iniziare la divisione celLulare?

Divisione cellulare Fase M Fase G2

Fase G 1 Fase S

128

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

La replicazione è conclusa!

Le cellule che si dividono molte volte ripetono continuamente questi passaggi. L’insieme di passaggi che completa una divisione è chiamato ciclo cellulare, ed è composto di 4 fasi: _p La fase G1 In questo passaggio la cellula prepara il DNA per la replicazione. Vengono prodotti gli enzimi coinvolti nella replicazione del DNA (che avviene nella fase S), insieme alle altre proteine che servono alla cellula. Potremmo dire che durante la fase G1 la cellula sta iniziando a crescere (da Growth, crescita in inglese).

_p La fase S Viene replicato il DNA. La fase S prende il nome dalla Sintesi del DNA. _p La fase G2

La cellula si prepara per la divisione. Vengono sintetizzati i microtubuli

che serviranno durante la fase M. Si chiama fase G2 perché è il secondo momento in cui la cellula cresce e vengono sintetizzate proteine. Le fasi G1, S e G2 vengono dette interfase. Come immaginerete, la preparazione della cellula prima della sua divisione (interfase) impiega molto più tempo che la divisione stessa (fase M). _p La fase M Durante questa fase avvengono la mitosi e la citochinesi.

_p Si chiama fase M da Mitosi.

Divisione

Che cos’è un ciclo celLulare? 129

Qual è la causa del cancro? Una cellula cancerosa è una cellula che un tempo funzionava normalmente ma ad un certo punto un suo gene muta e la cellula “impazzisce”. La mutazione del gene fa sì che la cellula cancerosa si divida ininterrottamente senza prestare attenzione alle cellule circostanti, crescendo senza controllo e rubando energia e nutrienti alle altre cellule del tessuto. Se una cellula cancerosa continua a dividersi, e quindi a moltiplicarsi, il tumore inizia a essere visibile al microscopio o addirittura a occhio nudo. Ci sono molti modi in cui una cellula sana può diventare una cellula cancerosa, ma indipendentemente dalle cause, tutte le cellule cancerose iniziano a riprodursi all’impazzata perché i geni che regolano la divisione cellulare sono fuori controllo. !?

Gene

Cellula sana

Avviene una mutazione

Cellula anormale: è nata una cellula cancerosa.

Nelle cellule sane, i geni che prevengono i tumori funzionano come un freno: fermano cioè la divisione cellulare nei punti di controllo e impediscono la replicazione arbitraria della cellula. In alcune cellule, questi geni mutano e smettono di funzionare: i freni si sono rotti e la cellula inizia a dividersi senza controllo. inizio la divisione!

No, non te lo permetTo!

Nucleo

Gene della soppressione dei tumori

Divisione!

Disabilitato

Tumore

Le cellule cancerose continuano a moltiplicarsi

In alcune cellule cancerose, il gene che lavora per promuovere la divisione cellulare impazzisce, e la crescita e divisione cellulare diventa super accelerata. Il gene per la soppressione del tumore non riesce a contrastarla, per cui la cellula inizia a dividersi a ripetizione, diventa cancerosa e interferisce con le normali funzioni dei tessuti e degli organi. Un organismo pluricellulare è come una società fatta di cellule: le cellule si dividono secondo la necessità e svolgono i loro compiti. Le cellule cancerose sono come delle bande che rapinano e reclutano nuovi membri, diffondendosi nella società e seminando il panico.

130

capitolo 3 replicazione del DNA e divisione celLulare

4 come è fatTa una proteina?

un gene diventa utile dopo la trascrizione

come è fatTa una proteina

Finalmente facCiamo pausa!

Rin, mi concederesti un atTimo del tuo tempo?

eh? come mai sei così formale?

è per via del dotTor moro...

già, è un po’ che non lo vediamo

sì, è proprio per questa cosa...

?

132

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

mi chiedo se il dotTor moro esista davVero.

ma di che parli?

da dove viene questo rumore? dalLa tv?

che stavi dicendo sul dotTor moro?

comunque,

be’...

Come nasce una proteina 133

ma questo spiegherebBe perché lo posSiamo incontrare solo nelLa macChina dei sogni!

credo che in qualche maniera il dotTor moro abbia lasciato questo mondo.

h

woa

ah

ahah

ma dai, è imposSibile!

ora che mi ci fai pensare...

silenzio attonito

...

...

che sciocChe! ma che state dicendo?

aaaaaah! 134 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

meglio così.

dotTor moro!

be’, la prosSima volta che usa quel videofono potrebBe dircelo prima.

sono solo impegnatisSimo per la mia ricerca, ma un giorno ci vedremo.

altrimenti potrebBe vederci mentre ci cambiamo i vestiti.

oh santo cielo!

silenzio

ma che verme!

oh, rin.

Come nasce una proteina 135

uhm, e questo sarebBe sucCesSo ieri sera, eh?

un profesSore così secCante non può mica morire così alL’improvViso!

136

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

ah, ah! vero...

non ci potevo credere quando ami mi ha detTo senza batter ciglio “penso che in qualche maniera il dotTor moro abBia lasciato questo mondo”.

comunque chiunque può avere un incidente o prendersi una malatTia.

ad esempio, il cancro è una malatTia potenzialmente mortale.

esistono ancora tante malatTie incurabili.

se un agente cancerogeno atTacCa il DNA, o se il DNA viene danNegGiato dalLa luce ultravioletTa,

Blueprints

la DNA polimerasi potrebBe non lavorare più acCuratamente durante la replicazione del DNA.

e se questa cosa avVenisSe in un punto critico di un gene, potrebBe venir prodotTo un gene anormale, e portare al cancro.

perché ci amMaliamo se un gene si rovina?

se un gene si rovina, la strutTura e le proprietà delLa proteina a lui colLegata potrebBero diventare anch’esSe anormali.

o una proteina necesSaria potrebBe non esSere più prodotTa del tutTo.

Come nasce una proteina 137

ok, ho capito. succede perché i geni sono le istruzioni per le proteine.

anche l’emoglobina viene danNegGiata se si sbaglia una piccola parte.

e quindi come si crea una proteina seguendo le istruzioni?

è quelLo che imparerete ogGi!

che cos'è la trascrizione? diagra mMa d i flusS delL’in o forma zione genet ica.

come sapete questo è il procesSo per creare una proteina.

rep

lica

tra

zion

scr

e

izio

ne

tra duz ione

pro

tei

na

un’informazione genetica viene ereditata dalLa celLula o dalL’organismo delLa generazione sucCesSiva atTraverso la replicazione del DNA.

l’informazione genetica viene trascritTa in ciascuna celLula dal DNA alL’RNA, e le proteine sono basate sulL’RNA.

138 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

il DNA è l’istruzione usata per costruire le proteine, e l’RNA è la guida, vi ricordate?

ieri avete imparato la replicazione. ogGi vedremo la trascrizione più nel detTaglio.

trascrizione

istruzioni (DNA) guida (RNA) la parola trascrizione mi ricorda la parola trasferire, un po’ come si trasferiscono le imMagini sulLe maglietTe con i ferRi da stiro.

il procesSo di creazione delLa guida dalLe istruzioni è chiamato trascrizione.

l’RNA viene sintetizZato copiando la sequenza di basi del DNA. La sequenza di DNA è usata come stampo.

sì, ma la trascrizione è un po’ diversa.

DNA non usato per lo stampo

A

T A

A G C G C T C G C G

Doppio filamento di DNA

T

A G C G C

A

T

G A

C G C G

T

C

L’RNA viene sintetizzato come se stesse facendo una copia del DNA.

G C C G C G DNA usato come stampo

Il doppio filamento viene aperto in un singolo filamento.

un pupazZetTo delL’Uomo Enzima™?*

non ho capito.

a

fus

con

vi spiegherò il procesSo usando... * ricordate? abBiamo incontrato Enziman a pagina 65. Che cos’è la trascrizione?

139

per otTenere molte copie del pupazZetTo, dovete prima di tutTo creare un originale. quindi...

metTete il pupazZo in una scatola vuota. oh!

coperchio pupazZetTo originale

fate colare un liquido (tipo plastica) e lasciatelo indurire.

potete produrRe uno stampo seguendo questi pasSagGi.

rimuovete il coperchio e tirate fuori il pupazZetTo

e chiudetela col coperchio

lo stampo è pronto.

liquido

stampo

coperchio

ora potete rimettere il coperchio e far colare del nuovo liquido per riprodurRe lo stesSo pupazZo.

potete rifare lo stesSo pupazZo...

quante volte volete!

coperchio pupazZo originale

140 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

pupazZo copia

la trascrizione dal DNA alL’RNA è un procesSo simile.

DNA

l’RNA si otTiene basandosi sulLo stampo di DNA.

DNA (stampo)

DNA (non stampo)

DNA

RNA

viene creato un RNA con la stessa sequenza di basi del DNA non stampo

RNA Trascrizione completa

oh, ho capito.

prima abBiamo usato la parola copia ma in realtà si chiama trascrizione dell’informazione genetica.

un gene comincia il procesSo di creazione delLa proteina dopo esSere stato trascritto in RNA.

in realtà, la trascrizione di un gene dipende dal tipo di celLula.

mentre altri vengono trascritTi solamente nelLe celLule nervose o in quelLe del fegato.

tu pensa!

alcuni geni sono trascritTi in ogni celLula...

Che cos’è la trascrizione?

141

quindi devono esistere dei geni che non vengono trascritTi da nesSuna celLula.

e questa come ti è uscita?

otTima osServazione!

!!

esistono molti geni nel DNA che non vengono mai trascritTi.

brava ami, hai indovinato sparando a caso.

non ti sopPorto!

non l’ho sparata a caso! l’ho capito da sola!

certo, certo

aAaAh

quelLi vengono chiamati pseudogeni. si pensa che abbiano perso la loro funzione di geni durante l’evoluzione.

142

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

gli pseudogeni a volte vengono chiamati DNA spazzatura. sono un po’ come dei reperti fosSili dei geni.

reperti fosSili dei geni: avVincente!

non sarebBe bufFo se gli pseudogeni fossero trascritTi e lavorasSero in qualche posto segreto? atteggiamento furtivo

mi sorprende che una principiante di biologia molecolare come ami...

...abBia notato l’esistenza degli pseudogeni!

non volevo spiegare una cosa così complicata, e non dirò che il DNA spazZatura può avere efFetTi sulL’espresSione genetica, anche senza esSere trascritTo.

alLa fine impareranNo che gli pseudogeni sono come mesSagGi alL’interno del DNA che dicono come e quando è necesSario trascrivere i geni.

Che cos’è la trascrizione?

143

cromatina e trascrizione tiriamo il filo delLa cornetTa

marcus, che ci fai con un telefono in mano?

già, perché non usi un cellulare?

ih! ih!

guardate questo filo del telefono, forma un’elica: non vi ricorda nulLa?

...per formare una strutTura a perle, chiamata nucleosoma (visto a pagina 43)

il DNA!

giusto. avete imparato che il DNA nel nucleo si atTorciglia intorno a otTameri istonici...

144

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

DNA

istone

molte di queste strutTure, legate insieme, formano la cromatina. come i rosari...

la cromatina può avere due diverse forme, a seconda di cosa si sta facendo con il DNA.

in una forma, le perle sono una distante dalL’altra. quando è così può avVenire la trascrizione.

30nm

porzione decondensata porzione molto condensata

RNA

Trascrizione attiva

nel resto del DNA le “perle” sono tenute così stretTe le une con le altre che quasi non c’è spazio fra di loro. Questo stato è chiamato eterocromatina e quando è così non può avVenire la trascrizione.

normalmente la cromatina è condensata, ma deve venir srotolata per fare in modo che i geni vengano trascritTi.

cromatina e trascrizione 145

l’mRNA è sintetizZato usando uno dei due filamenti di DNA come modelLo. dopPio filamento di DNA

i geni, che sono le istruzioni per le proteine, hanNo una strutTura dopPia, composta da due filamenti di DNA.

geni

il DNA è fatTo da due filamenti paralLeli con direzione opPosta avVitati su se stesSi. i geni sono parte di questi filamenti.

con una sequenza di basi complementare.

facCiamo finta di avere due filamenti, chiamati A e B. il filamento A contiene le informazioni (il codice) per qualche gene mentre il filamento B per altri. Per ogni gene importa uno solo dei due filamenti, o A o B.

la trascrizione delL’informazione genetica in RNA avViene usando la parte complementare a quelLa importante come stampo X. geni

il filamento di una dopPia elica di DNA che porta le informazioni si chiama il filamento codificante, mentre...

Filamento complementare

X Il filamento complementare è usato come stampo per sintetizzare l’RNA (Y).

Parte del filamento che funziona come un gene Questi due filamenti hanno la stessa sequenza di basi.

...l’altro filamento è usato come stampo per la sintesi di RNA e si chiama filamento stampo. la sequenza di RNA Y che viene prodotTa avrà la stesSa sequenza di basi che ha il filamento codificante.

in questa maniera viene trascritTa la parte del gene che contiene l’informazione.

146 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

A

C

G

G

C

C

G

T

T

A

A

come vi ho detTo nel capitolo 3, se la sequenza delLe basi in un filamento codificante è ACgGcCGtTaA...

...la sequenza di basi nel filamento stampo sarà automaticamente TGcCgGCaAtT. T

G

C

C

G

G

C

A

A

T

T Filamento stampo Filamento codificante

A

C

G

G

C

C

G

T

T

A

A

se si usa come stampo la sequenza TGcCgGCaAtT si otterRà un RNA con la sequenza ACgGcCGtTaA, come il filamento codificante.

T

G

C

C

G

G

C

A

uh?

A

T

T

RNA A

C

G

G

C

C

G

U

U

A

A che sucCede, ami?

l’MRNA è sintetizZato usando uno dei due filamenti di DNA come modelLo 147

sei un’osServatrice molto atTenta.

mi sembra ci sia una lieve difFerenza tra la sequenza delL’RNA e il filamento stampo.

wow!

già è vero!

ma il motivo ve lo spiegherò più tardi (v. pagina 156).

!

ezza

rist che t

l’RNA polimerasi copia l’informazione genetica quale? quelLa decondensata o quelLa tutTa compatTa come il filo arRotolato del telefono?

andiamo nelLa macChina dei sogni per vedere la cromatina in azione.

