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biologia |
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Tesi di genetica
A partire dal 17° secolo, vennero trovate dimostrazioni sperimentali al fatto che la vita genera vita (omne vivum ex vivo), e non che la vita è generata per generazione spontanea della materia organica. Ad esempio: F. Redi: le larve delle mosche nascono da uova deposte da altre mosche, e non dalla carne in decomposizione. L.Spallanzani: dimostrò che gli infusori, come il paramecio, non nascono dagli infusi di fieno, ma da unicellulari in quiescenza, riattivati dall'acqua. E infine L. Pasteur: provò che neppure i batteri nascono per generazione spontanea, bensì da batteri preesistenti.
Per gli individui unicellulari, la continuità è data semplicemente dalla ripartizione del materiale genetico, nei pluricellulari (che si riproducono sessualmente), la continuità è data dalle cellule sessuali (i gameti). All'epoca c'erano due teorie contrastanti sulla trasmissione dell'ereditarietà, cioè quella preformista (organismo preformato in uno dei gameti, ad es. nello spermatozoo Þ homunculus) e quella dell'epigenesi (ricostituzione a partire da elementi amorfi, per generazione spontanea). Oggi sappiamo che la formazione dell'organismo avviene gradualmente, sotto il controllo dei geni, detti anche determinanti ereditari. Schleiden e Schwann nel 1838 enunciarono la teoria cellulare, secondo la quale tutti gli organismi sono formati da cellule e da sostanze da esse prodotte. Ne deriva l'assunto di Wirchow, secondo cui ogni cellula deriva unicamente da un'altra cellula. Quindi nel riprodursi le cellule mantengono la propria continuità genetica, che garantisce l'eredità biologica e la relativa costanza della specie.
Membrana cellulare: doppio strato di fosfolipidi (struttura a mosaico fluido) con proteine (Karier Þ trasporto attivo, recettori, glicoproteine Þ riconoscimento). Regola gli scambi (permeabilità selettiva).
Citoplasma: denso, contiene molti enzimi Þ avvengono molte reazioni, contiene tutti gli organelli.
Mitocondri: forma a bastoncello, doppia membrana, quella interna Þ creste (> sup. rel.), ha un liquido Þ matrice, contiene enzimi, ribosomi e un filamento di DNA (teoria Margulis). ½ avvengono le reazioni che producono energia.
Reticolo endoplasmatico: doppio strato di fosfolipidi, timenta la cellula Þ serie di divisioni (cisterne), dove si concentrano gli enzimi necessari alla stessa reazione per aumentare al massimo la velocità. Liscio Þ grassi e lipidi, ruvido Þ proteine.
Apparato del Golgi: doppio strato di fosfolipidi, pila di vescicolette contenenti enzimi tramite i quali avviene la maturazione Þ riorganizza e immagazzina le sostanze di riserva prodotte dal reticolo.
Lisosomi: vescicoletta contenente tutti gli enzimi idrolitici avvolta da un doppio strato di fosfolipidi. Prodotti dal Golgi. Degrada macromolecole portate nella cellula per endocitosi.
Ribosomi: legati al reticolo o liberi nel citoplasma, 2 subunità (r-RNA + proteine). Fondamentali nella biosintesi proteica.
Centrioli: 9 triplette di microtubuli di natura proteica, equa ripartizione dei cromosomi (M! e R!)
Citoscheletro: microtubuli di natura proteica, dà robustezza e determina il movimento.
La cellula vegetale ha tutto questo (tranne i centrioli), ma ha in più la parete cellulare, i vacuoli e i plastidi.
La struttura-chiave per la riproduzione cellulare" class="text">riproduzione cellulare e il controllo delle
funzioni cellulari, in cui si trovano le strutture depositarie dei caratteri
ereditari, è il nucleo. Esso è separato dal resto della cellula
dalla membrana nucleare (porzione specializzata del reticolo endoplasmatico),
formata da 2 membrane. Contiene un nucleolo che produce i ribosomi e li scarica
nel citoplasma. La membrana esterna è in continuità col reticolo.
Le 2 membrane si uniscono in molti punti, dando luogo a pori nucleari (8
subunità disposte ad anello), grazie ai quali tra il nucleo e il
citoplasma avvengono continui scambi di ioni e molecole (es. nucleotidi verso
nucleo, RNA verso citoplasma). Quindi la riproduzione, il differenziamento e il
funzionamento della cellula non sono solo opera del nucleo, ma nascono da complesse
interazioni tra esso e il resto della cellula.
La mitosi è un processo di divisione cellulare, in cui a partire da una cellula madre si formano 2 cellule lie, identiche tra loro ed identiche alla cellula madre.
