Genetica: concetti chiave, malattie e genoma umano

GENETICA

È lo studio della struttura e della funzione dei geni; della struttura, trasmissione, espressione dell'informazione genetica costituita dal DNA.

• Genetica molecolare: studia la struttura, funzione e organizzazione degli acidi nucleici;
• Genetica umana: aspetti genetici riguardanti l'uomo;
• Genetica medica: diagnosi e trattamenti di patologie ereditarie;
• Genetica di popolazione: studia differenze genetiche alla base della variabilità fenotipica delle diverse popolazioni.

Malattie genetiche

a) Cromosomiche: anomalie nel numero o nella struttura dei cromosomi; b) Monogeniche: causate da mutazioni ovvero alterazioni di un singolo gene che si roba all'interno di uno specifico cromosoma. c) Complesse: multifattoriali, dipendono sia da fattori ambientali che genetici; d) Somatiche: causate da anomalie genetiche acquisite, non ereditarie.

Pratica medica

La genetica è coinvolta in tante branche della medicina.

• Pediatria: identificazione di alterazioni del genoma per comprendere l'origine di malformazioni congenite.
• Ginecologia: esame dei villi coriali / liquido amniotico per identificare anomalie cromosomiche in caso di diagnosi prenatale con esito positivo.
• Oncologia: ricerca di mutazioni alla base di una storia familiare di tumore.

GENOMA UMANO

È costituito da acido desossiribonucleico (DNA) che contiene le informazioni necessarie per lo svolgimento delle attività cellulari. Dove si trova il DNA? Nel nucleo e nei mitocondri. Contiene 3 miliardi di nucleotidi raggruppati in cromosomi. Le cellule possono essere:

• Somatiche = DIPLOIDI (2n) - 46 cromosomi di cui 22 coppie di AUTOSOMI e 1 coppia di CROMOSOMI SESSUALI che sono XX nella donna e XY nell'uomo.
• Sessuali= APLOIDI (n) - 23 cromosomi, quindi 1 per ciascuna coppia. Queste cellule si Three nonhomologous Three pairs of homologous chromosomes chromosomes uniscono per formare una cellula diploide, ad esempio i gameti formano lo zigote. Haploid (N) One copy of a genome distributed among chromosomes Diploid (2N) Two copies of a genome distributed among chromosomes

Il numero di cromosomi (assetto cariotipico) varia da specie a specie ma NON è correlato alla complessità dell'organismo. Infatti, alcune specie di felci hanno oltre 1000 cromosomi, tuttavia sono organismi molto semplici. I membri di una coppia sono detti cromosomi omologhi, hanno gli stessi geni disposti nello stesso ordine ma con una sequenza parzialmente differente: infatti una coppia è ereditata dal padre e una dalla madre. Per questo, per lo stesso gene, abbiamo 2 forme dette alleli - occupano lo stesso locus e controllano lo stesso carattere (es. colore del fiore). allele per il colore rosso coppia di cromosomi omologhi locus per il gene colore del fiore allele per il colore bianco Cosa si intende per gene? Il gene è un segmento di DNA che rappresenta un'unità funzionale e contiene l'informazione necessaria per la sintesi di una proteina specifica o di un RNA non codificante. Ci sono due categorie di geni:

1. Protein coding genes (2%): che codificano per ALMENO una proteina;
2. Non coding genes (80%) : non codificanti o ad RNA che non codificano per proteine. Hanno funzioni effettorie e regolatorie, sono studiati anche per la loro possibilità di essere utilizzati come biomarcatori per patologie.

Genotipo: insieme caratteristiche genetiche. Fenotipo: espressione del genotipo - caratteristiche fisiche, biochimiche, mentali. Cellule germinali: cellula che dà origine ai gameti di un organismo che si riproduce per via sessuale ed unità di base della riproduzione sessuata (spermatozoi e uova). Cellule somatiche: cellule che formano un organismo multicellulare ad eccezione delle cellule della linea germinale. Sono ad esempio cellule della pelle, dei muscoli, delle ossa ..