148

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

vedremo il procesSo di trascrizione che avViene in quelLa decondensata.

ramente

gGiad ando le

svolazZ

ami, hai fatTo un sacCo di progresSi a nuotare nelLa realtà virtuale!

ops, scusa.

grazie!

aAaAah!

nel capitolo 3, abBiamo visto alcune proteine ragGrupParsi quando inizia la replicazione del DNA. queste proteine servono ad aprire il dopPio filamento del DNA.

DNA aperto Proteine

DNA

guardate, sta sucCedendo anche adesSo.

L’RNA polimerasi copia l’informazione genetica

149

le proteine che si ragGrupPano adesSo sono completamente diverse da quelLe che abBiamo visto durante la replicazione del DNA, ma svolgono funzioni simili.

DNA

dopo che il dopPio filamento del DNA è stato aperto, una strana proteina con una coda molto lunga apPare vicino al ragGrupPamento delLe proteine.

Proteina con la coda

Il doppio filamento è aperto Coda

questa proteina inizia a sintetizZare l’RNA agGiungendo progresSivamente i nucleotidi complementari alLa catena. mentre si muove avanti, il dopPio filamento che è stato già trascritTo si richiude.

L’ RNA viene sintetizzato al contrario

l’RNA sintetizZato esce acCanto alLa coda delLa proteina.

150 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

RNA

è così che il mesSagGio contenuto nel gene, che nel DNA era scritTo come una sequenza di basi, riesce a uscire dal nucleo dopo esSere stato trascritTo in RNA.

sono un po’ confusa.

marcus, posSiamo impostare la macchina dei sogni in modalità facile?

modalità facile!

groan oddio

certo.

per prima cosa vado al punto A.

ok! inizierò la trascrizione da A a B. gene

X

Y quelLa proteina apre il filamento al punto A.

ecCo che arriva un’altra proteina!

[

Z trascrivo in RNA usando uno dei due filamenti di DNA aperto come uno stampo

se mi muovo verso destra, l’RNA esce verso sinistra.

]

\ ci metTo un atTimo!

lì c’è il punto B.

finito!

^

_

L’RNA polimerasi copia l’informazione genetica 151

poro delLa membrana nucleare

ci vediamo!

l’RNA sintetizZato esce atTraverso i pori delLa membrana nucleare.

membrana nucleare

`

nucleo

citoplasma

a

meno male che esiste la modalità facile.

oh, così sì che è facile da capire!

il DNA è copiato, e la sua informazione genetica duplicata è portata dalL’RNA al ribosoma lo strumento di sintesi proteica che sta fuori dal nucleo.

per questo motivo l’RNA che funziona come una guida per la sintesi proteica è chiamato RNA messaggero, o mRNA.

ciao, sono la polimerasi.

che carino!

la proteina con la coda lunga che è coinvolta nel procesSo di sintesi si chiama RNA polimerasi*.

152 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

*per esSere precisi, negli eucarioti si chiama RNA polimerasi II

la framMentazione delL’mRNA trascritTo

Una lunga coda (CTD)

la RNA polimerasi ha una lunga coda.

RNA polimerasi II

l’RNA sintetizZato fuoriesce da vicino alLa coda delL’RNA polimerasi

questa coda si chiama dominio carbossiterminale, o ctd

dopo che la polimerasi ha sistemato i nucleotidi in sequenza, sucCedono un sacCo di cose a quelL’RNA: andiamole a vedere.

coda lunga

Gene A DNA

be’, stanNo avVenendo molte cose, procediamo per picColi pasSi.

Zoom sul gene

Introne i geni, cioè le istruzioni del DNA per costruire le proteine, sono spezZetTati.

spezZetTati?

u tr is

o zi

Esone

Gene A

le istruzioni sono framMentate?

ni

woah.

sì. i geni sono fatTi da introni ed esoni. gli introni sono regioni di acidi nucleici che non codificano e quindi vengono eliminate dalLa sequenza di RNA. le sequenze rimaste compongono l’RNA mesSagGero maturo, che codifica per la proteina.

la framMentazione delL’MRNA trascritTo 153

...trascrive anche gli introni da eliminare.

quando l’RNA polimerasi sintetizZa l’mRNA per la prima volta...

Introne Geni

Esone

Introne Esone

Esone Inizialmente vengono trascritti sia introni sia esoni. Introne

Introne mRNA

Esone

Esone

Esone Gli introni sono rimossi nella fase di splicing

Esone

mRNA Informazione per gli amminoacidi

Esone

Esone

AUC CGC AGU CCA GAA UAU GAA CUA

Amminoacidi Isoleucina Arginina Serina

Prolina Acido Tirosina Acido Leucina glutammico glutammico

Gli amminoacidi sono legati per costruire la proteina.

finché gli introni non vengono rimosSi dopo la sintesi, l’mRNA non può esSere usato come guida per fare le proteine.

il procesSo di rimozione degli introni è chiamato splicing.

lo splicing avViene grazie alL’aiuto di alcuni enzimi che si chiamano spliceosomi. oh! oh cielo!

154 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

il Rimescolamento degli esoni

Marcus, perché i geni sono spezzettati? È una cosa che si sta ancora studiando, e ci sono varie teorie a riguardo. Gli organismi primordiali, come i batteri, non hanno gli introni. Avere i geni frammentati facilita il rimescolamento, che probabilmente aiuta l’evoluzione.

Quindi i geni sono rimescolati per permettere l’evoluzione?

Immagina che un gene sia un mazzo di carte da gioco. Ora immagina che le carte dall’asso al re di picche siano un gene e che le carte dall’asso al re di cuori siano un altro gene, e che ogni carta corrisponda a un esone: il gene di cuori e quello di picche sono quindi fatti da 13 esoni l’uno. (Lo spazio fra le carte è riempito di introni.) Durante l’evoluzione, il 4, 5 e 6 di picche possono essere sostituiti con il 4, 5 e 6 di cuori.

K Q Cuori J 10 9 8 7 6 5 4 3 2 A

A

K Q Picche J 10 9 8 7 6 5 4 3 2 A

A

Sostituzione

Ogni esone è fatto da varie paia di basi. Gli introni fra le carte permettono di sostituire gli esoni senza interrompere nessuna loro sequenza. In questo modo si crea diversità fra i membri di una stessa specie.

il rimescolamento degli esoni

155

Quando avviene la sostituzione tra gli esoni di due geni, viene prodotto un nuovo gene. Nei geni umani, esistono esoni molto simili in geni completamente diversi: questo significa che quei geni, ognuno con la sua funzione specifica, sono stati prodotti mischiando gli esoni. Questo processo è chiamato rimescolamento degli esoni e si pensa abbia avuto un ruolo nell’evoluzione degli organismi viventi, diversificando i geni. Uuuuuhhhhh…

Scusa, è un po’ difficile da capire.

che cos'è l'RNA? i Caratteri dell'RNA Avete capito che l’RNA viene prodotto attraverso la trascrizione del DNA?

Sì. L’RNA è una copia del DNA, vero? Ma quindi RNA e DNA sono completamente identici? No, non lo sono. Prima tu e Ami avete notato che l’RNA è leggermente diverso dal DNA del filamento stampo.

Vero!

156 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

Filamento stampo A

C

G

G

C

C

G

T

T

A

A

A

C

G

G

C

C

G

U

U

A

A

RNA

Adesso vi spiego la differenza tra RNA e DNA. Nel capitolo 2 avete imparato che ci sono 4 caratteri per il DNA: l’adenina (A), la guanina (G), la citosina (C), e la timina (T). Avete anche imparato che un gene è un codice costituito da una sequenza di queste quattro basi (la sequenza delle basi).

Stai dicendo che l’RNA usa lo stesso codice?

La risposta è sia sì sia no.

Eh?!

Nell’RNA ci sono 4 caratteri (basi); tre di loro - A, G e C - sono gli stessi che nel DNA. Il quarto carattere è diverso: non è T (timina) come ci potremmo aspettare, ma è U (uracile).

O H 3C

O N

N

Timina (T)

H

O

N

N

H

O

Uracile (U)

i caratTeri delL’RNA 157

Perché questa è diversa?

È una cosa che si sta ancora studiando, ma la versione più accreditata è quella che vado a illustrarvi qui di seguito: Durante la replicazione del DNA, la DNA polimerasi cerca se ci sono delle mutazioni nel DNA. L’uracile (U) può essere prodotto da una mutazione della citosina (C). Se la DNA polimerasi trovasse un uracile durante il suo controllo verrebbe confusa, e non potrebbe sapere se è una citosina mutata o se è davvero un uracile. Per questo motivo potrebbero esserci delle riparazioni errate. Ah, e dunque il DNA ha sviluppato la timina (T) perché così si distingue più facilmente. Sì, ma è ancora un’ipotesi. Ci sono ancora molte cose da scoprire in biologia molecolare.

DNA e RNA utilizzano zuccheri diversi Nel capitolo 2, avete imparato che un nucleotide (un deossiribonucleotide), il materiale che forma il DNA, è fatto da acido fosforico, deossiribosio (un tipo di zucchero) e una base.

Base P

P Acido fosforico

H H O

P

H

H OH

158

H

H

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

H

Deossiribosio

L’RNA è fatto da un altro tipo di nucleotide, che si chiama ribonucleotide. È sempre fatto da un acido fosforico, uno zucchero e una base; la differenza è solo che lo zucchero non è deossiribosio, ma semplicemente ribosio.

CH2

5

C

4

H

O H

H

C3

C2

OH

H

CH2

H

5

C1

4

H

Deossiribosio (nel DNA)

C

H

H

O H

H

C3

C2

OH

OH

C1 H

Ribosio (nell’RNA)

Oltre alla differenza in una delle due basi, uracile al posto di timina, c’è anche la differenza negli zuccheri: il DNA usa il deossiribosio, l’RNA il ribosio.

Che differenza c’è tra deossiribosio e ribosio?

La differenza sta solo in un punto, sul secondo carbonio. Se questo carbonio lega solo un atomo di idrogeno è deossiribosio, se lega un gruppo idrossile (OH) allora è ribosio. È l’unica differenza, ma causa dei grossi cambiamenti nelle proprietà delle molecole di RNA e DNA.

Che tipo di cambiamenti?

La reattività dell’RNA che contiene il gruppo idrossile è molto più alta del DNA, perché l’atomo di ossigeno quando fa parte di un idrossile è più reattivo verso altri atomi.

DNA e RNA utilizZano zucCheri diversi 159

l'RNA è Flessibile Come ho detto prima, possiamo enumerare due caratteristiche che causano differenze chimiche tra le molecole di RNA e le molecole di DNA. La prima sta nelle basi, nell’uso cioè della timina (T) o dell’uracile (U); la seconda è la differenza nello zucchero del nucleotide. C'è anche un'altra cosa che contribuisce significativamente a rendere diverse le due molecole: come vi ho spiegato il DNA forma un doppio filamento, nella maggior parte dei casi l'RNA è fatto da un singolo filamento.

Il DNA ha un doppio filamento

L'RNA ha un singolo filamento

Davvero? Perché? Il doppio filamento non è più utile?

Nel caso del DNA sì. Ma per l'RNA è più vantaggioso essere a filamento singolo perché gli permette di essere flessibile invece che di essere costretto nella rigida struttura della doppia elica. In questo modo l’RNA può assumere diverse forme nella stessa molecola. Supponiamo che ci sia la sequenza di basi AGGCCC e un'altra sequenza GGGCCU in qualche punto di un singolo filamento di RNA. Visto che A e U e G e C possono appaiarsi, queste due porzioni possono formare un doppio filamento. A quel punto l’RNA assumerà la forma seguente:

160 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

AGGCCC

UCCGGG Questa sezione ha un doppio filamento all’interno della molecola

L’RNA non è semplicemente una molecola filamentosa, ma può assumere diverse forme a seconda della sequenza delle basi. Grazie a questa proprietà, può svolgere diverse funzioni oltre a quella di copia del DNA. È una cosa molto importante.

Esistono vari tipi di RNA Molte funzioni? Ad esempio?

L’RNA messaggero non è l’unico tipo di RNA esistente: l’RNA può essere anche RNA di trasferimento (tRNA) e RNA ribosomale (rRNA). Entrambi svolgono funzioni importanti quando vengono create le proteine a partire dalle informazioni copiate sull’mRNA.

L’RNA è flesSibile 161

Cavolo, sembra misterioso. Avevo già sentito parlare del DNA ma mai dell’RNA, e invece sembra che l’RNA faccia molte più cose del DNA.

Hai ragione, e lo può fare perché è più flessibile...

162 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

oh, finalmente ci siete arRivate!

...

cosa?

ormai non riesce più a sorprenderci. Stavo giusto pensando che sarebbe apParso presto. che cosa vuole?

in realtà gli scienziati pensano che l’RNA abBia ricoperto un ruolo importante sin dalL’inizio delLa vita sulLa terRa.

! eheh

be’, ecCo...

!

L’RNA è flesSibile 163

l’RNA è flesSibile grazie al fatTo che è a filamento unico, e il DNA è stabile grazie al suo esSere un filamento dopPio.

non è facile decidere cosa è meglio, ma io penso che l’RNA abBia magGiori posSibilità.

imparare non vuol dire infilare informazioni nelLa vostra testa. dovete pensarci poi per conto vostro e ampliare le vostre vedute!

statemi a sentire voi due!

gulp

Quindi per capire basta guardare l’RNA.

ufF, è stato velocisSimo.

esatTo! ci vediamo.

164 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

flesSibile come l’RNA.

RNA di trasferimento

i ribosomi: il mecCanismo di sintesi delLe proteine. replicazione

e adesSo andiamo a vedere l’ultimo pasSagGio delLa sintesi delLe proteine, la traduzione.

DNA

trascrizione RNA traduzione proteina

che cos’era?

siamo dentro la celLula. dopo che le basi degli introni sono state rimosSe, l’mRNA esce dal nucleo e

G

N A B

ribosomi

mRNA inizia a muoversi verso numerosi ribosomi, che sono fuori dalLa membrana nucleare e atTacCati al reticolo endoplasmatico.

un ribosoma è un grosSo complesSo di rRNA e proteine ribosomali.