Funzioni: a) unicellulari: riproduzione
b) pluricellulari: 1) accrescimento ( i pluricellulari derivano da un'unica cellula, in seguito i tessuti si sono differenziati perché a seconda della funzione viene letta solo una parte di DNA)
2) sostituzione delle cellule invecchiate (alcune cellule (es. nervose) hanno vita lunga e non fanno più mitosi, altre (es. parete stomaco) hanno vita più breve e vengono continuamente sostituite)
La mitosi e l'interfase formano il ciclo cellulare, la cui lunghezza può variare (da cellula a cellula e in base alle condizioni ambientali) da 8 ore a 100 giorni e più. In generale, l'interfase costituisce il 90% del ciclo cellulare, mentre la mitosi il 10%.
L'interfase costituisce la fase tra una mitosi e l'altra. Essa si divide in fase G1, S e G2.
G1 (da gap Þ intervallo)
In questa fase la cellula, appena uscita dalla mitosi, si accresce raggiungendo le dimensioni normali, duplica i suoi organelli e produce proteine, soprattutto quelle necessarie alla duplicazione del DNA. Se la cellula non deve più dividersi, si ferma a questa fase e si specializza.
S (da sintesi)
Qui avviene la
duplicazione del DNA. L'enzima DNA-polimerasi rompe i ponti-H tra le catene Þ il DNA si apre e sempre
G2
Vengono sintetizzate le proteine necessarie alla spiralizzazione del DNA.
Profase: La cromatina spiralizza Þ si evidenziano i cromosomi metafasici: in questo modo il DNA viene più facilmente ed equamente ripartito tra le cellule lie. Si dissolve la membrana nucleare e i centrioli iniziano a migrare ai poli della cellula.
Metafase: Si forma il fuso mitodico (fibre di natura proteica), di cui i centrioli sono il punto di raccordo. I cromosomi metafasici si portano in piastra equatoriale e si fissano al fuso per il centromero trasversalmente.
Anafase: Il fuso si contrae Þ i
cromosomi metafasici si spaccano al centromero Þ la zona del centromero viene duplicata e i due cromatidi iniziano a
migrare ai poli.
Telofase: c'è una strozzatura a livello equatoriale. Le 2 cellule ci separano, i centrioli si dividono, si riforma la membrana nucleare e i cromosomi si srotolano, riformando la cromatina.
La mitosi nelle cellule vegetali è uguale fino alla telofase, ma in quest'ultima si presentano avvenimenti del tutto peculiari perché, essendoci la parete cellulare, non può avvenire la strozzatura. Per questo sono coinvolti gli apparati del Golgi (che in quel momento sono 2): essi producono delle vescicolette ricche di cellulosa che, guidate dal reticolo endoplasmatico, si portano verso l'asse equatoriale dove, grazie all'unità di membrana, si fondono, formando una struttura detta lamella mediana, all'inizio molto sottile, che diventa sempre più spessa. Le 2 cellule formano poi le proprie pareti sulla lamella mediana. La lamella tiene unite le 2 cellule, avendo proprietà adesive. È interessante notare come il fuso mitodico venga completamente avvolto dalla cellulosa: si formano così ponti di cellulosa tra le due pareti, che costituiranno in seguito i porocanali.
Nella mitosi da una cellula madre si sono formate 2 cellule lie, identiche tra loro e identiche alla cellula madre.
La meiosi è un processo di divisione cellulare in cui a partire da una cellula madre si formano 4 lie, tutte diverse tra loro e con la metà del patrimonio genetico della cellula madre.
Funzioni: riproduzione Þ la meiosi ha un ruolo centrale nella gametogenesi: infatti, siccome nella riproduzione sessuata avviene una fusione tra il gamete maschile e quello femminile, è necessario che i gameti (con un numero n di cromosomi Þ aploidi) abbiano la metà del corredo cromosomico di una cellula somatica (con 2n cromosomi Þ diploidi), di modo che fondendosi formino uno zigote con il patrimonio genetico completo (n+n=2n), di cui la metà di origine paterna e l'altra materna.
La meiosi interessa unicamente le cellule destinate alla riproduzione. La meiosi è formata da 2 divisioni cellulari successive, senza che tra le due avvenga la duplicazione del DNA: la prima è detta riduzionale, perché riduce il numero di cromosomi della cellula da 2n (diploide) a n (aploide), e la seconda equazionale, perché lascia inalterato il numero di cromosomi.
cellula diploide Þ n coppie di cromosomi omologhi, cioè che portano gli stessi caratteri
cellula aploide Þ n cromosomi
Meiosi I
Profase: molto più lunga e complessa di quella della mitosi: la cromatina si condensa formando i cromosomi metafasici, poi i cromosomi omologhi si appaiano lungo tutta la loro lunghezza formando delle strutture dette tetradi. Quindi cominciano ad allontanarsi rimanendo uniti in punti detti chiasmi. A livello di questi chiasmi avviene il crossing-over Þ scambio di materiale genetico (di tipo chimico) tra cromosomi omologhi. Il crossing-over aumenta moltissimo la variabilità genetica, ricombinando casualmente il materiale genetico. Sempre in questa fase si dissolve la membrana nucleare, i centrioli migrano ai poli e iniziano a formare il fuso.
Metafase: le tetradi si allineano in piastra equatoriale
longitudinalmente Þ i centromeri si fissano al fuso e
gli interi cromosomi migrano ai poli della cellula.