ACIDI NUCLEICI

Sono polimeri di nucleotidi. I nucleotidi sono formati da 1 gruppo FOSFATO+ZUCCHERO+BASE AZOTATA. Da non confondere con il nucleoside che ha una struttura estremità 5' 0 0=P-0" 0 5' CH2 0 base CH HC H H 0 H 0=P-0" | 0 analoga ma senza il gruppo fosfato. L'informazione genetica è data dalle BASI. Lo zucchero e il fosfato formano lo scheletro della molecola. Gli acidi nucleici hanno una struttura ripetitiva e asimmetrica, perché ciascun gruppo fosfato lega il carbonio 5' e il carbonio 3' dello zucchero. HAN/H O H O=P-O CH C Phosphate group I H Nitrogenous base (adenine) H H OH H ThoughtCo. NUCLEOSIDE NUCLEOTIDE > Gli zuccheri degli acidi nucleici sono ribosio ( per RNA) e Desossiribosio (DNA). Sono entrambi zuccheri pentosi (a 5 atomi di carbonio). Oltre alla molecola di cui fanno parte hanno anche un'altra differenza: il ribosio lega un gruppo -OH (ossidrile) al carbonio 2', mentre il Desossiribosio ci lega un atomo di idrogeno. deossiribosio ribosio OH 5' CH2 0 H - 4'C H H CI 1 1 - H 3'1 2' H H 3'1 2' H OH H OH OH Le basi azotate possono essere purine o pirimidine. Purine adenina (A) guanina (G) NH2 0 II C N 6 - HN C 1 5 1 8 CH 2 4 ℃ 9 3 N N H H2N H Formano un anello a 6 LEGAMI + 5 LEGAMI a idrogeno. Pirimidine citosina (C) NH2 C C C 4 4 HN C HN 3 `CH 3 5 5 c2 6 CH C 6 CH C2 6 CH 0 N N H H Formano un unico anello a 6 LEGAMI a idrogeno. timina (T) uracile (U) 0 0 CH3 N 5 CH 3 5 7 3 CH 2 9 C 4 C HC 3 N 0 = 0 ZI H C 6 - N N C 5'CH2 0 H 1 4'CH HCI OH N Pentose Sugar 0- .2Nel DNA: l'adenina forma un DOPPIO legame con la timina + la citosina forma un TRIPLO legame con la guanina. Nell'RNA: l'adenina forma un DOPPIO legame con l'uracile + la citosina forma un TRIPLO legame con la guanina.

REPLICAZIONE DEL DNA

Quando è necessaria? Per la replicazione cellulare. Infatti, quando la cellula si divide per originare due cellule figlie deve dividere tutto il materiale genetico equamente. Per questo le celule figlie sono geneticamente identiche. Come avviene? I due filamenti di DNA parentale si separano e ciascuno serve da stampo per la sintesi di un nuovo filamento la cui sequenza è dettata dalla specificità delle basi. Questo procedimento avviene sempre in direzione 5'-3'! È un processo semiconservativo perché un filamento di DNA parentale viene conservato in ogni cellula figlia. Quali sono i requisiti ? GC TA GC C (G DNA parentale A >ST TRA G )c A ST estremi in crescita dei nuovi filamenti di DNA CG TVA C(G TA AT GC CG TJA GC AT TA CG DNA delle eliche figlie

1. Nucleotidi, che sono la materia prima da assemblare.
2. Tempo, cioè due filamenti singoli parentali.
3. Enzimi e proteine, che leggono lo stampo e aggiungono i nucleotidi.

DNA POLIMERASI

È l'enzima chiave di questo processo. Appartiene alla classe delle transferasi, che catalizzano l'aggiunta di un deossinucleotide trifosfato a una molecola di DNA. deossinucleoside trifosfato + DNAn ¿ difosfato + DNAn+1. Si vede il passaggio da un tri-fosfato a un di-fosfato, dunque vi è stata la sottrazione di un gruppo fosfato tramite reazione di idrolisi che libera energia per l'espletamento della reazione stessa. Il +1 è un mononucleotide. Qual è la funzione chiave dell'enzima? Funzione di proofreading ovvero correzione di bozze, per correggere eventuali errori commessi nell'aggiunta di nucleotidi. Una volta riconosciuto l'errore attiva l'esonucleasi che in direzione 3'-5' rimuove il nucleotide sbagliato e aggiunge quello corretto.