Subunità grande

Subunità piccola la combinazione delLa subunità picCola e di quelLa grande forma lo spazio ideale per il procesSo di traduzione delLe proteine. ma prima di tutTo, come si asSemblano queste subunità?

i ribosomi: il mecCanismo di sintesi delLe proteine

165

in questo momento, la subunità grande non è presente sul ribosoma. il tRNA atTacCato al primo amMinoacido (Metionina) è installato sul ribosoma.

guardate. l’mRNA si sta avVicinando al ribosoma. Metionina

L’mRNA si sta avvicinando

Subunità piccola del ribosoma

tRNA

mRNA U U C G C G A

U

A C

a questo punto il ribosoma non è ancora pronto. si chiama complesso di pre-inizio.

l’mRNA e il ribosoma si sono combinati!

Il complesso di pre-inizio scivola sul mRNA.

U A C

U A C

Si ferma scivolando fino a che l’rRNA riconosce il codone di inizio (AUG) per la Metionina mRNA

U U C G C G A U G C U A G C U C A U A

mRNA

Codone di inizio

U U C G C G A U G C U A C

Subunità grande

La subunità grande si avvicina alla subunità piccola.

U A C

U U C G C G A U G C U A G C U C

la copia delL’informazione genetica inizia in quel punto. La subunità grande si lega alla piccola per completare il ribosoma (il complesso di sintesi proteica) e per iniziare la sintesi proteica (traduzione)

Ribosoma

U A C

mRNA

U U C G C G A U G C U A G C U C A U A

Subunità piccola da qui l’informazione genetica sulL’mRNA viene usata per la nuova proteina.

166

capitolo 4 come è fatTa una proteina?

gli amMinoacidi sono legati uno a uno come specificato nel codice...

...per fare una catena di amMinoacidi

Amminoacidi

tRNA

Catena di amminoacidi Ciaociao!

G A U

A U G

U A C

G C U C A U G G C U A C C U A A C G A U

U U C G C G A U G C U A G C U C A U A

il mecCanismo del codice genetico

come sapete il codice che scrive l’mRNA è formato dalLa combinazione di 4 basi: A, C, G e U.

ogni sezione di tre caratTeri fatTi dalLe basi A, C, G e U rapPresenta il codice per un singolo amMinoacido.

A

U G

G

Tre caratteri

C

U

A

mRNA

Un singolo amminoacido

ma che vuol dire?

quando, ad esempio, una sequenza sulL’mRNA dice AUgGCUCAUAGC,

...la sequenza è tradotTa di tre in tre basi, e la catena di amMinoacidi sarà composta di Metionina Alanina - istidina - Serina.

Basi

Basi

Basi

Basi

A U G G C U C A U A G C

Metionina (inizio)

Alanina

Istidina

Serina

il mecCanismo del codice genetico 167

questo sucCede perché AUG, GCU, CAU e AGC sono i codici per Metionina, Alanina, istidina e Serina, rispetTivamente.

questi codici di tre caratTeri sono chiamati codoni.

capisco.

visto che esiste un codone per ognuno dei 20 amMinoacidi...

Metionina (inizio) Alanina istidina Serina

la tabelLa seguente elenca i codoni che corrispondono a ciascun amMinoacido.

168 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

...i codici delL’mRNA sono tradotTi esatTamente nei corRispondenti amMinoacidi. si chiama codice genetico.

Secondo carattere Primo carattere

U

C

A

G

C

U

A

G

Terzo carattere

(UUU) Fenilalanina

(UCU) Serina

(UAU) Tirosina

(UGU) Cisteina

U

(UUC) Fenilalanina

(UCC) Serina

(UAC) Tirosina

(UGC) Cisteina

C

(UUA) Leucina

(UCA) Serina

(UAA) Codone di stop

(UGA) Codone di stop

A

(UUG) Leucina

(UCG) Serina

(UAG) Codone di stop

(UGG) Triptofano

G

(CUU) Leucina

(CCU) Prolina

(CAU) Istidina

(CGU) Arginina

U

(CUC) Leucina

(CCC) Prolina

(CAC) Istidina

(CGC) Arginina

C

(CUA) Leucina

(CCA) Prolina

(CAA) Glutammina

(CGA) Arginina

A

(CUG) Leucina

(CCG) Prolina

(CAG) Glutammina

(CGG) Arginina

G

(AUU) Isoleucina

(ACU) Treonina

(AAU) Asparagina

(AGU) Serina

U

(AUC) Isoleucina

(ACC) Treonina

(AAC) Asparagina

(AGC) Serina

C

(AUA) Isoleucina

(ACA) Treonina

(AAA) Lisina

(AGA) Arginina

A

(AUG) Metionina (codone di inizio)

(ACG) Treonina

(AAG) Lisina

(AGG) Arginina

G

(GUU) Valina

(GCU) Alanina

(GAU) Acido aspartico

(GGU) Glicina

U

(GUC) Valina

(GCC) Alanina

(GAC) Acido aspartico

(GGC) Glicina

C

(GUA) Valina

(GCA) Alanina

(GAA) Acido glutammico

(GGA) Glicina

A

(GUG) Valina

(GCG) Alanina

(GAG) Acido glutammico

(GGG) Glicina

G

adDiritTura 6 tipi sono usati per la Leucina e per l’Arginina! quindi i due codoni uUC e uUU codificano per la fenilalanina?

siete molto atTente. quasi tutTi gli amMinoacidi sono codificati da più codoni.

il mecCanismo del codice genetico 169

il tRNA trasferisce gli amMinoacidi

il TRNA che trasferisce ogni tipo di amMinoacido è predeterminato. ad esempio,

i 20 amMinoacidi arRivano al ribosoma atTacCati al tRNA

tieni!

come dice il nome stesSo il tRNA trasferisce gli amMinoacidi.

Ribosoma Metionina Alanina tRNA

mRNA

Istidina G

G

C

U

U A

A

G

C

Codone di inizio

C

C

a una estremità del tRNA che è legato alLa Metionina, esiste una sequenza CAU che può esSere apPaiata al codone AUG, che rapPresenta la Metionina.

170 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

G

U

I

C

U

G

G

U

A

C

A

G

G

C

U

Codone di stop U

A

A

Le tre basi sul tRNA che possono essere appaiate al codone costituiscono l’anticodone.

Alanina

Ad esempio, ogni tRNA che è legato all’amminoacido Alanina ha la sequenza

tRNA

(o anticodone) IGC che può essere

Ribosoma

appaiato con GCU, il codone per l’Alanina sull’mRNA. A volte la prima base di un anticodone è sostituita

C

G

G C

I

U

Anticodone Codone

mRNA

da una nuova base, I, per Inosina. Per “a volte” intendi dire che è un sostituto per un’altra base?

Be’, l’inosina è una base speciale che può essere appaiata a 2 o 3 tipi di basi. La forza con cui la terza base di un codone si appaia alla prima base dell’anticodone è debole. Quindi questa base può appaiarsi a basi diverse: si chiama appaiamento vacillante delle basi.

È tipo il jolly in un mazzo di carte.

Sì, circa.

il tRNA trasferisce gli amMinoacidi 171

ACC

osServiamo da vicino la strutTura del tRNA.

Sito di attacco degli amminoacidi

Sito di attacco dei ribosomi G A A

Anticodone la figura a destra mostra la vera strutTura in tre dimensioni.

la figura a sinistra mostra come il tRNA si ripiega grazie agli apPaiamenti delLe basi alL’interno delLa molecola.

è uno dei vantagGi delL’rna: è flesSibile e cambia facilmente forma.

wow, che strutTura complesSa.

marcus guardami!

già.

E ora...

esatTo!!

torniamo al punto dove la lunga catena di amMinoacidi è stata completata.

La catena di amminoacidi Fattore di rilascio A U G G C U C A U A G C U A C U A A C G A U C

gli amMinoacidi sono legati l’un l’altro grazie al rRNA Codone di stop contenuto nel ribosoma.

172 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

la catena di amMinoacidi è completata. quindi la proteina è stata finalmente creata?

non ancora. manca ancora un pasSagGio per il completamento delLa proteina.

questo mesSagGio si chiama codone di stop, può esSere o UaA, UAG o UGA. nesSuno di questi tre codoni codifica per amMinoacidi.

un ultimo mesSagGio si trova alLa fine delL’mRNA: la sintesi delLa proteina è completa!

La catena di amminoacidi Fattore di rilascio A U G G C U C A U A G C U A C U A A C G A U C

Codone di stop

cosa sucCede quando il codone di stop entra nel ribosoma?

il fatTore di rilascio si lega al codone di stop e la sintesi delLa proteina finisce.

la catena di amMinoacidi viene rilasciata dal ribosoma.

il tRNA trasferisce gli amMinoacidi 173

la proteina è completa

poco dopo esSer stata rilasciata dal ribosoma, la proteina si ripiega in una forma predeterminata. visto che la forma dipende dalL’ordine degli amMinoacidi sulLa catena, si ripiega praticamente automaticamente* a formare la proteina.

finalmente finita!

era ora!

sìì! la costruzione delLa proteina è completa!

a-ha! yeeeeee!

le proteine si dividono principalmente in quelLe che lavorano dentro la celLula e quelLe che vanNo fuori. braveEeE!

quelLe che lavorano dentro la celLula si ripiegano nelLa loro forma. alcune iniziano a lavorare subito, altre devono prima esSere trasferite nel posto giusto alL’interno delLa celLula.

!

o ohoO

w

Calme...

suUuUper!

le proteine che lavorano fuori dalLa celLula vengono decorate, ad esempio con degli zucCheri, in alcuni organelLi, tipo il reticolo endoplasmatico e l’apParato di Golgi. infine vengono mandate fuori dalLa celLula.

174 capitolo 4 come è fatTa una proteina?

meEeEga!

...almeno lasciatemi finire! *per esSere esatTi non si ripiegano automaticamente, ma hanNo bisogno delL’aiuto di altre proteine.

5 ricerca e tecnologie genetiche

Che cosa sono le tecniche del DNA ricombinante?

le tecniche del DNA ricombinante completeranNo il nostro percorso di studio sulLe basi delLa biologia molecolare.

domani avrete la vostra ultima lezione di recupero e poi il dottor moro chiuderà con i ringraziamenti.

l'ultimo giorno! finalmente incontreremo il dotTore.

mah, sinceramente io preferisco te al dotTore, marcus.

ahahah! avete fatTo un buon lavoro ogGi.

grazie tante.

176 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

ah, mi stavo per dimenticare. sulLa lezione del dotTor moro di domani...

non arRivate in ritardo.

?!

imMagino dovremo alzarci presto, quindi?

eh, credo di sì...

che cosa sono le tecniche del dna ricombinante? 177

L’ultimo giorno di lezione

oh!

Ho trovato delle stelLe nelLa sabBia.

BelLo, delle stelLe di sabBia!

Che cosa?

davVero? Quindi alL'inizio vivevano nel mare.

Marcus mi ha detTo che queste stelLe sono i gusci di alcuni protozoi chiamati foraminiferi.

Rin, cosa pensi che sia la vita?

Ma adesSo sono morti.

178 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Eh, me lo stavo chiedendo anch'io.

l mare rdio de

sciabo

ehi ami! sei cambiata.

anche tu, rin.

cosa è succesSo? dov'è marcus?

sala da pranzo nzio

sile

ci ha detTo di non arRivare tardi, ma lui non c'è!

che cosa sono le tecniche del dna ricombinante? 179

zione, la cola o it in f rrato. o avete Quand e nel seminte it ven s Marcu

Nel seminterRato c’è il laboratorio del dotTor moro.

?!

fa un po' paura.

è buio pesto.

marcus, dove sei?

dotTor moro! c'è qualcuno?

rin, dove stai andando?

dentro, ci han detto così...

180 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

cosa stai facendo??

aAaAh un fantasma!!

ah ah ah!

sedetevi, sfaticate!

ce l'ha fatTa di nuovo!

quel monitor è così grosSo...

dotTor moro!

manipolare il DNA il tema delLa lezione di ogGi è "come può la biologia molecolare esSere utile alLa società?"

ma come mai è ancora in realtà virtuale? ci aspetTavamo di incontrarla di persona.

dotTor moro, dov'è marcus?

manipolare il DNA

181

marcus mi sta aiutando con la mia ricerca.

poveracCio

va bene.

presto presto! fiuU

vi ragGiungerà fra poco.

vi ricordate quando alL'inizio delLe vostre lezioni di recupero vi ho detTo che alcune malatTie sono causate da deformazioni nelLe molecole del nostro corpo e nelLe nostre celLule...

fatemi continuare.

...e che sono la conseguenza del malfunzionamento di queste celLule?

sìsSignore! me lo ricordo!

quindi studiando biologia molecolare si posSono individuare le cause delLe malatTie e scoprire il tratTamento per loro, giusto?

anormalità o mancanza di una proteina

esatTamente. svilupPo di una malatTia

182 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

esistono molte malatTie causate dalLa mancanza o dal malfunzionamento delLe proteine.

per questo studiare le istruzioni per le proteine e cambiarle artificialmente può...

...determinare le cause che provocano le malattie e trovare dei tratTamenti per curarle.

ma per istruzioni per le proteine intende i geni?

studiare e cambiare i geni... e come si fa?

perfezionamento degli alLevamenti e tecniche del DNA ricombinante è quelLo che vi spiegherò ogGi.

imMaginatevi come sarebBero infastiditi i contadini se le loro piante morisSero prima di esSere racColte, a causa di insetTi nocivi ...

...e come sarebBero delusi i consumatori se le verdure che hanNo comprato non fossero saporite.

gli esSeri umani hanNo condotTo delLe ricerche per migliorare le coltivazioni in modo da otTenere un racColto più saporito, più resistente e di facile crescita. Questi studi però richiedono un sacCo di tempo.

perfezionamento degli alLevamenti e tecniche del DNA ricombinante 183

miglioramenti nelLe colture dovuti a ibridazione Ibridazione

* Dolce * Suscettibile a malattie e agli attacchi di insetti

S * Dolce * Suscettibile a malattie e agli attacchi di insetti

DNA ricombinante

* Non dolce * Resistente a malattie e agli attacchi di insetti S

Estrazione dei geni da un pomodoro resistente alle malattie

S * Abbastanza dolce * Poco dolce * Non dolce * Suscettibile * Suscettibile * Resistente agli attacchi

agli attacchi

agli attacchi

* Dolce

* Suscettibile agli attacchi

Il gene viene direttamente inserito nella cellula

Le caratteristiche dei pomodori prodotti con l'ibridazione sono molte. Incrociare vuol dire selezionare ripetutamente pomodori dolci e pomodori resistenti alle malattie.