Anafase: si completa la migrazione dei cromosomi.
Telofase: avviene la divisione delle 2 cellule e la riformazione della membrana nucleare.
Al termine della meiosi I si sono formate 2 cellule aploidi. La meiosi II è sostanzialmente uguale alla mitosi, ma con un corredo cromosomico dimezzato. Inoltre la profase è molto più rapida perché la cromatina è già spiralizzata. Alla fine della meiosi II si formano 4 cellule lie, tutte diverse tra loro e aploidi, cioè con un patrimonio genetico dimezzato rispetto alla cellula madre.
Quindi nella meiosi a partire da una cellula diploide si formano 4 cellule aploidi, tutte diverse fra loro.
La mitosi si effettua nelle cellule somatiche dell'organismo, mentre la meiosi è limitata alle cellule destinate alla riproduzione.
Nella mitosi le due cellule lie hanno lo stesso numero di cromosomi, mentre nella meiosi si ha la produzione di cellule aploidi.
Nella mitosi i cromosomi si comportano indipendentemente l'uno dall'altro. Nella meiosi interviene
nei cromosomi omologhi una relazione di reciproca dipendenza meccanica: il crossing over.
Nella mitosi le cellule lie sono identiche per quanto concerne il patrimonio genetico, mentre la
meiosi produce cellule diverse dal punto di vista genetico. Questa variabilità è dovuta alla casuale migrazione dei cromosomi e al crossing-over.
La mitosi si svolge in un tempo relativamente breve, con una durata di circa una o due ore, la
meiosi è un processo più lungo. Nel maschio della specie umana, ad esempio, il compimento del
ciclo meiotico può richiedere 24 giorni, e nella donna parecchi anni.
I cromosomi
La cromatina venne scoperta nel 1879 da Flemming, grazie a coloranti
basici. Più tardi vennero scoperti anche i cromosomi. Cromatina e
cromosomi sono due stati morfologici diversi delle stesse entità
funzionali (DNA e proteine): il 1° stato (cromatina) è caratteristico
dell'interfase, il 2° (cromosoma) invece della mitosi. Essi possono essere ben
studiati quando sono condensati, specialmente durante la metafase della mitosi.
Ogni cromosoma è formato da molecole costanti come il DNA, quasi sempre
associato a particolari proteine dette istoni, e da biomolecole transitorie
come RNA, Þ ogni cromosoma è
un'entità cellulare in equilibrio dinamico. I cromosomi sono i
responsabili dello stoccaggio, trasmissione e espressione del codice genetico,
infatti il depositario dell'informazione genetica è il DNA. I cromosomi
presentano numero e caratteri morfologici individuali, costanti in tutte le
cellule dello stesso organismo e in tutti gli organismi di una stessa specie.
Il DNA si avvolge attorno agli istoni (5 forme fondamentali: H1, H2A, H2B, H3,
H4), che formano un ottamero (due H4 combinati con due H3 che formano un
tetramero affiancato da due dimeri H2A e H2B) Ogni molecola di istone protrude
una coda, pronta a interagire con le altre molecole. L'istone H1 contribuisce a
legare il DNA alla fibrilla centrale. L'insieme forma un nucleosoma.
Il nucleosoma è l'unità strutturale della cromatina,
responsabile della sua condensazione. L'insieme di molti nucleosomi forma la
fibra nucleosomica. Essa può avere struttura a solenoide (6 nucleosomi
per avvolgimento) o a nastro elicoidale (i nucleosomi formano una doppia elica
a zigzag Þ supercoiling). Due nucleosomi
consecutivi sono separati da una regione (80 pb), chiamata DNA linker. Il DNA
compie 2 giri attorno a ogni ottamero, e i nucleosomi sono legati da molecole
di istone H1, che sono più grandi delle altre e interagiscono tra loro,
aumentando la condensazione. Inoltre ogni istone può presentare varie
isoforme, codificate da geni diversi: questo ha sicuramente partecipato alla
regolazione dell'espressione del genoma (in particolare la coda di H4 ha
facilitato la trascrizione di geni, altre parti invece la repressione di altri
geni).
La compattazione della cromatina procede in diverse tappe: innanzitutto il DNA viene costituito in nucleosoma, viene poi incorporato l'istone H1. A questo punto inizia la condensazione progressiva della cromatina Þ formazione di una rete interstiziale proteica. Infine si costituisce una vera membrana nucleare.
Per definire la topografia e la disposizione dei geni nei cromosoma si ricorre all'elaborazione di mappe cromosomiche:
1) Analisi d'associazione (linkage) dei geni: determinando la frequenza con cui diverse forme di 2 caratteri vengono ereditati, o confrontando le sequenze di basi di regioni corrispondenti in diversi individui.
2) Stesura di mappe fisiche: si isola il DNA e lo si taglia in vari frammenti, si effettuano poi copie per clonazione( metodo non selettivo per ottenere tratti molto lunghi), estraendo i cloni più interessanti.