Replicazione del DNA: filamenti

Prima abbiamo detto che la replicazione avviene sempre in direzione 5'-3', questo fa si che si creino due situazioni diverse sui diversi filamenti:

• Su un filamento il processo è continuo (filamento anticipato)
• Sull'altro filamento è discontinuo e si formano i frammenti di Okazaki che vengono poi uniti grazie alla ligasi. 5' 3' 5' 3' 5' 3' movimento della forca replicativa C sintesi del DNA sintesi del DNA B B elicasi sulla forca replicativa A A 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' 3' 5' filamento anticipato filamento ritardato

All'interno di un unico cromosoma eucariotico abbiamo molteplici punti di replicazione del DNA. Questo è importante per velocizzare il processo. Infatti, se pensiamo alle cellule epiteliali, queste vengono sostituite ogni giorno quindi serve rapidità. Anche perché parliamo di 2 metri di DNA per ogni cromosoma. Detto ciò, come ci può are un quantitativo del genere all'interno di strutture microscopiche?

PACKAGING DELLA CROMATINA

Il DNA può essere contenuto nelle cellule grazie a ripiegamenti e avvolgimenti ordinati di spiralizzazione. La cromatina è una costruzione sovramolecolare costituita dalle molecole di DNA genomico e proteine. ISTONI + DNA + PROT. NON ISTONICHE = CROMATINA La cromatina può essere di due tipi in base al grado di condensazione. -eucromatina : meno condensata - attività di trascrizione intensa perché più accessibile ai fattori di trascrizione. -eterocromatina: più condensata dunque non accessibile e non presenta attività . Si distingue in costitutiva che non viene mai trascritta e facoltativa che viene inattivata in modo specifico in alcune fasi H3 Histone della vita. H2A Histone Il primo grado di impacchettamento è costituito dai nucleosomi. Strutture formate da 8 molecole di istoni (H2B, H2A, H3, H4) attorno al quale ci sono 2 giri di DNA + istone H1 per la stabilità della struttura. adobe Stock H2B Histone H1 Histone H4 Histone

L'impacchettamento poi continua fino al DNA cromosomico metafasico che rappresenta il massimo grado e che fa si che il DNA rientri nei 10 micrometri del nucleo cellulare.

CROMOSOMA

Il cromosoma è la struttura con cui, durante il processo riproduttivo della cellula, ciascuna unità funzionale di DNA, dopo essersi duplicata, si compatta associata a specifiche proteine e viene trasmessa alle cellule figlie. Funzioni :

• Compattare DNA all'interno del nucleo;
• Trasmissione DNA alle cellule figlie;
• Organizzare DNA in una struttura ordinata e accessibile. telomero origine di replicazione

Struttura del cromosoma

-Telomero: estremo dei cromosomi con struttura eterocromatinica per impedire accorciamento del materiale genetico durante la replicazione. İ origine di replicazione centromero origine di replicazione -Centromero: costituito da DNA altamente ripetuto con struttura eterocromatinica. È essenziale per la corretta segregazione dei cromatidi urlante mitosi e meiosi, altrimenti si presenterebbero delle anomalie cromosomiche. origine di replicazione telomero

TRASCRIZIONE

Processo di trasferimento dell'informazione genetica contenuta nel DNA in un filamento complementare di RNA definito RNA messaggero. Come avviene? Grazie all'azione dell'RNA polimerasi che aggiunge un nucleotide complementare a quello sul filamento di dna in direzione 5'-3'. Affinché il processo possa avvenire è necessario l'apertura e lo srotolamento del DNA. Possiamo dividere il processo in 3 fasi: inizio, allungamento, terminazione. Ma prima dell'inizio vi è il controllo della forma cromatinica. Infatti, se troppo condensata viene resa eucromatica quindi accessibile. Per far questo avviene la modifica post-traduzionale degli istoni perché hanno delle code che vengono lette e da cui dipende il grado di condensazione della cromatina. Gli enzimi