Cellula

Seleziona e incrocia Le cellule si moltiplicano

Seleziona e incrocia

Crescita.

S

Nascita del pomodoro dolce e resistente alle malattie!

S

ecCo! le tecniche del DNA ricombinante eliminano le ore di fatica richieste per incrociare ripetutamente le specie per migliorare il prodotTo.

Nascita del pomodoro dolce e resistente alle malattie!

e queste tecnologie ci permetTono di crescere verdure con proprietà specifiche agGiunte, come la resistenza a insetTi nocivi. S S

e la resistenza alLe malatTie.

184

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

pensate alLa proteina chiamata insulina*, che è usata come tratTamento per il diabete a causa delLa sua capacità di abBasSare i livelli di zucChero nel sangue. inizialmente questa proteina veniva estratTa dagli organi interni degli animali, per cui non potevamo produrne in grandi quantità ed inietTarle in maniera sicura nelL'uomo.

zie!

gra

gene delL'insulina umana

vetTore (descritTo più tardi)

yeE!

gene delL'insulina umana

insulina umana

produzione masSicCia di insulina umana a carico di e.coli

trasdotTo dentro e.coli

ma le tecniche del DNA ricombinante hanNo permesSo agli scienziati di produrRe quantità ingenti di insulina per tratTare il diabete, facendo trasdurRe il gene delL'insulina da escherichia coli (e.coli). * più propriamente, l’insulina è un ormone peptidico.

cosa vuol dire trasdurRe?

e cosa è il DNA ricombinante?

perfezionamento degli alLevamenti e tecniche del DNA ricombinante 185

...ve lo spiegherò usando come esempio la grosSa produzione di proteina A attraverso la trasduzione del gene A in e.coli

cosa è il DNA ricombinante...

gene a

trasduzione

proteina A e.coli

en passant, qui trovate una panoramica delLe tecniche del DNA ricombinante. Passaggio 1: amplificazione di un gene target Il gene di cui vogliamo estrarre la proteina è trovato e amplificato. Passaggio 2: DNA ricombinante (taglia e incolla) Il gene amplificato viene tagliato e inserito nel nuovo DNA. Passaggio 3: trasduzione e clonaggio Il DNA ricombinato con successo è isolato e clonato.

comunque, dal momento che qui vi spiegherò solo le basi...

aha.

186 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

...dovete capire che vengono usati procesSi più complesSi per produrRe DNA ricombinante

un esempio di tecnica del DNA ricombinante. passaggio 1: il gene target viene moltiplicato

L’ampiezza di una molecola di DNA a doppia elica è di circa 2 nanometri (nm). Un nanometro è un miliardesimo di metro (un milionesimo di mm). Il DNA, di cui sono fatti i geni, è così piccolo che non lo possiamo vedere con i nostri occhi.

Amminoacido DNA

Virus

1

10

100

Batterio

1000 [nm]

Come sapete, è molto difficile maneggiare oggetti invisibili; quindi, come possiamo renderli visibili? All'inizio di queste lezioni abbiamo parlato dell'acqua: non possiamo vederne le singole molecole, però quando un gran numero di molecole si raggruppa, vediamo un liquido che riconosciamo come “acqua”. Questa cosa è vera anche per il DNA: se non possiamo vedere un singolo filamento di DNA, perché non moltiplicarlo fino a farlo diventare visibile? Una delle tecnologie usate a questo scopo è la PCR (dall’inglese polymerase chain reaction). La PCR è un processo che permette agli scienziati di moltiplicare uno specifico gene in un campione di DNA. Usando questa tecnologia possiamo, per esempio, fare milioni di copie di un gene e purificare il DNA di quel gene soltanto, o rilevare la presenza del gene in un campione. Per avere più informazioni sulla PCR e come funziona, v. pagina 203.

Gene A

DNA

Amplificazione del solo gene A attraverso la PCR

Amplificazione dei geni

un esempio di tecnica del DNA ricombinante 187

Al giorno d’oggi i ricercatori possono ottenere i geni di un grande numero di animali e piante (anche di esseri umani!) usando un database che si chiama biblioteca del cDNA. I geni sono dissolti in poca soluzione, che contiene i cDNA del gene A. La PCR funziona usando un RNA primer, un insieme di enzimi e un gruppo di nucleotidi per fare molte copie (amplificare) il gene A; la PCR lavora in maniera diversa dalla cellula nei processi replicazione del DNA, ma usa più o meno gli stessi elementi.

cDNA (Viene ottenuto convertendo l'mRNA in DNA. Anche se l'originale contiene introni, il cDNA contiene solamente esoni)

Biblioteca dei cDNA DNA circolare

Passaggio 2: DNA ricombinante (taglia e incolla)

Esiste un altro tipo di tecnologia per inserire e amplificare il gene A in un nuovo filamento di DNA. Questo processo sta alla base di tutte le tecniche del DNA ricombinante. Il suo principio di base è il taglia e incolla. È simile al famoso comando del computer che si usa per trasferire una parola o una frase in un altro punto del testo. All'inizio, si taglia il gene A dal resto del DNA usando un enzima chiamato enzima di restrizione. Quando il gene A viene estratto, rimane una piccola sporgenza, o area sovrapponibile, da ogni lato. Ma che cosa si intende esattamente con “sovrapponibile”? Gli enzimi di restrizione sono come delle forbici, che tagliano i filamenti di DNA in una certa sequenza di basi. Per esempio, un enzima di restrizione chiamato EcoRI taglia solo le porzioni in cui la sequenza è GAATTC. Guarda attentamente la figura sotto, e noterai che la sequenza sul filamento opposto letta al contrario è sempre GAATTC. EcoRI taglia questa porzione in una maniera a zig zag, lasciando la sequenza AATT senza appaiamenti, creando la suddetta sporgenza, a volte chiamata estremità appiccicosa.

TACCGAATTCGAA

T A C C G Sporgenza

ATGGCTTAAGCTT

A T G G CTTAA

La stessa sequenza

EcoRI

AAT TC G A A G C T T

EcoRI

Taglio

Una cosa buona della PCR è che, quando si vuole amplificare il gene A, si può semplicemente aggiungere a entrambe le estremità del gene la sequenza di DNA riconosciuta dall'enzima di restrizione. Quando il gene A viene amplificato, la sequenza viene copiata insieme al gene A (per dettagli, vedi pag 203)

188 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Usando lo stesso enzima di restrizione, questa tecnologia taglia sia le due estremità del gene A sia il DNA della cellula bersaglio, lasciando la stessa area sovrapponibile in ciascun pezzo. In questa maniera, puoi incollare il gene A al DNA della cellula bersaglio. Quindi, dopo la PCR, si mescolano i due tipi di DNA (il gene e il DNA di destinazione), e si legano le sporgenze con un enzima che si chiama DNA ligasi. Il processo è ora concluso. Passaggio 3: trasduzione e clonaggio

Sporgenza

+ Gene

Sporgenza

=

Attacco

DNA di destinazione

Ho usato la parola DNA di destinazione molte volte. Perché dobbiamo inserire il gene A in un altro DNA? Per inserire un gene dentro un organismo vivente e fare in modo che esso implementi anche le sue funzioni (cioè esprima il gene), bisogna prima inserirlo in un trasportatore, fatto di DNA, usando il processo di taglia e incolla spiegato prima. Questo trasportatore si chiama vettore, ed è fatto di DNA circolare derivato da un tipo di DNA chiamato plasmide, di provenienza batterica (come E. coli). I ricercatori hanno modificato i plasmidi e hanno sviluppato vari vettori utili a diversi scopi (alcuni sono stati prodotti a partire da virus). I plasmidi si replicano autonomamente all'interno della cellula. Per questo, trasducendo un vettore con il gene A derivato da un plasmide dentro un batterio tipo Escherichia coli (E. coli) - che in laboratorio si moltiplica facilmente - se ne possono creare un gran numero. Esistono tantissimi metodi di trasduzione, tipo il metodo da shock elettrico. La localizzazione per l'inserimento del gene è predeterminata

E. coli

Gene A Vettore

Taglia e incolla

Trasduzione

Moltiplicazione

un esempio di tecnica del DNA ricombinante 189

Dopo che il batterio è stato moltiplicato molte volte, la purificazione del DNA ci permette di ottenere un numero elevato di copie del plasmide (che si chiamano cloni) che contengono il gene A. Il processo è chiamato clonazione.

Estrazione dei DNA singoli

E. coli è usato per la moltiplicazione

Gene A E. coli

Produzione di tanti DNA circolari

Si vedono le colonie derivate da singoli E. coli

Spargere sulla piastra

E. coli La piastra di Agar è stata appositamente preparata per far crescere solo E. coli, in cui è stato inserito il gene A Il gene A è adesso disponibile

Le cellule di una colonia sono prese una per una e coltivate Purificazione del DNA

Possiamo ottenere tantissime proteine A facendo crescere sempre più E. coli contenenti il gene A trasdotto. In questo caso è stato costruito un vettore che fa prosperare E. coli e gli fa trascrivere molte volte il gene A in presenza di alcune specifiche condizioni, ad esempio in presenza di un certo antibiotico presente nella soluzione di coltura.

190

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Coltivazione di massa

+ Sintesi proteica

Aumenta il numero di E. coli

Si ottiene la proteina A

Al momento, è possibile costruire proteine non solo dai batteri come E. coli, ma anche da altri tipi di cellule, ad esempio le cellule degli insetti e quelle dei mammiferi. Sono stati sviluppati vettori adatti a ciascuna di esse.

Metodi per individuare e isolare il DNA Abbiamo imparato che i cromosomi, quando condensano, diventano visibili al microscopio, ma quando stiamo lavorando con un solo gene, come possiamo vederlo? Possiamo visualizzare i prodotti della PCR, o di qualsiasi altra miscela di DNA, tramite un processo che si chiama elettroforesi su gel. Questo processo utilizza molte delle proprietà del DNA per separare, purificare e visualizzare il DNA che abbiamo isolato e sintetizzato (con la PCR) nel laboratorio. Una soluzione che contiene una miscela di DNA è fatta colare in alcuni buchi (pozzi) di una piastra in agarosio. L'agarosio è una sostanza fatta di pezzi di proteine che si comportano come una rete. Quando si fa circolare della corrente elettrica attraverso la piastra, i frammenti di DNA si muovono nell'agarosio a seconda della loro dimensione. I pezzi più lunghi di DNA rimangono incastrati nella rete dell'agarosio e migrano più lentamente di quelli più piccoli. Perché usiamo corrente elettrica? Perché la catena fatta da zuccheri e fosfati del DNA è carica negativamente; quando viene applicata la corrente, la carica negativa viene attratta dal polo positivo. A quel punto possiamo usare dei prodotti chimici per visualizzare il DNA. Alcune molecole possono legarsi alle basi azotate del DNA. Grazie alla loro struttura chimica queste molecole diventano fluorescenti se esposte a luce ultravioletta e dunque aggiungendo molecole chimiche come il bromuro di etidio possiamo vedere il DNA. L'elettroforesi ci permette quindi sia di separare il DNA sia di vederlo. Se la PCR è stata fatta per un gene specifico, è possibile estrarre le bande di DNA dal gel che corrispondono al DNA che si sta cercando (cioè della stessa lunghezza del gene). Un campione purificato di DNA può essere ottenuto dissolvendo l'agarosio, estraendo il DNA grazie all’uso di alcol e pulendo a fondo il campione. In questa maniera si può ottenere molto DNA purificato (cioè che non contiene altri filamenti di DNA con una diversa sequenza di paia di basi o lunghezza) che può essere usato per altri scopi, come la produzione di DNA ricombinante.

Metodi per individuare e isolare il DNA 191

DNA

Negativo

L’agarosio viene dissolto

Viene applicata della corrente Gel di agarosio

I frammenti di DNA si separano in molti gruppi

Il frammento specifico viene isolato

Il DNA che si stava cercando viene purificato

Positivo

Animali transgenici (topi knockout) Le tecniche del DNA ricombinante possono essere usate per migliorare le coltivazioni o per la produzione intensiva a scopi medicinali, ma i suoi usi non finiscono qui. Prima di tutto, contribuiscono allo studio della biologia molecolare, ad esempio trasducendo un certo gene in una coltura cellulare e vedendo cosa succede, cioè come cambiano le cellule. Possiamo determinare le proprietà di una proteina basandoci sul gene?

Esatto! Le tecniche del DNA ricombinante ci permettono di scoprire la (o le) funzioni di una particolare proteina. Anzi, con tecniche leggermente più sofisticate, puoi anche studiare come funzionano le cellule in mancanza di un gene per capire ancora meglio a cosa serve la relativa proteina nella cellula. Queste metodologie non si limitano alle cellule in coltura, possono anche essere usate per creare animali transgenici. Un animale è detto transgenico quando al suo genoma manca o è stato aggiunto un determinato gene. Sono estremamente utili per capire qual è il ruolo di un certo gene nei processi di crescita o di sviluppo delle malattie in un organismo intero (i topi sono gli animali più utilizzati ma si usano anche i moscerini della frutta, i conigli, i pesci zebra, i lieviti e le piante di mostarda).

192

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Sviluppo Cellule in uno stadio precoce dello sviluppo Gene con una mutazione aggiunta

Permette di creare un animale che possiede tutte le cellule ricombinanti.

Usando la trasduzione genica in cellule animali quando sono ancora in uno stadio precoce dello sviluppo, possiamo incorporare un nuovo gene in alcune - ma non in tutte - cellule dell'animale che si sta sviluppando. Questo processo rende l'animale un mosaico, cioè formato da un genoma misto. Se fai accoppiare la prole di un topo mosaico (alcune cellule uovo e alcuni spermatozoi avranno il nuovo gene, detto transgene) puoi creare degli animali che hanno il transgene incorporato nel loro DNA, cioè ogni loro cellula esprimerà quel nuovo gene. Trasducendo un gene dentro una cellula ES mutata, o una sequenza genica che disattiva un altro gene (presente nel genoma del topo), si può creare un animale transgenico che non possiede un certo gene (e quindi nemmeno la relativa proteina), chiamato topo knockout.