3) Analisi tramite P.C.R. (Polymerase Chain Reaction): è un sistema in vitro per sintetizzare o amplificare selettivamente milioni di copie di un breve tratto del DNA.
Il DNA e il codice genetico
Il genoma umano è formato da 46 molecole a doppia elica di DNA (6 pg), ogni molecola in media è formata da 130 milioni di pb lineari, ognuna supportata da uno zucchero (desossiribosio) e da un fosfato. Ciascuna si avvolge attorno agli istoni a formare il cromosoma. Nell'insieme il genoma contiene 6 x 109 pb. La molecola di DNA è un polimero i cui monomeri sono i nucleotidi. Un nucleotide è formato da un gruppo fosfato che lega uno zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio), il quale a sua volta lega una base azotata. Lo zucchero si lega col C1 alla base azotata, col C3 al fosfato sotto e col C5 al fosfato sopra.
Le due catene sono tenute assieme da ponti-H, per certe restrizioni spaziali imposte dalla struttura a doppia elica, sono possibili solo due tipi di associazioni complementari tramite ponte-H: tra Adenina e Timina (A-T) con 2 ponti, o tra Citosina e Guanina (C-G) con 3 ponti. A e G sono purine (2 anelli), C, T e U sono pirimidine (1 anello). I nucleotidi in una molecola seguono una sequenza rigorosa: quelli dell'elica sorella sono complementari.
Il programma per sintetizzare le proteine è codificato nella sequenza nucleotidica del DNA. Visto che i nucleotidi sono 4 (A, T, C, G), mentre gli aa 20, un nucleotide non basta per identificare un aa (4 comb. possibili), e nemmeno 2 (16 comb.). Il minimo è di 3 nucleotidi per 1 aa. A ogni tripletta di nucleotidi corrisponde un aa: essa costituisce un'unità di codice o codone. Il codice viene detto degenerato, poiché più codoni identificano lo stesso aa (principio della ridondanza). Ci sono 3 codoni di non senso (UAA, UAG, UGA), che non identificano nessun aa, ma rappresentano un segnale di termine della catena polipeptidica.
Caratteristiche del codice: - arbitrarietà (nessuna somiglianza tra aa e basi)
- universalità (uguale per tutti gli organismi)
I geni: natura, trascrizione e traduzione
Il gene è un tratto di DNA che specifica una determinata proteina. Il DNA possiede sempre la stessa struttura in ogni essere, cioè 2 filamenti a doppia elica costituiti da sequenze di nucleotidi. Nei virus il DNA è racchiuso in una capside proteica, nei procarioti forma un unico cromosoma (nei batteri sono frequenti piccoli tratti circolari di DNA), invece negli eucarioti è associato a istoni, sono presenti a doppia coppia e si trovano nel nucleo.
Nel DNA può variare il no di giri che un filamento compie attorno all'altro, i DNA che si differenziano per questo vengono detti topoisomeri. Inoltre l'asse della doppia elica può arrotolarsi su sé stesso, formando una superelica (supercoiling), positiva se il no. di avvolgimenti cresce nello stesso senso (destrorso Þ DNA B, la forma principale), e negativa se esso diminuisce, determinando uno srotolamento (sinistrorso Þ DNA Z). Per tensione molecolare lo stato di superelica produce un inanellamento che rende l'insieme più compatto, ma anche più accessibile.
Il DNA è una struttura dinamica. ½ sono infatti presenti informazioni codificanti, strutturali e regolatrici, oltre che a sequenze mobili e tratti non codificanti.
1) Sequenze uniche mobili: Transposoni Þ sono in grado di spostarsi da un punto all'altro della molecola di DNA. Alle loro estremità viene ripetuta una breve barra invertita (ATGCA, TACGT). Possono inserirsi in un gene inattivandolo. Essi possono pure passare da un cromosoma all'altro. Retroposoni Þ inserzioni mobili di DNA (di origine retrovirale), la cui trasposizione passa attraverso una forma di RNA. Dissociano i geni quando vi entrano Þ probabilmente hanno avuto un importante ruolo nell'evoluzione.
2) Sequenze ripetitive: Nel genoma appaiono numerose sequenze ripetute molte volte. Alle estremità ci sono i telomeri, indispensabili per evitare la degradazione del cromosoma. Lungo il genoma ci sono sequenze a elevata ripetitività (5000-7000 pb) Þ LINE, e altre a bassa (alcune decine) Þ SINE.
3)Sequenze regolatrici: Costituite da 6-8 nucleotidi. Sono regolatori proteici, capaci di adeguare l'intensità di trascrizione alle necessità cellulari Þ attivatori o rafforzatori (enhancers) e inibitori (silencers). La regione di controllo in vicinanza del sito d'iniziazione della trascrizione viene detta promotore, ed è dotata di una sequenza di 6 nucleotidi ricca di A e T Þ TATA-box. Mutazioni a livello dei TATA-box portano a un'inibizione del 50-70 % della trascrizione. Oltre ai TATA-box, vi sono poi delle sequenze ricettrici di ormoni, che formando un complesso ormone-ricettore si fissa sul DNA, scatenando o bloccando la trascrizione.
