GENETICA AGRARIA

 

DNA dei Procarioti (Batteri e Archaea)

Definizione scientifica

Il DNA dei procarioti è costituito da una singola molecola circolare di DNA a doppia elica, localizzata in una regione del citoplasma detta nucleoide, priva di membrana.

Caratteristiche principali

• Forma: generalmente circolare (eccetto rare eccezioni).

• Organizzazione: poco complessa, non avvolta attorno a istoni (nei batteri) ma associata a proteine chiamate nucleoproteine o proteine NAPs (Nucleoid-Associated Proteins).

• Numero di cromosomi: quasi sempre uno.

• Presenza di plasmidi: molto comune; i plasmidi sono piccole molecole circolari di DNA extrachromosomico, replicantesi autonomamente.

• Regione cellulare: nucleoide, che non è delimitato da membrana.

• Trascrizione e traduzione: possono avvenire simultaneamente, perché non c’è una separazione compartimentale.

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DNA degli Eucarioti (animali, piante, funghi, protisti)

Definizione scientifica

Il DNA degli eucarioti è contenuto in cromosomi lineari organizzati nel nucleo, avvolti attorno a proteine chiamate istoni che formano strutture altamente compattate dette cromatina.

Caratteristiche principali

• Forma: cromosomi lineari.

• Organizzazione: molto complessa, con:

  • istoni (H2A, H2B, H3, H4) che formano nucleosomi;

  • diversi livelli di compattazione fino al cromosoma metafasico.

• Numero di cromosomi: variabile, tipicamente molti (es. umani 46).

• Compartimentazione: localizzato nel nucleo, separato dal citoplasma da una membrana nucleare.

• DNA extranucleare: presente anche in:

• cloroplasti nelle piante (DNA plastidiale, circolare).

• mitocondri (DNA mitocondriale, circolare);

• Trascrizione e traduzione: avvengono in compartimenti distinti (nucleo e citoplasma).

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Differenza sintetica

Caratteristica	Procarioti	Eucarioti
Forma del DNA	Circolare	Lineare
Organizzazione	Semplice, senza istoni (nei batteri)	Complessa, con istoni
Numero di cromosomi	Uno	Molti
Localizzazione	Nucleoide	Nucleo
Plasmidi	Frequenti	Rari (solo in certi lieviti)
Trascrizione e traduzione	Simultanee	Separate

Definizione chimica del DNA (Acido Desossiribonucleico)

Dal punto di vista chimico, il DNA è un polimero lineare appartenente alla classe degli acidi nucleici, costituito da unità ripetute chiamate deossiribonucleotidi.

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1. Composizione chimica dei nucleotidi

Ogni deossiribonucleotide è formato da tre componenti chimiche:

a) Uno zucchero pentoso: la desossiribosio

• Formula chimica: C₅H₁₀O₄

• È un pentoso ciclico (furanosio).

• La mancanza dell’ossigeno sul carbonio 2' (da cui desossi) lo distingue dal ribosio dell’RNA.

b) Un gruppo fosfato (PO₄³⁻)

• Acido fosforico esterificato al carbonio 5’ dello zucchero.

• Può formare legami fosfodiesterici 3'-5' con i nucleotidi vicini → fondamentale per la struttura a polimero.

c) Una base azotata

Appartiene a due famiglie chimiche:

Purine (a doppio anello):

• Adenina (A)

• Guanina (G)

Pirimidine (a singolo anello):

• Citosina (C)

• Timina (T)

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2. Legame chimico tra i nucleotidi: Legami Fosfodiesterici

I nucleotidi sono uniti da legami fosfodiesterici 3'-5':

• Il 3’-OH di un nucleoside attacca l’atomo di fosforo del fosfato 5’ del nucleotide successivo.

• Si forma una catena polimerica con scheletro zucchero-fosfato.

Questo costituisce una struttura direzionale, con estremi 5' e 3'.

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3. Struttura chimica della doppia elica

Il DNA è formato da due filamenti antiparalleli, uniti da legami idrogeno tra basi complementari:

• A = T → 2 legami idrogeno

• G ≡ C → 3 legami idrogeno

Questi legami non sono covalenti, ma deboli, e permettono la replicazione semiconservativa.

La geometria complessiva forma una doppia elica destrorsa (B-DNA), con:

• Solco maggiore

• Solco minore

derivati dalla disposizione asimmetrica delle basi.

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4. Proprietà chimiche rilevanti

a) Carica elettrica

Il gruppo fosfato conferisce al DNA una carica negativa netta a pH fisiologico.

b) Stabilità

• Elevata stabilità chimica grazie allo zucchero desossiribosio e all'assenza del gruppo 2'-OH.