Cosa è una cellula ES?

Cellula ES sta per Cellula Staminale Embrionale. È un tipo di cellula molto speciale, che viene estratta da un embrione prima che inizi la specializzazione cellulare nei diversi tessuti. Le cellule staminali hanno la capacità di svilupparsi in qualsiasi cellula di qualsiasi tessuto del corpo, e per questo sono dette totipotenti. Se aggiungi o togli un gene da una cellula embrionale staminale e poi la reintroduci nell'embrione, il topo diventerà un mosaico.

Animali transgenici (topi knockout) 193

Topo knockout

Il confronto ci permette di capire la funzione del gene modificato che è stato inserito.

Topo normale

Raggi ultravioletti Ad esempio, se esponendo il topo knockout ai raggi ultravioletti vediamo che diventa particolarmente predisposto al cancro, possiamo dire che il gene in questione ha la funzione di prevenire lo sviluppo del cancro quando si è esposti ai raggi ultravioletti. Topo knockout

I topi knockout sono particolarmente utili. Possiamo determinare la funzione originaria del gene studiando le differenze tra i topi normali e quelli knockout: ad esempio, se esponendo il topo knockout ai raggi ultravioletti questo sviluppa il cancro alla pelle più facilmente rispetto ai topi normali (wild type), possiamo dire che il gene in questione ha la funzione di prevenire lo sviluppo del cancro alla pelle causato dai raggi ultravioletti. Ovviamente serviranno altri studi per capire come questo gene previene il cancro alla pelle. Nel 2007 il premio Nobel per la Medicina fu dato a tre scienziati che inventarono il metodo per produrre topi knockout a partire dalle cellule staminali embrionali.

194 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Topo normale

Blastocisti (3 o 4 giorni dopo il concepimento)

Una cellula proveniente dalla massa cellulare interna viene isolata e coltivata Cellula ES Gene bersaglio per il knockout

Blastocisti

Vettore di trasduzione

Impiantato nell'utero Parto

Coltivare le cellule ES in un mezzo che contiene neomicina (o un altro antibiotico tossico) ci assicura che sopravvivano e crescano solo le cellule che contengono la resistenza alla neomicina (e dunque anche quelle col gene knockout).

Inserire un gene che induce la resistenza alla neomicina nel gene target, lo rende incapace di costruire una proteina funzionante (questo processo è detto knockout genico)

Incrocio Il topo mosaico viene fatto accoppiare con il topo normale

Topo normale

Topo mosaico (chimera)

Topo A

Topo B

Topo C

Topo D

I topi A e D vengono fatti accoppiare

È nato un topo knockout! La nascita di un topo knockout (a partire da una cellula staminale embrionale).

Animali transgenici (topi knockout)

195

Medicina personalizzata e terapia genica: la genetica sarà il futuro della prevenzione delle malattie? Avete mai sentito parlare della sindrome metabolica?

Sì, ce l'ha mio padre. Aspetta un attimo, stai dicendo che tuo padre ha questa malattia solo perché è grosso di torace? Non è abbastanza.

Davvero? Come mai?

La sindrome metabolica avviene quando qualcuno affetto da obesità sviluppa due o più dei seguenti problemi: alti livelli di zucchero nel sangue, pressione alta o dislipidemia. Queste due ultime condizioni sono dette malattie dipendenti dallo stile di vita perché si pensa dipendano dallo stile di vita quotidiano, tipo le abitudini alimentari e l'esercizio fisico. Possono portare a vari problemi come il diabete, infarti cardiaci, infarti al cervello e cancro dell'intestino crasso, tutte malattie potenzialmente letali. Suppongo derivino da poco esercizio o dal mangiare eccessivo.

Vero, ma ci sono prove che alcune di queste malattie solitamente dipendenti dallo stile di vita siano causate anche da fattori genetici. Fattori genetici?

Grazie a degli studi epidemiologici che si occupano di studiare le modalità d'insorgenza, di diffusione e di frequenza delle malattie nella popolazione, si è visto che le mutazioni di alcuni geni predispongono le persone a sviluppare questo genere di malattie anche indipendentemente dalla loro dieta e dal loro allenamento.

196

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Ok, quindi le malattie tipo la sindrome metabolica non dipendono solo dallo stile di vita.

Esatto. E generalmente il cambiamento nel gene riguarda semplicemente una base del DNA che viene sostituita da un'altra. La cosa interessante è che le proteine funzionano quasi nella stessa maniera, ma un cambiamento anche minimo nella struttura può cambiare il funzionamento in maniera molto lieve. È dimostrato che queste piccole modifiche, nel corso della vita, possono aumentare il rischio di infarto o di contrarre alcuni tipi di cancro.

A

G

G

T

T

C

G

A

T

G

C

Predisposizione a sviluppare una certa malattia.

A

G

G

T

T

C

G

G

T

G

C

C'è stato solo il cambiamento da A a G Nota: questo diagramma è esemplificativo, ma non indica che questa sequenza di basi predisponga allo sviluppo di una specifica malattia.

Grazie a studi recenti, sono aumentate le nostre conoscenze su come i geni possano contribuire a sviluppare una malattia. In futuro, potremmo essere capaci di sequenziare i nostri genomi per poter vedere le malattie per cui siamo predisposti. I medici chiamano questo processo medicina personalizzata, perché il trattamento medico viene fatto appositamente basandosi sul genoma specifico e sul rischio di contrarre una malattia. Oddio, sapere per quali malattie sono predisposta mi manderebbe in paranoia. Preferirei non saperlo.

Io vorrei saperlo invece! A quel punto potrei prendere le contromisure.

Medicina personalizZata e terapia genica 197

Che contromisure?

Ma che ne so, tipo prepararmi psicologicamente.

Oltre a prepararti psicologicamente, avresti la possibilità di cambiare il tuo stile di vita. Sapendo prima quali sono le malattie per cui sei a rischio, puoi personalizzare la tua dieta, quanto esercizio fisico devi fare, e quali attività possono ritardare l'avvento di malattie prevenibili. Probabilmente la medicina preventiva un giorno sarà la pietra miliare di un sistema sanitario basato sulla prevenzione. Sì ecco, cambiare la mia dieta e fare più esercizio, era quello che volevo dire!

Sì, ha senso...

Terapia genica

C'è anche un'altra frontiera della medicina moderna che dovete conoscere. Si chiama terapia genica. Ne ho sentito parlare, probabilmente al telegiornale.

Che genere di trattamento è?

Fate conto che nasca un bambino con un'anomalia in un gene e che quello sia un gene vitale. Con una malattia genetica di questa entità il bambino potrebbe morire alla nascita o subito dopo. Per salvare delle vite umane con malattie genetiche molto gravi, la medicina contemporanea cerca di usare la terapia genica. Vengono introdotti dei geni normali, sani, in vettori specializzati che vengono poi trasdotti in alcune cellule della persona malata. Usando questo metodo, la versione normale del gene viene reintrodotta nel corpo, in modo che le cellule possano produrre una versione buona e perfettamente funzionante della proteina anomala.

198

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Inserimento del gene normale La terapia genica fu usata per la prima volta con successo per curare una malattia chiamata deficit di adenosina deaminasi. Le persone con questa malattia sono prive del gene ADA, la cui proteina ADA è usata nel metabolismo degli acidi nucleici (DNA e RNA). Il trattamento iniettava il gene ADA normale nel paziente malato per fargli riacquistare la capacità di per fargli riacquistare la capacità di sintetizzare correttamente la proteina, curando la malattia.

Cellula incapace di produrre ADA Viene prelevato un gruppo di cellule del paziente

Viene incorporato il gene normale in un vettore

Il vettore viene trasdotto nelle singole cellule

Paziente con deficit di adenosina deaminasi (ADA)

Le cellule con il gene funzionante vengono coltivate per farle moltiplicare

Le cellule vengono inoculate nel paziente La cellula è ora capace di produrre ADA

Medicina personalizZata e terapia genica 199

Insomma è un sogno diventato realtà per le persone con malattie genetiche.

Purtroppo non è così facile.

Perché no?

A livello tecnico la terapia genica è molto difficile, può rivelarsi rischiosa e al giorno d'oggi ancora in fase di sperimentazione. Le malattie genetiche che rispondono bene a questo trattamento (tipo ADA) sono poche. Quando è stata applicata su pazienti affetti da tumori al cervello o cancro al seno, non sempre è andata bene. In più ci sono molte complicazioni etiche che hanno impedito alla terapia genica di diventare di uso comune. Esistono restrizioni su come si può trattare il materiale genetico e in quali tessuti si possono inserire i geni nuovi, mentre altre considerazioni etiche riguardano l’applicazione di queste sperimentazioni sui bambini.

Genitore

Gli effetti del trattamento di terapia genica condotto in cellule riproduttive non sono limitati al paziente, ma possono essere ereditati dai figli. Bambino

Siccome lo sviluppo della terapia genica necessita di molti finanziamenti e ricercatori, il suo utilizzo per ora è limitato a malattie che altrimenti sarebbero incurabili.

Ma...

So cosa stai per dire. Possiamo dimenticarci di tutti i pazienti che potrebbero beneficiare di ulteriori studi sulla terapia genica? Non li stiamo ignorando, ma semplicemente questo trattamento, come qualsiasi nuova tecnologia, ha dei limiti.

Sembra un problema molto difficile.

200

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

il rinascimento dell'RNA Gli scienziati credono che, molto tempo fa, l'RNA sia stato il primo e - a quel tempo - l'unico acido nucleico. Molto prima che ci fosse vita umana sulla terra, l'RNA serviva a codificare i geni e tramandarli alle generazioni successive. Ad un certo punto i ruoli ricoperti dall'RNA furono presi dal DNA, che è una molecola molto più stabile per immagazzinare l'informazione genetica. All'inizio dello studio della biologia molecolare, gli scienziati credevano che l'unica funzione dell’RNA fosse la sintesi proteica. Ma scoperte recenti suggeriscono che l'RNA ha molte e diverse funzioni importanti. Inoltre, gli scienziati stanno diventando esperti di manipolazione dell’RNA per renderlo capace di fare ancora più cose nella cellula. Al giorno d'oggi in biologia molecolare studiare e manipolare l'RNA va molto più per la maggiore rispetto a studiare il DNA. Alcuni ricercatori chiamano questa epoca di sperimentazione ed espansione delle nostre conoscenze sull’RNA “il rinascimento dell’RNA”. Questa molecola, che fino a poco tempo fa era considerata solo uno strumento per fare la copia del DNA, ha catturato l'attenzione degli scienziati da tutto il mondo.

DavVero? È finalmente il mio momento?

...

interferenza dell’RNA: usare l'RNA per alterare l'espressione genica Il premio Nobel per la Medicina del 2006 fu dato a due biologi americani - Andrew Z. Fire e Craig C. Mello - che avevano scoperto un fenomeno chiamato interferenza dell'RNA. In breve, filamenti complementari di RNA, chiamati RNA interferenti, possono legarsi a una molecola di mRNA nella cellula. Attraverso questo legame si forma una molecola a doppio filamento di RNA che viene riconosciuta come estranea al corpo. A questo punto enzimi presenti nel citoplasma attaccano e distruggono l’mRNA legato all’RNA interferente, interrompendo così la traduzione della proteina. Perché mai hanno dato il premio Nobel per la scoperta di un processo così distruttivo? Anche se questa interferenza è distruttiva per l'mRNA, in realtà è conveniente dal punto di vista dell'intera cellula. Distruggere l'mRNA è uno dei modi per sopprimere l'espressione genica, e aiuta a mantenere il delicato equilibrio delle proteine nella cellula. Inizialmente si pensava che l'interferire con brevi catene di RNA fosse un meccanismo per difendere le cellule dagli attacchi dei virus, ma recenti studi hanno determinato che

iL RiNASCiMENTO DEL’RNA 201

Interferenza dell’ RNA Distrugge l'mRNA DNA

Proteina

mRNA Il breve filamento di RNA disattiva la sintesi proteica!

esiste troppo RNA interferente per servire solo a quello. Il processo sembra essere stato creato inizialmente come meccanismo difensivo della cellula contro i virus. I virus sono gli unici organismi che continuano a usare RNA a doppio filamento per codificare i loro geni e le cellule hanno molti meccanismi per degradarlo. Alcuni studi hanno scoperto che esistono molti filamenti corti di RNA "interferenti" nelle nostre cellule, indipendentemente dai virus. Una società funzionante deve avere un equilibrio, e così pure le nostre cellule. Questo equilibrio si crea attraverso il controllo dell'espressione genica: l’RNA, un acido nucleico, è uno dei fattori che contribuiscono al mantenimento dell'equilibrio dell'espressione genica.

RNA (a doppio filamento) Gene per un miRNA

pre-miRNA

RISC

Degradazione dell’ RNA

I microRNA (miRNA) funzionano legandosi a un complesso di proteine chiamato RISC (complesso per il silenziamento indotto dall'RNA), che veicola il miRNA su specifici mRNA bersaglio. Il legame del miRNA all’mRNA può determinarne la degradazione o l’ inibizione della traduzione in proteina. Proteine

Geni DNA

mRNA

Ribosomi

Come potete vedere, l'RNA ha molte funzioni. Abbiamo già visto l'mRNA, il tRNA e l'RNA ribosomale usato nella sintesi proteica. Adesso vediamo nuove funzioni: RNA usato per alterare l'espressione genica, usando dei piccoli filamenti di RNA interferente (short interfering RNA - siRNA) e i microRNA (miRNA). Altri tipi di RNA svolgono funzioni enzimatiche, e si chiamano ribozimi. È stato scoperto che più del 70% del genoma di topo può essere usato per trascrivere RNA. Anche grosse porzioni del genoma umano sono usate per sintetizzare RNA. Nonostante gli scienziati abbiano fatto enormi passi avanti per conoscere le funzioni dell'RNA, ci sono ancora molti tipi di molecole di RNA le cui funzioni rimangono un mistero.