L'RNA è costituito da nucleotidi, in cui lo zucchero è il
ribosio, e
La biosintesi proteica: trascrizione
Negli eucarioti si svolge nel nucleo cellulare. È un fenomeno selettivo: infatti non tutto il DNA viene trascritto, solo alcune parti. Le sequenze trascritte sono chiamate geni. Soltanto uno dei 2 filamenti viene trascritto. Da un solo gene, la trascrizione dà luogo a molti m-RNA Þ amplificazione delle informazioni. La sintesi dell'm-RNA ha luogo in modo antiparallelo e complementare rispetto al DNA.
La trascrizione si svolge in varie fasi. Nei procarioti, i geni vengono trascritti e tradotti così come sono, invece negli eucarioti vi sono 2 fasi, vale a dire:
fase iniziale: Il messaggio genetico è frammentato, infatti un gene comprende gli esoni, cioè sequenze contenenti l'informazione ereditaria, che generalmente verranno trascritte e tradotte in proteine, e gli introni, cioè sequenze intercalari, che verranno trascritte ma non tradotte. Nella fase iniziale vi è la trascrizione integrale degli esoni e degli introni. Intervengono le RNA-polimerasi I, II, III: i 2 filamenti di DNA si scostano per rottura dei ponti-H, al passaggio dell'enzima, e ha luogo la trascrizione di un filamento di DNA. Subito dopo si riformano i ponti-H. L'enzima riconosce il punto d'inizio grazie a un promotore, che comprende anche il TATA-box. Il segnale di fine gene è una sequenza AATAAA, detta poliadenilazione.
b) fase di maturazione( processing): Il pre-m-RNA attraversa un insieme di modifiche. Splicing Þ vengono eliminati gli introni grazie ai spliceosomi e assemblati gli esoni.
Avviene nel citoplasma in cui l'm-RNA viene decodificato. Ci sono 3 fasi principali:
a) Fase di attivazione: L'aminoacil-t-RNA-sintetasi fa legare (con uso di ATP) ogni t-RNA al rispettivo aa, grazie all'elevata specificità (ce ne sono 61). Ogni t-RNA contiene 2 siti specifici: il sito di legame dell'aa, e l'anticodone (che si legherà al rispettivo codone sull'm-RNA).
b) Fase d'elongazione: Gli aa vengono veicolati sotto forma di complesso attivato t-RNA-amminoacido. Il ribosoma assicura la corretta lettura del codice, facendo corrispondere al codone sull'm-RNA l'anticodone sul t-RNA. La catena polipeptidica si allunga con l'aggiunta progressiva di aa, legati tra loro grazie a enzimi (sintetasi, polimerasi). Per l'allungamento della catena sono indispensabili fattori d'elongazione (EF-T e EF-G). Infine, dopo ogni legame peptidico, il ribosoma si sposta sull'm-RNA (con uso di 2 GTP e 1 ATP).
c) Fase di rilascio: la catena polipeptidica è terminata, l'm-RNA termina con una tripletta di non senso, Il prodotto viene liberato dai ribosomi, grazie a 3 fattori di rilascio. Il prodotto può sia rimanere nella cellula, sia essere esportato, in questo caso esso è provvisto di una sequenza segnale (una tipica è l'insulina).
La biosintesi delle proteine può essere inibita sia nella trascrizione che nella traduzione da antibiotici.
Dogma Centrale: DNA RNA proteina (1 gene Þ 1 proteina)
DNA DNA-polimerasi DNA Þ replicazione
DNA RNA-polimerasi m-RNA Þ trascrizione
m-RNA sintetasi + GTP proteina Þ traduzione
I geni, o determinanti ereditari, sono le unità di informazione ereditaria che vengono trasmesse da una generazione alla successiva. Essi sono frazioni di DNA presenti nei cromosomi. Il gene può presentarsi in 2 o più forme alternative, chiamate alleli (allele Þ conurazione di un certo gene). Se un gene presenta almeno 2 diversi alleli si parla di polimorfismo. Il genotipo è l'insieme dei geni posseduti da un individuo per un carattere. Il fenotipo è la manifestazione esterna di un carattere. Il locus genico è la posizione specifica che un gene occupa nel cromosoma, quindi tutte le forme alleliche di un gene si trovano in posizioni corrispondenti su cromosomi geneticamente simili (i cromosomi omologhi). Tutti i geni di un cromosoma sono legati tra loro, si dice che appartengono allo stesso gruppo di associazione (linkage). Il genoma degli eucarioti ha due caratteristiche:
a) Ci sono troppi geni (genoma umano Þ 8 milioni di geni). Si è ipotizzato che gran parte siano geni duplicati, regolatori, di riserva o residui evolutivi.
b) C'è una grande ripetitività. Si è teorizzato che queste sequenze abbiano un ruolo cruciale nella regolazione dell'espressione genica (Þ amplificazione Þ controllo sul differenziamento cellulare). Meno del 10 % dell'informazione genomica viene trascritta.
