Flusso dell'informazione genetica: dal gene all'enzima e proteina

Flusso dell'informazione genetica

Lidia Corti«UN GENE - UN ENZIMA» «UN GENE - UNA PROTEINA» «UN GENE - UNA CATENA POLIPEPTIDICA»Una volta definita la struttura molecolare del DNA, l'attenzione degli scienziati si spostò sulla necessità di capire come le informazioni genetiche vengano codificate, trasportate fuori dal nucleo e decodificate. nuovo campo di ricerca, dunque, divenne l'espressione genica, cioè il processo che porta dal DNA alle proteine.

Fu solo a metà del Novecento, che i biologi cominciarono davvero a capire come tutte le attività biochimiche della cellula, compresa la sintesi degli enzimi, dipendessero dall'azione degli enzimi stessi. Nel 1941, il genetista G. Beadle e il biochimico E. Tatum riuscirono a dimostrare la relazione esistente tra le mutazioni e la perdita di funzionalità di alcuni enzimi nella muffa del pane.

Un gene - un enzima: premessa

PREMESSA MUFFA NON MUTATA REAZIONI BIOCHIMICHE ENZIMI X X MUFFA MUTATA REAZIONI BIOCHIMICHE ENZIMIG. BEADLE E E. TATUM (1909 - 1975) 1941 (1903 - 1989)

Organismi modello: come sceglierli?

SONO SEMPLICI DA FAR CRESCERE IN LABORATORIO O IN SERRA

IL TEMPO DI GENERAZIONE È CORTO

SONO FACILI DA MANIPOLARE GENETICAMENTE, PER INCROCIO O ALTRI METODI

SPESSO PRODUCONO PROGENIE NUMEROSE

Un gene - un enzima: Neurospora crassa

Beadle e Tatum usarono come organismo modello la Neurospora crassa (muffa del pane), un organismo con due grandi vantaggi:

• Facile da coltivare in laboratorio -> il ceppo selvatico (wild-type) può crescere anche su un terreno minimo (saccarosio, Sali minerali, biotina)
• Aploide (n) per gran parte del ciclo vitale -> è immediata l'interpretazione dei risultati di test genetici perché non ci sono cromosomi omologhi che possano mascherare mutazioni recessive.

Un gene - un enzima: terreno minimo

I due ricercatori fecero crescere Neurospora su un terreno minimo, cioè contenente solo pochi nutrienti. Partendo da questo terreno, gli enzimi dei ceppi selvatici erano capaci di catalizzare tutte le reazioni metaboliche per crescere e riprodursi.

MUFFA NON MUTATA REAZIONI BIOCHIMICHE ENZIMI

Un gene - un enzima: raggi X e radiazioni UV

Beadle e Tatum irradiarono ceppi wild-type di Neurospora con raggi X e radiazioni UV (agenti mutageni che causano mutazioni). Spore di Neurospora crassa wild-type AGENTI MUTAGENI TERRENO COMPLETO Scopo = volevano creare mutazioni casuali e studiarne gli effetti sulla capacità di Neurospora di crescere su terreno minimo. Fecero crescere le spore irradiate di Neurospora su un terreno completo (contenente cioè anche tutti gli AA e le vitamine).

Un gene - un enzima: provette con AA

Fecero crescere le spore irradiate di Neurospora in 20 provette (contenenti ciascuna un AA) su terreno completo. Videro che le spore crescevano in tutte le provette, tranne nella provetta contenente l'arginina.

RAGGI X Gly Ser Ala Phe Val Tyr Trp Glu Gln Arg Î Ile Asp Lys Cys His Pro Leu Asr Met Th

Un gene - un enzima: mutanti nutrizionali

TERRENO MINIMO MUTANTI NUTRIZIONALI Beadle e Tatum provarono che questi ceppi mutanti necessitavano di una aggiunta nel terreno di arginina (AA).

x × MUFFA MUTATA REAZIONI BIOCHIMICHE ENZIMI

Via biosintetica dell'arginina

La via biosintetica dell'arginina a partire da una molecola precursore consta di tre passaggi regolati da 3 enzimi:

Molecola precursore Ornitina Citrullina Arginina ENZIMA 1 ENZIMA 2 ENZIMA 3

Enzima 1 = catalizza la trasformazione della molecola precursore in ornitina Enzima 2 = catalizza la trasformazione dell'ornitina in citrullina Enzima 3 = catalizza la trasformazione della citrullina in arginina

Via biosintetica dell'arginina: terreni di coltura

Beadle e Tatum prepararono 4 terreni di coltura diversi:

A B C D

Terreno A = terreno minimo Terreno B = terreno minimo + ornitina Terreno C = terreno minimo + citrullina Terreno D = terreno minimo + arginina

Mutanti nutrizionali: classe I

CLASSE I

Molecola precursore Ornitina Citrullina Arginina ENZIMA 1 ENZIMA 2 ENZIMA 3

MUTANTI NUTRIZIONALI CLASSE I

A B C D

I cappi mutanti della classe I potevano crescere nei terreni B, C e D, ma non in A. Quindi, nelle Neurospore di classe I, l'enzima non funzionante è il primo (enzima 1).

Mutanti nutrizionali: classe II

CLASSE II

Molecola precursore Ornitina Citrullina Arginina ENZIMA 1 ENZIMA 2 ENZIMA 3

MUTANTI NUTRIZIONALI CLASSE II

A B C D

I cappi mutanti della classe II potevano crescere nei terreni C e D, ma non in A e in B. Quindi, nelle Neurospore di classe II, l'enzima non funzionante è il secondo (enzima 2).

Mutanti nutrizionali: classe III

CLASSE III

Molecola precursore Ornitina Citrullina Arginina ENZIMA 1 ENZIMA 2 ENZIMA 3

MUTANTI NUTRIZIONALI CLASSE III

A B C D

I cappi mutanti della classe III potevano crescere nei terreni D, ma non in A, in Be in C. Quindi, nelle Neurospore di classe III, l'enzima non funzionante è il terzo (enzima 3).

Supplemento aggiunto al substrato minimo

Supplemento aggiunto al substrato minimo Nessuno Ornitina Citrullina Arginina

Il ceppo selvatico (wild type) cresce in tutti i substrati. A Ceppo selvatico

Il ceppo mutante 1 cresce solo in presenza di arginina. B Ceppo mutante 1

Il ceppo mutante 2 cresce sia con arginina sia con citrullina. Converte la citrullina in arginina, ma non l'ornitina in citrullina. C Ceppo mutante 2

Il ceppo mutante 3 cresce se almeno uno dei tre supplementi viene aggiunto. D Ceppo mutante 3

Il ceppo 3 è bloccato qui. Il ceppo 2 è bloccato qui. Il ceppo 1 è bloccato qui.

Gene a Gene b Enzima B Gene c Enzima A Enzima C Precursore > Ornitina > Citrullina >Arginina

Conclusione: ogni gene specifica un particolare enzima

«UN GENE - UN ENZIMA» CONCLUSIONE: Ogni gene specifica un particolare enzima.

Premio Nobel per la Medicina

PREMIO NOBEL PER LA MEDICINA Beadle e Tatum per questi studi con cui scoprirono che i geni regolano specifici eventi chimici, vinsero il Premio Nobel per la Medicina nel 1958. Nel 1949 Linus Pauling scoprì che l'anemia falciforme è dovuta a una mutazione in un gene per l'emoglobina che causa la presenza di una anomalia in questa proteina. L'ipotesi diventò: «UN GENE - UNA PROTEINA»

Un gene - una proteina

Un gene - una proteina: studi successivi

Studi successivi allargarono ancora di più il concetto mostrando che una proteina può essere costituita da più catene polipeptidiche. Ognuna delle quali è espressa a partire da un gene.

Un gene - una catena polipeptidica

Un gene - una catena polipeptidica: traduzione

Nella traduzione la cellula traduce le istruzioni scritte sull'mRNA e produce una catena polipeptidica.

• Non tutte le proteine sono enzimi
• Le proteine che possiedono una struttura quaternaria sono composte da più catene di AA