• Stabilizzato da:

  • legami idrogeno;

  • interazioni idrofobiche;

  • stacking aromatico tra le basi (interazioni π-π).

c) Solubilità

• Molto solubile in acqua per la presenza dei fosfati ionizzati.

• Insolubile in solventi organici apolari.

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Definizione scientifica sintetica

Il DNA è un polimero lineare di deossiribonucleotidi uniti da legami fosfodiesterici 3'-5', costituito da uno scheletro zucchero-fosfato e basi azotate puriniche o pirimidiniche che, tramite legami idrogeno complementari, formano due filamenti antiparalleli avvolti in una doppia elica.

Replicazione del DNA – Descrizione tecnico-scientifica

La replicazione del DNA è il processo mediante il quale una cellula duplica accuratamente il proprio materiale genetico. È un meccanismo semiconservativo, bidirezionale ed enzimaticamente regolato, che garantisce la trasmissione fedele dell’informazione genetica alle cellule figlie.

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1. Inizio (Inizio della Replicazione – Initiation)

a) Origini di replicazione (ORI)

• Procarioti: una singola origine (OriC).

• Eucarioti: numerose origini su ogni cromosoma.

b) Attivazione dell’origine

• Complessi proteici specifici riconoscono ORI:

  • Procarioti: DnaA lega sequenze ricche in A-T.

  • Eucarioti: ORC (Origin Recognition Complex).

L’interazione provoca un local melting del DNA, cioè la separazione dei due filamenti.

c) Apertura della doppia elica

• Enzima chiave: elicasi (DnaB nei batteri, MCM negli eucarioti).

• L’elicasi rompe i legami idrogeno tra le basi, formando la bolla di replicazione.

d) Stabilizzazione dei filamenti

• SSB (Single-Strand Binding Proteins) nei procarioti;

• RPA (Replication Protein A) negli eucarioti.

Evitano la riappaiatura dei filamenti separati.

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2. Preparazione del filamento stampo

a) Eliminazione delle tensioni di superavvolgimento

• Enzimi: topoisomerasi

  • Procarioti: DNA-girasi (topoisomerasi II).

  • Eucarioti: topoisomerasi I e II.

Tagliano temporaneamente il DNA per rimuovere la torsione generata dall’avanzamento dell’elicasi.

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3. Sintesi del primer

La DNA polimerasi non può iniziare la sintesi da zero: necessita di un 3’-OH libero.

• Enzima: primasi

  • Procarioti: complesso DnaG.

  • Eucarioti: DNA pol α / primasi.

Produce un primer di RNA, che fornisce l’estremità 3’-OH necessaria.

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4. Allungamento (Elongation)

a) Direzionalità della sintesi

La DNA polimerasi sintetizza solo in direzione 5' → 3'.

Filamento leading (continuo)

• Sintesi continua nella direzione dell’avanzamento della forcella.

• Procarioti: DNA polimerasi III.

• Eucarioti: DNA pol δ (delta).

Filamento lagging (discontinuo)

• Sintesi opposta all’avanzamento della forcella → frammenti di Okazaki.

• Richiede primer multipli.

• Procarioti: DNA pol III.

• Eucarioti: DNA pol δ.

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5. Rimozione dei primer e sostituzione con DNA

Procarioti

• DNA polimerasi I rimuove i primer con attività esonucleasica 5'→3' e li sostituisce con DNA.

Eucarioti

• Complesso RNase H + FEN1 elimina i primer.

• DNA pol δ riempie i gap.

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6. Chiusura della catena (Ligation)

L’enzima DNA ligasi forma legami fosfodiesterici tra i frammenti adiacenti, rendendo il filamento continuo.

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7. Terminazione

Procarioti

• La replicazione termina alle sequenze Ter, riconosciute dalla proteina Tus, che arresta la forcella.

Eucarioti

• La terminazione è meno definita e avviene quando forcelle convergono.

• Problema delle estremità lineari: accorciamento dei telomeri.

Telomerasi

Negli eucarioti eucarioti germinali e staminali:

• Estende i telomeri usando un suo RNA stampo.

• È una reverse transcriptase.

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Caratteristiche fondamentali del processo

✓ Semiconservativo

Ogni molecola figlia conserva un filamento parentale e ne sintetizza uno nuovo.

✓ Bidirezionale

Da ogni origine partono due forcelle di replicazione.