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Mendel impollinava fiori di pisello, castrati dell'apparato maschile, appartenenti a una linea pura, con componenti di un'altra linea pura, che però differivano per un solo carattere. Per spiegare con maggiore chiarezza gli esperimenti viene utilizzata la griglia di Punnet. Mendel si accorse che, se si incrociano individui omozigoti che differiscono per una sola coppia di alleli, uno dei due alleli dominava sull'altro (era l'unico a manifestarsi nel fenotipo), e fu quindi chiamato dominante, l'altro invece recessivo. Il carattere dominante si manifesta sia allo stato omozigote che eterozigote, quello recessivo solo allo stato omozigote. Altri esperimenti (es. bocca di leone), hanno mostrato che nella F1 si manifestavano entrambi i caratteri degli ascendenti (da fiori rossi e bianchi ne risultavano rosa): quindi il fenotipo dei discendenti è una via di mezzo (eredità intermedia), e questi alleli vennero perciò detti codominanti.
1a legge di Mendel (della dominanza o dell'uniformità dei caratteri):
incrociando individui omozigoti che differiscono per una sola coppia di alleli, tutti i discendenti della 1a generazione filiale (F1) presenteranno uguale genotipo e uguale fenotipo, e vengono chiamati ibridi o eterozigoti.
Mendel proseguì reincrociando tra loro gli ibridi della F1, e osservò nella F2 il riapparire dei fenotipi della generazione parentale (P) e della F1.
2a legge di Mendel (della disgiunzione o della segregazione dei caratteri):
Incrociando tra loro gli ibridi della FI, nella seconda generazione filiale F2 ricompaiono i fenotipi portati dalla generazione parentale P e dalla F1. Le proporzioni fenotipiche sono di 3: 1, nel caso di discendenti dominanti o recessivi, e di 1:2:1, nel caso di codominanza.
Il riemergere nella F2 di caratteri della P dimostra che nella F1 i caratteri non si mescolano, ma conservano la loro individualità, e perciò si separano intatti nella F2.
Reincrocio (Testcross): serve a determinare il genotipo di un individuo con fenotipo dominante: si incrocia questo individuo con uno dal fenotipo recessivo (sicuramente omozigote): se nella discendenza il 50% ha fenotipo dominante e il 50% recessivo, il genitore è eterozigote. Se invece tutti i discendenti presentano carattere dominante, il genitore è omozigote.
Alleli letali: sono geni la cui manifestazione fenotipica è la morte dell'individuo (possono insorgere per mutazione di un allele normale).Se è dominante, i portatori muoiono prima di riprodursi Þ rimosso. Se invece l'allele è recessivo può essere letale allo stato omozigote, ma non a quello eterozigote.
Differenze delle condizioni ambientali possono far sì che individui geneticamente identici mostrino fenotipi differenti. La percentuale di individui con una particolare combinazione di geni che mostra in qualsiasi grado il carattere corrispondente a quella combinazione rappresenta la penetranza. Poiché un carattere può variare nella sua espressione (manifestazione evidente), il grado d'effetto prodotto da un genotipo penetrante viene detto espressività. Ad esempio nell'uomo il numero di dita soprannumerario è prodotto dall'allele dominante P. Invece le 5 dita sono date dall'omozigote recessivo pp. Però alcuni individui Pp non sono polidattili, quindi l'allele P ha una penetranza inferiore al 100%. Un allele letale recessivo che manca di penetranza e espressività complete sarà letale per meno del 100% degli omozigoti, e per questo viene detto semiletale o subvitale.
Mendel incrociò anche soggetti che differivano per 2 caratteri (es. piselli Þ colore, liscio/rugoso). Questi caratteri sembravano essere trasmissibili indipendentemente l'uno dall'altro.
3a Legge (dell'indipendenza dei caratteri) :
Incrociando individui che differiscono per 2 o più caratteri (diibridi o poliibridi), questi appaiono trasmissibili in modo indipendente, e seguono indipendentemente le prime due leggi. Le proporzioni numeriche sono di 9:3:3:1 (es. VVLL x vvll).
L'esperimento venne ripetuto da Morgan sul moscerino della frutta, con risultati molto vicini ai rapporti mendeliani. Prove di reincrocio effettuati su altri ceppi permettono di concludere che la trasmissione indipendente degli alleli avviene poiché essi sono localizzati su cromosomi diversi (quindi non sono geni associati).