202

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

L'RNA può curare le malatTie? Con tutti questi avanzamenti nella ricerca dell'RNA, gli scienziati hanno iniziato a chiedersi se e come l'RNA può essere usato per curare le malattie. Al giorno d'oggi molte aziende stanno lavorando in progetti di ricerca di farmaci basati sui siRNA. L’RNA ha due proprietà che lo rendono particolarmente attraente per la produzione di farmaci: per prima cosa si sintetizza facilmente a partire dalla combinazione delle basi (A, G, C e U), per cui può essere creato in varie forme e dimensioni; secondariamente le cellule possono distruggerlo facilmente, permettendo un veloce metabolismo di qualsiasi farmaco a base di RNA. Alcune molecole di RNA sono capaci di legarsi alle proteine e le cure a base di RNA funzionano legandosi a proteine anormali che causano le malattie. La capacità per una specifica sequenza di RNA di legarsi a una determinata proteina è stata analizzata e ottimizzata usando un processo chiamato metodo SELEX (Systematic Evaluation of Ligands by Exponential Enrichment). Usando questo metodo, gruppi di molecole di RNA che hanno strutture molto simili (ma non uguali) sono analizzate per vedere quale lega meglio una specifica proteina. L'RNA che serve a legare una proteina è detto aptamero di RNA. Gruppo cospicuo di RNA (~10 14)

Metodo SELEX Aptamero di RNA

Blocco della molecola che causa la malattia

Il primo medicinale a base di RNA che è stato approvato dalle autorità sanitarie statunitensi è stato il Pegaptanib, un aptamero di RNA che lega VEGF165 e viene usato per curare la degenerazione maculare dovuta all’invecchiamento, una malattia che invalida la vista. Visto che l'RNA e le medicine a base di RNA sono facilmente degradabili, si pensa che questi farmaci abbiano pochi effetti collaterali. Se gli aptameri di RNA diventeranno una medicina miracolosa è ancora tutto da vedere, e dipende molto dalle ricerche future.

Come funziona esattamente la PCR? Il metodo per moltiplicare (o amplificare) i geni per usarli in laboratorio si chiama PCR (Reazione a catena della polimerasi, v. pagina 187). Vediamo più in dettaglio questo metodo. Come vi ricorderete dal Capitolo 3, la proteina (enzima) che replica il DNA è la DNA polimerasi. Usando questa molecola, la PCR produce copie multiple di un gene specifico in maniera esponenziale. Nel nostro corpo questo processo avviene in maniera molto controllata, mentre in laboratorio la PCR è stata progettata per replicare continuamente i geni grazie all'alterazione degli enzimi e alla temperatura della reazione. A una soluzione che contiene un campione di DNA vengono aggiunti un gruppo cospicuo di nucleotidi e due primer di RNA specifici per il gene (uno per ogni filamento nelle due direzioni).

Come funziona esatTamente la PCR? 203

La temperatura viene aumentata e il DNA si separa nei due filamenti singoli. Quando si raffredda, l’RNA primer si può legare al DNA e la DNA polimerasi fa una copia del gene usando i nucleotidi disciolti nella soluzione. DNA polimerasi Apertura DNA

X

Y 92°C

Primer 56°C

Z 72°C

X 92°C: il DNA si separa in due filamenti singoli a 92°C. Y 56°C: quando si raffredda a 50°C, il primer si lega al filamento corrispondente. Z 72°C: a 72°C la DNA polimerasi inizia la sintesi di DNA.

Quindi la temperatura viene di nuovo aumentata a 92°C, e due filamenti doppi di DNA si separano. A quel punto i passaggi si ripetono molte volte.

Di solito, le proteine si srotolano, o denaturano, ad alte temperature (40-50°C o 100-125°F). Nella PCR viene usata una DNA polimerasi molto speciale che resiste a temperature molto alte. Questo enzima è stato trovato in un batterio (Thermophilus aquaticus) che si trova solo nelle sorgenti calde ed è stato trovato in un geyser del Parco Nazionale di Yellowstone, in cui viveva in acqua quasi bollente (165°F ovvero quasi 74°C). Karry Mullis ha sviluppato la PCR nel 1993 e ha vinto il premio Nobel per la chimica lo stesso anno. Da allora, sono state create macchine che possono essere programmate per controllare la temperatura e le tempistiche di ogni passaggio della PCR per la produzione di grandi quantità di una data sequenza di DNA. Come è già stato detto (a pagina 168), aggiungere delle paia di basi al primer fa sì che nuove sequenze vengano incorporate nel gene copiato. In questo modo la PCR può essere usata per creare delle sequenze che poi possono essere tagliate e incollate in plasmidi da enzimi di restrizione. Sono stati creati nuovi metodi di PCR che permettono di trasformare RNA in DNA per farlo copiare tramite PCR (RT-PCR), o per contare il numero di copie di DNA prodotte in maniera così accurata che puoi calcolare quante copie di un certo gene erano presenti nel campione di partenza (PCR quantitativa). Questi metodi si usano insieme per capire quanto mRNA viene prodotto da una cellula per un dato gene (misurazione diretta dell'espressione genica) e anche per produrre il DNA da testare nelle scienze forensi.

204 capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Sporgenza

Sporgenza

Gene amplificato

PCR

Enzima di restrizione

Le sporgenze, o estremità appiccicose, sono sequenze riconosciute da un enzima di restrizione. Questo DNA può essere incorporato in un vettore plasmidico usando la DNA ligasi.

Si collega alla figura mostrata all'inizio di pagina 189

Come clonare gli animali Tutti gli animali, anche gli esseri umani, nascono da una singola cellula fecondata. Questa cellula si divide molte volte, diventando un embrione. Ognuna di queste nuove cellule si svilupperà in diversi tessuti, dando ordine e funzioni al nostro corpo. Nella figura qui sotto, potete vedere come la ripetuta divisione cellulare porta una cellula fecondata a diventare un embrione.

Cellula fecondata

Una cellula fecondata si divide in 2

Morula

2 cellule si dividono in 4

Blastocisti

Abbiamo visto come lo studio della genetica può essere utile all'umanità. Per anni gli scienziati hanno provato a trovare un metodo per creare piante e animali con esattamente lo stesso genoma, così da poter studiare e capire meglio la genetica. Questo processo è chiamato clonazione. La teoria per il suo funzionamento è semplice, ma gli scienziati hanno impiegato anni a perfezionarne il metodo. Come possiamo clonare un animale? Un embrione è rimosso dall'utero di un esemplare femminile a uno stadio di sviluppo molto precoce ed è diviso nelle singole cellule. Il nucleo di quelle cellule viene rimosso e re-inserito in un uovo non fecondato a cui abbiamo eliminato il nucleo. Le uova sono messe a bagno in una soluzione chimica dove delle molecole-segnale le convincono di essere state fecondate. Le cellule sono quindi trapiantate nell'utero di molte altre femmine.

Come clonare gli animali 205

Come risultato, nascono molti organismi con gli stessi identici geni (genomi). Oggi, l'industria agricola usa questi metodi per allevare un grosso numero di animali identici, o cloni, con tratti desiderabili. Basta un solo uovo fecondato, e vengono prodotte molte mucche (e molta carne bovina, pelle e latte). Questo processo vi potrà sembrare familiare: è lo stesso dei gemelli monozigoti, in cui due diversi organismi nascono da una singola cellula fertilizzata. Gli animali clonati con questo processo hanno un genitore maschio e una femmina, proprio come quelli prodotti dall'accoppiamento normale. Non sono cloni dei loro genitori, lo sono fra di loro. Come si producono le mucche da un uovo fertilizzato Mucca di alta qualità

Uovo non fecondato

Embrione

Nucleo Si seleziona un buon uovo non fecondato Blastomero Si rimuove una parte che include il nucleo Viene selezionato un blastomero e il suo nucleo

Si inserisce il nucleo nell'uovo non fecondato per coltivarlo

Impianto nell'utero di una madre ospite Madre ospite Parto Nascita di mucche di alta qualità provenienti da una sola cellula uovo

Le mucche clonate hanno gli stessi geni (genomi) 206

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

Gli scienziati hanno sviluppato più di un modo per clonare un animale. Potreste aver sentito parlare della pecora Dolly, che è stata clonata in un laboratorio inglese nel 1996. Dolly è stato il primo mammifero clonato ad avere solo un genitore. Invece di essere stata clonata a partire da una cellula sessuale (come le cellule uovo menzionate prima), Dolly è stata clonata da una cellula somatica. Vediamo come funziona questo metodo di clonazione. Il processo inizia rimuovendo l'intero nucleo da una cellula delle mammelle appartenenti alla pecora genitore (la cellula veniva dalla ghiandola mammaria, un organo che secerne latte). Una cellula uovo non fecondata viene estratta, e il suo nucleo viene sostituito con il nucleo proveniente dalla cellula delle mammelle. La cellula uovo viene quindi impiantata nella pecora ospite. Come produrre una pecora clonata da cellule somatiche Femmina

Un uovo non fecondato Femmina viene estratto

La ghiandola mammaria viene estratta

Viene prelevato il nucleo

Il nucleo è rimosso Il nucleo è inserito nella cellula uovo non fecondata

Impianto nell'utero della madre ospite

Divisione cellulare Dolly e la pecora donatrice della cellula della ghiandola hanno gli stessi geni (genoma)

Parto

Nascita di una pecora clonata da una cellula somatica Nascita di Dolly

Come clonare gli animali 207

Il clone che è nato ha esattamente lo stesso genoma della madre, e quello dei fratelli nati nella stessa maniera. In questo caso la pecora Dolly non aveva un padre, solo una madre. Dopo il successo di Dolly sono stati clonati anche topi e mucche da cellule somatiche. Ulteriori avanzamenti delle tecnologie di clonazione potrebbero sembrare dei racconti di fantascienza. Si potrebbero creare cloni umani usando il trasferimento del nucleo come con Dolly. Teoricamente, una persona prodotta usando questo processo avrebbe lo stesso genoma della persona che ha donato il nucleo (genitore). Ma come sappiamo dai gemelli monozigoti, persone che crescono in ambienti diversi sviluppano caratteri differenti. L'idea di clonare gli umani è piena di complicazioni legali e morali e, anche se molte nazioni permettono di studiare le cellule staminali umane, la maggior parte vieta qualsiasi ricerca che potrebbe portare alla clonazione di un essere umano.

Evoluzione molecolare: come i geni possono raccontare una storia Generalmente pensiamo all'evoluzione come a una cosa che avviene in natura: l'ambiente intorno a un organismo, dai predatori ai cambiamenti climatici, possono modificare l'evoluzione selezionando quelli che si riproducono di più. Ma come funziona esattamente l'evoluzione? Essa avviene quando un piccolo (o un grande) cambiamento avviene per sbaglio nei geni: se questo cambiamento avvantaggia l'organismo (ad esempio permettendogli di vivere più a lungo, cacciare più cibo, tollerare un clima più vario), questo organismo, al momento di riprodursi, trasmette la caratteristica vantaggiosa alla sua prole. I cambiamenti del DNA si chiamano mutazioni, e accadono normalmente nel DNA a causa di danni che non vengono riparati bene o di errori durante la replicazione del DNA. Le mutazioni possono essere piccole, come il cambio di una base in un'altra, e avere minimi effetti (o addirittura nessuno) sulla proteina che viene codificata da quel gene, oppure possono essere grandi: per esempio una intera porzione del genoma può finire sul cromosoma sbagliato. In casi estremi (che possono derivare sia da modificazioni piccole sia grandi), la mutazione porta a un cambiamento tangibile nella struttura, funzione o espressione di una proteina. Questi cambiamenti hanno più possibilità di alterare il comportamento, la sopravvivenza e le possibilità riproduttive di un intero organismo, e quindi possono alterare la sua evoluzione. L'evoluzione molecolare indica i cambiamenti nei geni che portano a cambiamenti nell'evoluzione di un organismo. Attraverso un'analisi profonda della sequenza e della struttura dei geni, è possibile dire quanto siano vicini due organismi in termini di evoluzione. Mettendo a confronto le sequenze di un dato gruppo di geni in due diversi organismi possiamo determinare quanto i geni sono simili: più sono somiglianti, più gli organismi sono evolutivamente vicini. Visto che le mutazioni tendono ad accumularsi a intervalli di tempo regolari, questi cambiamenti possono anche darci un'idea di quando una nuova specie si è evoluta a partire da un antenato comune. Grazie alla biologia molecolare, lo studio dell'evoluzione molecolare è progredita al punto che è possibile studiare la storia della vita del nostro pianeta, e l'evoluzione stessa, a livello molecolare. 208

capitolo 5 ricerca e tecnologie genetiche

il futuro della biologia molecolare Nessuno può prevedere quali saranno i maggiori progressi che l'umanità farà in biologia molecolare, ma possiamo osservare questa materia adesso e immaginare dove andrà a parare. Sia la genomica che la proteomica sono campi molto vasti e sono solo all'inizio delle ricerche. La genomica è il settore che cerca di spiegare la funzione di ogni gene nel nostro genoma, e di capire la funzione del DNA non codificante nella cellula. La proteomica è il settore che spera di descrivere il funzionamento di tutte le proteine e le loro interazioni vicendevoli. Le cellule staminali sono un altro mezzo che i biologi molecolari stanno molto studiando, e le cui potenzialità sono promettenti. Prima abbiamo parlato di cellule staminali embrionali, cellule staminali totipotenti derivate da un embrione. Gli scienziati della Kyoto University hanno scoperto come ottenere una cellula staminale molto potente (pluripotente) a partire da cellule della pelle di una persona adulta (si chiama cellula staminale pluripotente indotta, o cellula iPS). Anche se questa cellula è un po' più matura di una cellula staminale di embrione, può comunque trasformarsi in cellule di altri tessuti! Le cellule staminali sono un settore molto interessante nella biologia molecolare. Usando queste nuove tecnologie, gli scienziati possono provare ad aiutare persone danneggiate da un ictus, o quelli con problemi ai reni, o cardiaci. Le cellule staminali pluripotenti indotte hanno il vantaggio morale di essere meno discutibili a livello etico, delle cellule staminali embrionali, visto che sono derivate da tessuto di persona adulta e non da embrioni. Anche se la biologia molecolare ha il potenziale di alterare drasticamente la maniera in cui curiamo le malattie e viviamo le nostre vite, non possiamo contare su una svolta gigantesca improvvisa: come ogni altro campo di ricerca scientifica, anche i progressi della biologia molecolare sono lenti. Comunque tutti i processi, le tecniche e gli avanzamenti che abbiamo imparato provengono dalla combinazione di pensiero creativo e rigoroso metodo scientifico.

iL FUTURO DElLA BiOLOGiA MOLECOLARE 209

Epilogo

Bene...