✓ Elevata fedeltà

Grazie a:

• Selezione base-per-base;

• Proofreading (attività esonucleasica 3’→5’ delle polimerasi);

• Sistemi di riparo del DNA (Mismatch Repair).

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Sintesi estremamente concisa (per slide o manuali)

La replicazione del DNA è un processo semiconservativo, bidirezionale e altamente regolato, in cui elicasi apre la doppia elica, primasi sintetizza primer di RNA, DNA polimerasi estende i filamenti leading e lagging, i primer sono rimossi e sostituiti, e DNA ligasi sigilla i frammenti, garantendo la duplicazione fedele del patrimonio genetico.

1. Definizione di GENE (in biologia molecolare moderna)

Un gene è una unità funzionale di informazione genetica costituita da una sequenza specifica di DNA (talvolta RNA nei virus) che contiene:

1. Sequenze regolative (promotori, enhancers, silencers, operatori)

2. Sequenza trascritta

   • Esone (regioni codificanti o funzionali)

   • Introni (negli eucarioti)

3. Sequenze per la terminazione

Il gene non è solo un tratto di DNA che codifica una proteina, ma qualsiasi sequenza che produce un prodotto funzionale, che può essere:

• una proteina (gene codificante proteine),

• un RNA funzionale (rRNA, tRNA, miRNA, snRNA, ecc.).

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2. Espressione genica – Definizione scientifica

L’espressione genica è il processo mediante il quale l’informazione contenuta in un gene viene utilizzata per sintetizzare un prodotto funzionale (proteina o RNA funzionale).

È un processo regolato, complesso e dinamico, che determina quali geni sono attivi e in quale quantità.

L'espressione genica comprende due fasi fondamentali:

1. Trascrizione

2. Traduzione (solo per i geni proteici)

Negli eucarioti include anche processi post-trascrizionali e epigenetici.

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3. Sintesi proteica – Descrizione tecnico-scientifica

La sintesi proteica si articola in due fasi principali:

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A) TRASCRIZIONE – dal DNA all’RNA messaggero (mRNA)

1. Inizio (Initiation)

• La RNA polimerasi si lega al promotore.

  • Procarioti: RNA pol + fattore σ

  • Eucarioti: RNA pol II + fattori di trascrizione (TFII)

In questa fase si apre localmente la doppia elica (bubble di trascrizione).

2. Allungamento (Elongation)

• La RNA polimerasi sintetizza l’RNA in direzione 5' → 3' usando il filamento stampo del DNA.

3. Terminazione

• Procarioti: terminazione rho-dipendente o rho-indipendente.

• Eucarioti: sequenza di poliadenilazione + rilascio del trascritto.

4. Maturazione dell’RNA (solo eucarioti)

• Capping 5'

• Splicing (rimozione introni, unione esoni)

• Aggiunta della coda poli-A 3'
  → mRNA maturo.

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B) TRADUZIONE – dall’mRNA alla proteina

La traduzione avviene nei ribosomi, complessi ribonucleoproteici formati da rRNA e proteine.

1. Inizio (Initiation)

• Il ribosoma si lega al sito di inizio:

  • Procarioti: sequenza Shine–Dalgarno.

  • Eucarioti: riconoscimento del cap 5' e scanning fino al codone AUG.

• Si inserisce il tRNA metioninico (fMet nei procarioti).

2. Allungamento (Elongation)

Processo ciclico in tre fasi:

1. Entrata del tRNA aminoacilato nel sito A

2. Formazione del legame peptidico grazie alla peptidil-transferasi (attività dell’rRNA 23S/28S)

3. Traslocazione del ribosoma lungo l’mRNA

La catena polipeptidica cresce in direzione N-terminale → C-terminale.

3. Terminazione

• Avviene quando il ribosoma incontra un codone di stop (UAA, UAG, UGA).

• Le release factors liberano il polipeptide.

4. Piegamento e modifiche post-traduzionali

• Formazione della struttura terziaria e quaternaria.

• Modifiche chimiche: fosforilazione, glicosilazione, acetilazione, ubiquitinazione, ecc.

• Eventuale trasporto verso organelli o secrezione.

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Sintesi finale in linguaggio scientifico

Un gene è una sequenza di DNA che contiene le informazioni necessarie per produrre un RNA funzionale o una proteina. L’espressione genica è il processo regolato mediante il quale l’informazione genetica viene letta e convertita in un prodotto funzionale. La sintesi proteica è l’insieme dei processi di trascrizione del DNA in mRNA e di traduzione dell’mRNA in una catena polipeptidica, che poi subisce piegamento e modificazioni post-traduzionali per diventare una proteina funzionale.