Geni associati (linked genes)
Sono geni che non rispettano la 3° Legge di Mendel, perché trovandosi
sullo stesso cromosoma non sono trasmissibili indipendentemente l'uno
dall'altro. Le principali ricerche sui geni associati ebbero come soggetto la
drosofila. Quindi tutti i geni dello stesso cromosoma sono associati. Questo
insetto ha sessi separati e un no cromosomico di 2n=8. Incrociando un ceppo di
drosofila con caratteri selvatici (dominanti) con un ceppo dotato di ali
atrofiche (vg) ed occhi color marrone (bw), generati da alleli recessivi, si
formano 4 categorie di individui, dove le frequenze non seguono più i
rapporti mendeliani (per 2 categorie si rivela una minoranza). Le frequenze
osservate permettono di riconoscere la frequenza di ricombinazione dei gameti
(nei gameti maschili non avviene mai il crossing over). Notando che il 30% dei
gameti sono ricombinati, si dice che la distanza tra vg e bw è di
Alleli multipli
Il numero massimo di alleli, che ogni individuo possiede in un locus genico è 2, uno per ciascuno dei cromosomi omologhi. È però possibile un gran numero di alleli diversi in una data popolazione (es. mutazione). Quindi ogni volta che in un locus genico vengono identificati più di 2 alleli si ha una serie allelica multipla. Gli eterozigoti portatori si dicono composti. Va quindi definita una gerarchia della dominanza: l'allele dominante su tutta la serie viene indicato con una lettera maiuscola, invece con una minuscola l'allele del tutto recessivo rispetto alla serie. Gli alleli intermedi hanno una lettera minuscola con all'esponente un'altra sigla.
Nel 1900 Landsteiner scopre l'iso-emoagglutinazione Þ i globuli rossi di una persona mischiati a quella di un'altra vengono spesso agglutinati Þ scoperta di 2 antigeni (o agglutinogeni) sui globuli rossi (A e B). Vengono anche scoperte sostanze agglutinanti che agiscono come anticorpi riconoscendo la presenza di determinati antigeni Þ agglutinine (anti-A e anti-B).
Gruppo A Þ antigeni A sui globuli rossi, agglutinine anti-B nel plasma
Gruppo B Þ antigeni B sui globuli rossi, agglutinine anti-A nel plasma
Gruppo O Þ privo di antigeni A e B ma con agglutinine anti-A e anti-B Þ donatore universale
Gruppo AB Þ antigeni A e B, privo di agglutinine Þ ricevente universale
A A
Donatore universale Ricevente universale
O O AB AB
B B
L'allele IA (per l'antigene A) e l'allele IB (per l'antigene B) sono codominanti, mentre l'allele i (per l'anti-A e l'anti-B) è recessivo. Quindi il gruppo AB è dato da IAIB, mentre il gruppo O è un omozigote recessivo (ii).
Gli antigeni sono di natura glicoproteica, ed appaiono dal 2° mese di vita fetale, aumentando fino alla nascita. La sensibilità all'agglutinazione si sviluppa fin verso i 20 anni. Oltre che sui globuli rossi, gli antigeni si trovano sui leucociti, sulle piastrine, sulle cellule del fegato .
Le agglutinine appaiono tra il 3° e il 6° mese d'età (non fetale), crescendo fin verso i 10 anni. Landsteiner spiegò così gli incidenti di trasfusione Þ 2 gruppi incompatibili (es. A e B) che si mischiano Þ le agglutinine si fissano sugli antigeni del globulo rosso estraneo, provocando la distruzione per emolisi e l'agglutinazione dell'emoglobina Þ formazione di grumi nei reni, dolori lombari intensi, febbre alta Þ morte nel 30% dei casi.
Un altro sistema di gruppi sanguigni importanti è il sistema Rhesus (Rh). Un allele dominante D determina la presenza di un antigene D sugli eritrociti Þ Rh-positivi (Rh+), mentre un allele recessivo d ne determina l'assenza Þ Rh-negativi (Rh-). In Europa, l'84% è Rh+ e il 16% è Rh-.
Eritroblastosi fetale o malattia emolitica del neonato Þ Un uomo Rh+ sposa una donna Rh-. Il primo lio (Rh+) può stimolare la madre a produrre anticorpi anti-Rh, che però non fanno in tempo ad attaccare il feto. I li seguenti però potranno essere attaccati da questi anticorpi, che distruggeranno i globuli rossi del feto (emolisi), con pesanti conseguenze. Si può intervenire in tempo somministrando sostanze D-bloccanti o ricorrendo alla trasfusione.
Morbo di Schridde (più raro) Þ il neonato viene colpito da un mostruoso edema Þ morte.
La distribuzione geografica dei gruppi sanguigni mostra notevoli variabilità delle frequenze relative (clini) dei vari alleli. Ciò mostra che le frequenze sono influenzate dalla selezione naturale e dal drift più che dal caso. I Bororo hanno solo il gruppo O, si ha un'alta frequenza di A nei neri americani, di B negli zingari e di AB negli Ainu Þ popolazioni geograficamente isolate o socialmente circoscritte.
Si parla di sessualità quando 2 individui aploidi mettono in comune i propri pool ereditari (cromosomi).
Si distinguono 3 modalità:
Coniugazione (es. batteri): non c'è compenetrazione completa, ma c'è un coniugante maschile che fa da donatore del materiale genetico a un coniugante femminile.
Plasmogamia (es. funghi superiori): messa in comune del citoplasma senza immediata fusione dei nuclei.