Avete finito le vostre lezioni di recupero. Ora vi invito a venire nel mio laboratorio.

CRACK

il dotTore è sparito...

Dove è il dottor moro?

Marcus!

Si guarda alle spalle

Ben fatTo voi due.

210

epilogo

...

?!?

Sta facendo un sonNelLino?

Si sveglia

BANG

Non si agiti. !

f cof f cof f cof

ff

co

no no!

sembra molto palLido.

sì, dovete sapere...

Epilogo

211

Non siate così preocCupate. Ho semplicemente una malatTia incurabile.

una malattia incurabile!

sollievo

Oh, capisco. Semplicemente una malatT...

La medicina moderna non può farci nulLa. Gli rimangono al masSimo due mesi...

oh, no.

davVero, non state a preoccuparvi così tanto.

212 epilogo

ho detTo incurabile per la medicina del giorno d’oggi.

in futuro la mia malatTia sicuramente si potrà curare.

?!?

questa è la macChina del sonNo fredDo, inventata dal dotTor moro.

si farà ibernare qui dentro finché la cura non verRà scoperta.

e tu pensi che davvero un giorno si potrà curare?

uhm.. non si può mai dire per certo.

epilogo

213

...

...

non vi preocCupate. Marcus, aiutami a farmi ibernare.

ah... sì!

ma dotTore.. perché si è mesSo a farci lezioni di recupero quando è malato così gravemente?

Non l’ho fatTo per voi, ma per me.

?

214

epilogo

saranNo i giovani come voi che riusciranNo a trovare la cura...

dotTore... ci siamo.

per questo non volevo lasciare indietro neanche uno studente. l’ho fatTo solo per me.

ma lei è pazzo!

è malato di una malatTia incurabile e aveva pochisSimo tempo.

e lo ha sprecato dandoci delLe belLissime lezioni. Non può averlo fatTo solo per se stesSo.

...

ta rat si g nuca la

io diventerò...

epilogo

215

io diventerò una dottoressa!

anche io voglio aiutarlo.

vi aspetTerò, senza farmi tropPe ilLusioni.

cosa? mi ha letTo nel pensiero?

216 epilogo

dotTore! la macchina è pronta.

grazie mille!

spero di rivedervi un giorno.

prego ragazZe. ora andate a combatTere.

epilogo 217

ami... prima, eri seria? intendo quando hai detTo che volevi diventare una dottoresSa?

be’.. anche io ho deciso che voglio aiutare.

sì! ecCo, non sono ancora sicura, ma ci proverò.

ci proviamo?

sì!

218 epilogo

indice 0-9 3´ (3 primo), terminazione, 117–118 5´ (5 primo), terminazione, 117–118 A A (adenina), 85, 107–108, 157 acetaldeide deidrogenasi (ALDH1, ALDH2), 66–67, 69–70 acetico, acido, 67, 69, 70 acidi nucleici, 23, 36, 43, 153, 199, 201, 202. (v. anche DNA; RNA) acido, - acetico, 67, 69, 70 - deossiribonucleico, 43. (v. anche DNA) - fosforico, 84–85, 117, 158–159 - glutammico 74, 76, 154, 169 - piruvico, 33 acqua, 8–9, 23, 67, 69, 70, 84, 187 actina, 71, 72 ÀODPHQWRGL ADA, proteina, 199–200 adenina (A), 85, 107–108, 157 adenosina deaminasi, GHÀFLWGL² adiposo, tessuto, 49 agarosio, piastra, 190, 191, 192 alanina, 74, 75, 167–171 alcol, 59, 64–65, 67–70, 191 alcol deidrogenasi (ADH), 66–67, 69–70 allevamento, 193, 195, 206 - perfezionamento di, 183– 184 amido, 23, 61 amminoacidi, 23, 38, 57–58, 73–76

- catena di, 57, 167, 172–174 - catene laterali, 74–75 - codoni, 166, 168–170, 171, 173 - proteine, creazione di, 73–76, 77–80, 167–172 - scambio di, 75–76, 77 - sequenze di, 57–58, 77–80, 174 - struttura di, 74–75, 86 - traduzione/trascrizione di, 57, 154, 166–173 amminoacidi, tipi di, 23, 57, 74 - alanina, 74, 75, 167–171 - arginina, 74, 154, 169 - asparagina, 74, 169 - aspartato, 74 - cisteina, 74, 169 - fenilalanina, 74, 169 - glutammato, 74 - glutammico, acido, 74, 76, 154, 169 - glutammina, 74, 169 - glicina, 74, 169 - isoleucina, 74, 154, 169 - istidina, 74, 167–170 - leucina, 74, 154, 169 - lisina, 74 - metionina, 74, 166–170 - prolina, 74, 154, 169 - serina, 74, 75, 154, 167– 169 - tirosina, 74, 75, 154, 169 - treonina, 74, 169 - triptofano, 74, 169 - valina, 74, 76, 169 ameba, 19, 22, 48 anafase, 126 animale, - clonazione, 205–208 - genoma, 192–193, 207 animali transgenici, 192– 195 antibiotico, 190 anticodone, 171–172 appaiamento barcollante

delle basi, 171 arginina, 74, 154, 169 asessuata, riproduzione, 100 asparagina, 74, 169 aspartato, 74 assone, 24 ATP, molecola, 33 B batteri, 22, 32, 33, 48, 52, 155 - E. coli (Escherichia coli), 100, 185 - intestinali, 48 - Thermus aquaticus, 204 basali, cellule, 103, 128 basi, sequenza di, - DNA, 79–80, 86, 88, 108, 112, 139, 150, 157, 191, 197, 208 - mRNA, 146, 153, 167–168, 170–171 - RNA, 141, 146–150, 153, 160–161, 170–171, 203 - tRNA, 165, 170–171 benzenico, anello, 75 biocatalizzatori, 69 C C (carbonio), 117–118, 159 C (citosina), 85, 107–108, 157, 158 cancro, (v. tumore) capelli, 57 carboidrati, 23 carbonio (C), 117–118, 159 carbonio, diossido, 67, 69, 70 carbossiterminale, dominio (CTD), 153 cardiaco, muscolo, 50 catalizzatore, 65, 69 cDNA (DNA circolare), 188, 190 cDNA, biblioteca dei, 188 cellule, 16–19

- anomalie nelle, 10, 130, 137–138, 182–183 - comunicazione tra, 29 - energia prodotta, 23, 32– 33, 61, 75 - funzioni, 59–60 - organismi eucarioti, 51– 52, 152n - organismi multicellulari, 19, 48–52, 100–103 - organismi unicellulari, 19, 22, 24, 48–52, 97–100 - organismi viventi, 20–24, 31 - origine nome 18, 18n - pareti delle 127 - scoperta delle 18, 20 - struttura delle 23, 25–26, 73, 124 cellule, tipi di, - animali, 123, 127 - aploidi, 89 - basali, 103, 128 - cancerose 130 - dendrite, 24 - fegato, 59, 62, 62n, 67, 141 - muscoli, 60–62, 71 - nervi/neuroni 24, 50, 141 - organismi procarioti, 51–52 - pelle, 49, 57, 102–103, 128, 209 - somatiche, 207–208 - staminale, 193, 208, 209 - staminale embrionale (ES), 193, 208, 209 - staminale pluripotente indotta (iPS), 209 - totipotente, 193, 209 - umana, 21, 24, 31, 32, 123 - vegetali, 127 centrosoma, 25, 124–125 cheratina, 57, 72 ciclo cellulare, 128–129 cisteina, 74, 169 citochinesi, 124, 127, 129

220 indice

citoplasma, 25, 31, 38, 44– 45, 52, 125, 126, 152, 201 citosina (C), 85, 107–108, 157, 158 clonazione - animale, 205–208 - Dolly, la pecora, 207–208 - preoccupazioni morali, 208 - trasduzione e, 186, 189– 191 - umana, 208 codice genetico, 80, 167– 168 codoni, 166, 168–170, 171, 173 - anticodoni, 171–172 - di stop, 169, 170, 172–173 colesterolo, 23 collagene, 49, 57, 72 complesso per il silenziamento indotto dall’RNA, (v. RISC), corpo cellulare, 24 corpo nucleoide, 52 creste, 33 cromatina, 122, 128, 144– 145, 148 cromosomi, 88–89, 122– 126, 128 - sessuali, 123 CTD (dominio carbossiterminale), 153 cuore - malattie del, 197, 209 - umano, 21, 31, 51, 57, 103 D degenerazione maculare, 203 deidrogenasi, 66–67, 69–70 denaturazione, 204 dendriti, 24 deossiribonucleico, acido, 43. (v. anche DNA) deossiribonucleotidi, 83, 158. (v. anche nucleotidi)

deossiribosio, 84–85, 117– 118, 158–159 derma, 102 destinazione, DNA di, 189 GHWRVVLÀFD]LRQH diabete, 184, 196 diploide, 89 divisione cellulare, 70, 92, 97–103, 122, 123, 124–127 - ciclo cellulare, 128–129 - citochinesi, 124, 127, 129 - mitosi, 124–127, 129 - tumore e, 130 divisione mitotica, 126 DNA (acido deossiribonucleico), 11–12, 35–36, 37, 43, 52, 56–59 - anomalie e mutazioni 130, 137–138, 158, 193, 208 - base, caratteristiche di, 85–86, 107–108, 157–160 - cromosomi, 88–89, 122– 126, 128 - doppia elica, 81–82, 106, 108–109, 146 GRSSLRÀODPHQWR struttura, 106–109, 117, 146, 149–150 ÀODPHQWRFRGLÀFDQWH 146–147 - genoma, 88–90, 192–193 - manipolazione 181–183 - nucleotidi, 70, 73, 80–87, 106, 107, 109, 111, 115, 117, 158 - proteine e, 42–45, 56–62, 70, 72, 114–115 SXULÀFDWR² - sintesi, 114, 116–117 - struttura del, 42–44, 70, 77–87, 106–109, 117, 144– 145, 160, 164 - zuccheri e fosfati, catena principale 107, 158–159, 191 DNA, replicazione del, 58, 69, 70, 92, 105–106, 108–

120, 128, 138 - 3´ (3 primo), terminazione, 117–118 - 5´ (5 primo), terminazione, 117–118 - doppia elica, 81–82, 106, 108–109, 146 - frammento di Okazaki, 118–119 - geni e, 105–106 - legami a idrogeno, 76, 107, 110 - polimerasi , 108–120, 158 - proteine, 114–115 - RNA primer, 115–116, 188 - struttura duplicabile, 105– 108, 146 DNA, tipi di, - circolare (cDNA), 188, 190 - destinazione, 189 SXULÀFDWR² - spazzatura, 143 DNA ligasi, 189, 205 DNA polimerasi, 70, 108– 120, 158, 203 DNA ricombinante, taglia e incolla, 186, 188–189 Dolly (pecora), 207–208 double-helix, DNA, 81–82, 106, 108–109, 146 E E. coli (Escherichia coli), 100, 185–186, 189–191 EcoRI, 188 elettroforesi su gel, 191 embrionale, cellula staminale (ES), 193, 208, 209 embrione, 193, 205–206, 209 emoglobina, 72, 75–76, 138 endoplasmatico, reticolo, 25, 31–32, 36, 165, 174 energia, produzione, 23, 32–33, 61, 75 enzimi, 57, 61–68, 72

- acetaldeide, 66–67 - catalizzatori, 65, 69 - conformazione, cambi di, 64-65 - deidrogenasi, 66–67, 69–70 - di restrizione, 188, 204– 205 - DNA ligasi, 189, 205 - DNA polimerasi, 70, 108– 120, 158, 203 - protettivi, 66 - proteine ed, 61–70 - reazione chimica, 65–67, 69–70, 72 - riboenzimi, 202 - RNA polimerasi, 148–154 - spliceosomi, 154 epidermide, 102 epitelio/tessuto epiteliale, 49, 50 epitelio - cilindrico, 49 - pavimentoso, 49 ES (cellule staminali embrionali), 193, 208, 209 Escherichia coli (E. coli), 100, 185–186, 189–191 esoni, 153–156 esoni, rimescolamento di, 155–156 espressione genetica, 46– 47, 143, 201–204 estremità appiccicosa 188, 205 eterocromatina, 145 eucarioti, organismi, 51–52, 152n evoluzione - molecolare, 208 - processo di, 142, 155–156, 208 F fecondazione, 96, 101, 205–207 fegato, - cellule, 59, 62, 62n, 67,

141 - funzioni, 32, 61–64, 66–67, 69 - tossico per, 64, 66–67 fenilalanina, 74, 169 ÀODPHQWRFRGLÀFDQWH² 147 Fire, Andrew Z., 201 foraminifera, 177 fosfati, 107, 191 fosfolipidi, 27–30 LGURÀOL - idrofobici, 28 - strati di, 28–29, 31 IXVRÀEUHGHO² fuso mitotico, 126 G G (guanina), 85, 107–108, 157 G1/G2, fasi, 128–129 geni, 11, 36, 44–46, 52, 56–58 - anomalie e mutazioni, 130, 137–138, 158, 193, 208 - ADA, 199–200 - creazione di proteine e, 77–80 - cromosomi e, 88–89, 122– 126, 128 - DNA, replicazione del, 105–106 - esoni, 153–156 - introni, 153–154, 155, 165, 188 - istruzioni (funzione di), 11, 44, 45, 57–58, 77–79, 106, 137–139, 146, 153, 183 - processo evoutivo e, 142, 155–156, 208 - pseudogeni, 142–143 - reperti fossili di. 143 - soppressore dei tumori, 130 - splicing, 154, 155 - struttura dei, 78–80 - transgene, 193

indice 221

- tumori e, 88, 130, 137, 194, 196, 197, 200 genoma - animale, 192–193, 207 - Progetto Genoma Umano, 88 - umano, 88–90 genomica, 209 ghiandole mammarie, 207 globine, 76 glucosio, 23, 33, 61–62, 69 glutammato, 74 glutammico, acido, 74, 76, 154, 169 glutammina, 74, 169 glicina, 74, 169 glicogeno, 61–62, 62n, 69 glicogeno sintasi, 61, 69 Golgi, apparato del, 25, 31, 32, 34, 174 grassi, 23, 26–27, 49, 59, 61, 196 *UHFLSUHÀVVLVXIÀVVL - croma, 122 - liso, 34 - perossi, 34 - soma, 34 guanina (G), 85, 107–108, 157 H H (idrogeno), 9, 159 Hooke, Robert, 18, 20 - microscopio di, 18 i ibridazione, 184 idrogeno (H), 9, 159 - legami a, 76, 107, 110 idrossile (OH), 159 immunitario, sistema, 57, 69 immunoglobine, 72 incrocio, 193, 195, 206 informazioni genetiche, 138–141 inspirazione, 33

222

indice

insulina, 72, 185 interazioni idrofobiche, 76 intestino, 48, 51, 59, 61, 196 - crasso, 48, 51, 196 - tenue, 48, 51, 59, 61 introni, 153–154, 155, 165, 188 ipoderma, 102 iPS (cellula staminale pluripotente indotta), 209 isoleucina, 74, 154, 169 istidina, 74, 167–170 istoni, 42, 43, 122, 123, 144 K knockout, topi, 192–195 L leucina, 74, 154, 169 legamenti, 49 lipidi, 23, 27–30 lisina, 74 lisosoma, 25, 32, 34 localizzazione nucleare, segnale di, 38 luce ultravioletta (UV), 137, 191, 194 M malattie. (v. anche tumore) $'$ GHÀFLWGLDGHQRVLQD deaminasi, 199–200 - cardiache, 197, 209 - cause 10, 130, 137, 194, 196–197 - degenerazione maculare, 203 - falcetto, cellule a, 76 - farmaci prodotti con RNA, 203 - legate allo stile di vita, 196–198 - medicina personalizzata, 196–198 - sindrome metabolica, 196, 197 - terapia genetica, 196,

198–200 - trattamenti, 181–184, 194, 196–200, 203 - tumore al cervello, 200 maltosio, 61 matrice, 33 medicina personalizzata, 196–198 Mello, Craig C., 201 membrana, - cellulare, 23, 27–32, 36, 52, 70 - fusione della, 29–30, 32 - nucleare, 36, 44, 52, 124– 126, 128, 152, 165 messaggero, RNA. (v. mRNA) metabolismo, 59, 67, 199, 203 metafase, 125 metionina, 74, 166–170 microRNA (miRNA), 202 microtubuli, 125–126 miosina, 57, 71, 72 ÀODPHQWLGL miRNA (microRNA), 202 mitocondrio, 25, 32–34 mitosi, 124–127, 129 mitotica, divisione, 126 evoluzione molecolare, 208 molecole, 9–10, 16–18, 23, 29–36, 57, 60 monomeri, 86 mosaico, 193, 195 M, fase, 128–129 mRNA (RNA messaggero), 44, 201–202 - sequenze di base, 146, 153, 167–168, 170–171 - in traduzione, 80, 165–166 - in trascrizione, 146–147, 153–154 MSG, 74 Mullis, Karry, 204 muscoli/muscolari, 49–50, 59, 60, 62n, 71–72 - cellule, 60–62, 71

- contrazioni, 57, 60, 71–72 ÀEUH - scheletrici, 50 - tessuti, 49, 50 - viscerali, 50 mutazioni 130, 137–138, 158, 193, 208 N neomicina, 195 nervi/nervosi, - cellule, 24, 50, 141 - sistema, 50 - tessuto, 49, 50 neuroni, 24, 50, 141 Nobel, Premio, - per la Chimica, 204 - per la Medicina, 194, 201 nucleo, traferimento del, 208 nucleolo, 25 nucleosidi, 85 nucleosomi, 43, 144 nucleotidi, 70, 73, 80–87, 106, 107, 109, 111, 115, 117, 158 - basi, 85–86, 107–108, 157–160 nucleo, 35–36, 124 - immagine del, 25, 35, 36, 81, 124, 126 - presenza/assenza 51–52 - struttura del, 37–47 - vero, 52 nutrienti, 31, 48, 59, 69, 72, 127, 130 O obesità, 196 OH (idrossile), 159 Okazaki, Reiji, 119 - frammenti di, 118–119 omeostasi, 72 organelli, 23, 31–35, 52, 127, 174 organi, 50 - cuore, 21, 31, 51, 57, 103

- intestino, 48, 51, 59, 61, 196 - ghiandole mammarie, 207 - fegato 59, 61–64, 62n, 66–67, 69, 141 - nel sistema circolatorio, 51 - nel sistema digerente, 32, 48–51, 59, 61–62, 67, 69–70 - nel sistema nervoso, 50 - nel sistema respiratorio, 51 - pelle, 49, 57, 102–103, 128, 209 - polmoni, 51, 103 organismi - anucleati, 52 - eucarioti, 51–52, 152n - nucleati, 52 - pluricellulari, 19, 48–52, 100–103 - unicellulari, 19, 22, 24, 48–52, 97–100 ormoni, 72 ossa, 49 ossigeno, 9, 33–34, 72, 75 P paramecio, 18, 48, 52, 98, 100 PCR (Polymerase Chain Reaction), 70, 108–120, 187–189, 191, 203–205 - quantitativa, 204 Pegapatnib, 203 pelle, 49, 57, 102–103, 128, 209 - tumore a, 194 perossisomi, 32, 34 piastra cellulare, 127 piruvico, acido, 33 plasmide, 189–190, 204–205 pluripotente, cellule staminali, 209 polimerasi, - DNA, 70, 108–120, 158, 203

- PCR (Polymerase Chain Reaction), 7, 70, 108–120, 187–189, 191, 203–205 - RNA, 148–154 polmoni, 51, 103 pori (della membrana nucleare), 36 poro nucleare, complesso del, 36, 44 polisaccaridi, 23, 28 SUHÀVVLJUHFLY*UHFL SUHÀVVLVXIÀVVL pre-inizio, complesso di, 166 Premio Nobel, - per la Chimica, 204 - per la Medicina, 194, 201 procarioti, organismi, 51–52 profase, 124 prolina, 74, 154, 169 proteine, 11–12, 23, 28, 29, 32, 36, 56–60 - amminoacidi, 73–76, 77– 80, 167–172 - contrazioni muscolari e, 57, 60, 71–72 - creazione di, 56–58, 73–76, 77–80, 132, 138, 161, 167– 172 - DNA e, 42–45, 56–62, 70, 72, 114–115 - DNA replicazione e, 114– 115 - emoglobina e, 72, 75–76, 138 - enzimi e, 61–70 - frammentazione dell’amido e, 61, 62 - funzioni di, 56–60, 72 - geni e costruzione di, 77–80 - nucleo, 37–39 - proprietà, 77 - ripiegamenti di, 174, 174n - ruolo nella divisione cellulare, 70 - sintesi, 46–47, 165–167,

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202 - struttura e forma, 73–76, 86, 161, 174, 174n proteine, tipi di, 57, 69, 72 - actina, 71, 72 - ADA, 199–200 - globine, 76 - istoni, 42, 43, 122, 123, 144 - insulina, 72 - miosina, 57, 71, 72 - subunità, 76, 165–166 proteomica, 209 protozoi, 48, 52, 100, 178 pseudogeni, 142–143 SXULÀFDWR'1$ ² R reazioni chimiche, 65–67, 69–70, 72 replicazione del DNA. (v. DNA, replicazione del) restrizione, enzima di, 188, 204–205 reticolo endoplasmatico, 25, 31–32, 36, 165, 174 - liscio, 25 - rugoso, 25 riboenzimi, 202 ribonucleotidi, 159 ribosio, 159 ribosomi, 31, 32, 34, 38, 45, 80, 114, 152 - in traduzione, 165–166, 170–173 ricombinazione genetica, 183–191 rimescolamento degli esoni, 155–156 riproduzione - asessuata, 100 - cellulare. (v. divisione cellulare) - umana/animale, 92–97, 101 RISC (complesso per il silenziamento indotto

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dall’RNA), 202 RNA. (v. anche mRNA; tRNA), 11–12, 37, 43, 44, 45, 56, 57, 156–162 - basi/caratteristiche, 156– 158 - di traferimento. v. tRNA ÁHVVLELOLWjGHO² 164 - interferente (siRNA, short interfering RNA), 201–203 - interferenze del, 201–203 - messaggero (mRNA), 152, 153, 161 - microRNA (miRNA), 202 - molecole, 202 - ribonucleotidi, 159 - ribosomale (rRNA), 161, 165 - rinascimento del, 201 - sequenza di base, 141, 146–150, 153, 160–161, 170–171, 203 - sequenze, 58 - siRNA (short interfering RNA), 201–203 - struttura 160–161, 164 - terapie mediche a base di, 203 - zuccheri e fosfati, catena principale, 158–159 RNA, tipi di, 161–162 RISC (complesso per il silenziamento indotto dall’RNA), 202 RNA polimerasi, 148–154 RNA primer, 115–116, 188, 204 rRNA (RNA ribosomale), 161, 165 RT-PCR, 204. (v. anche PCR Polymerase Chain Reaction) S sangue, 49, 75–76 - cellule, 75–76

- zucchero, 61–62, 185, 196. (v. anche glucosio) SELEX, metodo (Sistematic Evaluation of Ligands by Exponential Enrichment), 203 serina, 74, 75, 154, 167–169 simbiotica, relazione, 48 sindrome metabolica, 196–197 siRNA (short interfering RNA), 201–203 sistema circolatorio, 51 sistema digerente, 32, 48– 51, 59, 61–62, 67, 69–70 sistema respiratorio, 51 somatica, cellula, 207–208 S, fase, 128–129 spindle apparatus, 126 spliceosomi, 154 splicing, 154, 155 staminali (v. cellule, tipi di) sterico, ingombro, 76 stomaco, 48–51, 59 stop, codone di, 169, 170, 172–173 VWXGLGHPRJUDÀFL struttura a perle del DNA, 42–44, 70, 144–145 substrato, 65 subunità, 76, 165–166 VXIÀVVLJUHFLY*UHFL SUHÀVVLVXIÀVVL sviluppi futuri, 209 T T (timina), 85, 107–108, 157–160 tecnologie genetiche, - allevamento, migliorie mediante ibridazione, 183–184 - allevamento/incrocio 193, 195, 206 - animali transgenici, 192– 195 - clonazione animale, 205–

208 - futuro della biologia molecolare, 209 - genomica, 209 - individuare e isolare il DNA, 191–192 - interferenza dell’RNA, 201–203 - medicina personalizzata, utilizzo della, 196–198 - moltiplicazione, 189–190 - PCR (polymerase chain reaction), 70, 108–120, 187– 189, 191, 203–205 - proteomica, 209 - ricombinazione genetica, 176, 183–191 - ricombinazione genetica (taglia e incolla), 186, 188– 189 - rinascimento dell’RNA, 201 - terapia genica 196, 198– 200 - trasduzione e clonaggio, 186, 189–191 telofase, 126 tendini, 49 terapia genica, 196, 198–200 tessuti, 49–50, 73, 103 - adiposi, 49 - connettivo, 49, 50 FRQQHWWLYRÀEURVR - epiteliale/epitelio, 49, 50 - muscolare, 49, 50 - nervoso, 49, 50 - ossa, 49 - sangue, 49, 75–76 - stomaco, 48–51 thermus aquaticus, 204 timina (T), 85, 107–108, 157–160 tirosina, 74, 75, 154, 169 topi, 192–195, 202, 208 - knockout,, 192–195 topoisomerasi, 70 totipotenti, cellule, 193, 209

trachea, 51 traduzione, - amminoacidi in, 166–173 - appaiamento barcollante delle basi, 171 - codoni, 166, 168–170, 171, 173 - meccanismo di sintesi delle proteine, 165–167 - mRNA in, 80, 165–166 - pre-inizio complesso di, 166 - ribosomi in, 165–166, 170–173 - tRNA e, 165–167, 170–173 transgene, 193 transgenici, animali, 192– 195 trascrizione, 45, 58, 138– 142 - cromatina e, 144–145, 148 - di informazioni genetiche, 139 - esoni ed introni, 153–156 - eterocromatina, 145 ÀODPHQWLFRGLÀFDQWL 146–147 - mRNA in, 146–147, 153– 154 - pseudogenesi, 142–143 - RNA polimerasi, 148–154 - splicing, 154 trasduzione e clonazione, 186, 189–191 3´ (3 primo), terminazione, 117–118 treonina, 74, 169 triptofano, 74, 169 tRNA (RNA di trasferimento), 161, 165– 167, 202 - in traduzione, 165–167, 170–173 - sequenze di base del, 165, 170–171 tumori, 130, 200 - al cervello, 200

- alla pelle 194 - all’intestino, 196 - al seno, 200 - cause di, 130, 137, 194, 196–198 - esame DNA, 88 - geni della soppressione, 130 - malattie dipendenti dallo stile di vita, 196–198 - terapia genica 196, 198– 200 - trattamenti per, 181–184, 194 U unicellulari, organismi. (v. organismi unicellulari) UV (luce ultravioletta), 137, 191, 194 V valina, 74, 76, 169 vasi sanguigni, 51, 59 vero nucleo, 52 vescicola di trasporto transmembrana, 26 vescicole, 26, 31, 32 vettori, 185, 189–190, 195, 199, 205 viscerali, muscoli, 50 Z zigoti, 101 zuccheri, - sangue, 61–62, 185, 196 - DNA vs. RNA, 158–159 - glucosio, 23, 33, 61–62, 69 zuccheri e fosfati, catena principale, 107, 158–159, 191

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L’autore Il dottor Masaharu Takemura ha lavorato come ricercatore associato nella facoltà di Medicina alla Nagoya University School of Medicine (Giappone), come membro visitatore alla Oxford University (Inghilterra) e come ricercatore associato alla Mie University (Giappone). Al momento lavora come professore associato alla facoltà di Scienze presso la Tokyo University of Science. Ha pubblicato molti articoli VFLHQWLÀFLHOLEULGLDUJRPHQWRELRORJLFRLQFOXVLOLEULGLELRORJLD molecolare, scienze della vita e libri di didattica.

RagazZi, vi siete fatTi vecChi!

Non che lei sia un giovincelLo! DobBiamo riadDormentarlo?