Oogamia (es. animali): formazione di gameti durante la gametogenesi (oogenesi e spermatogenesi) che si fondono con quelli di un individuo di sesso opposto con la formazione di uno zigote (fecondazione). Nella gametogenesi avvengono sia la meiosi che processi di morfogenesi.
(scansione)
Un organismo dotato di apparato riproduttivo sia maschile che femminile si dice ermafrodito (es.tenia).
Nelle piante, se i fiori maschili e femminili sono sullo stesso esemplare sono dette monoiche (es. quercia), se sono su piante diverse vengono dette dioiche (es. canapa). Piante che hanno sia fiori ermafroditi che unisessuati sono dette poligame (es. platano). Per evitare l'autofecondazione (che porterebbe alla sa di un numero eccessivo di stati omozigoti recessivi), gli organi sessuali e i gameti hanno diversi periodi di maturazione: se maturano prima i maschili Þ proterandre, se prima i femminili Þ proterogine.
La maggior parte dei meccanismi di determinazione sono sotto controllo genetico.
1) Meccanismo cromosomico X/Y (pluricellulari) 2) Aplo-diploidia (imenotteri sociali Þ api)
3) Equilibrio genetico (drosofila) 4) Effetti di un singolo gene (alghe unicellulari)
Nelle specie a determinazione cromosomica esistono 2 tipi di cromosomi: gli autosomi (o cromosomi somatici) e gli eterocromosomi (o cromosomi sessuali Þ X e Y).
Il sesso che può produrre un solo tipo di gameti (autosomi + X) viene detto omogametico, quello che produce 2 tipi di gameti (autosomi + X o Y) invece eterogametico, e determina il sesso del discendente.
Maschi eterogametici Þ maggior parte dei mammiferi e parecchi insetti
Femmine eterogametiche Þ farfalle, alcuni uccelli (gallinacei) e parecchi pesci
Determinazione XO Þ parecchi insetti (es. cimici). I maschi sono eterogametici, ma danno gameti o con X oppure senza cromosoma sessuale Þ un solo X determina il maschio, 2X la femmina.
Questo meccanismo X/Y garantisce una probabilità uguale (50%) di nascita di maschi o di femmine.
Equilibrio genetico Þ nella drosofila, il cromosoma Y è essenziale per la fertilità maschile, ma non ha nulla a che vedere con la determinazione del sesso. Il cromosoma X determina la femminilità, mentre i caratteri maschili sono portati dagli autosomiÞ il sesso è determinato dal rapporto tra X e gli autosomi.
Intersessualità Þ es. drosofila ginandromorfa, in cui una parte dell'animale è maschile, mentre l'altra è femminile. Ciò è causato dalla perdita di un cromosoma X nella 1° divisione del nucleo dell'uovo Þ i tessuti derivati dalla cellula con un X sono maschili, quelli da quella con 2X sono femminili.
Nella cellule della donna c'è il corpuscolo di Barr, che negli uomini manca.
Esistono geni sui cromosomi sessuali che vengono trasmessi secondo le modalità di determinazione sessuale. Così, nel sesso eterogametico, i caratteri che si trovano su X saranno sempre manifesti anche se l'allele è recessivo e il portatore è eterozigote, poiché non c'è un cromosoma omologo (X è spaiato). La condizione di questo sesso è detta emizigote Þ un carattere recessivo si manifesta anche negli eterozigoti poiché non esiste un cromosoma omologo (es. nell'uomo, malattie portate dal cromosoma X colpiranno sempre i maschi anche se recessive, la donna potrà invece essere portatrice sana).
Inincrocio Þ discendenza da matrimoni fra consanguinei Þ favorisce la sa di caratteri recessivi (che, se portate dal cromosoma X, si manifesteranno negli emizigoti).
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Xd |
Xd |
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X |
XXd |
XXd |
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Y |
XdY |
XdY |
Daltonismo Þ cecità parziale al verde e al rosso (protanopia Þ cecità per il rosso con vista parziale per il verde; deuteranopia Þ cecità per il verde con vista parziale per il rosso). È determinato da un allele recessivo d su X. Le femmine eterozigoti sono portatrici sane, mentre le femmine omozigoti e i maschi emizigoti sono malati Þ daltonismo molto meno frequente nelle donne.
Eredità criss-cross (raro) Þ il lio assomiglia alla madre e la lia al padre (es. donna daltonica con padre sano Þ li malati, lie sane).
Ci sono oltre 100 anomalie trasmesse col cromosoma X, alcune dominanti (es. colore marrone smalto dei denti), altre recessive (es. daltonismo, ittiosi, rachitismo, emofilia).
Emofilia Þ ereditaria, causata da un allele
recessivo h su X. Colpisce quasi esclusivamente i maschi, e causa la mancanza
del fattore VIII di coagulazione per la formazione della tromboplastina
(emofilia A), del IX (emofilia B) o dell'XI (emofilia C). Si manifesta con
emorragie esterne (norm. gravi, soprattutto a livello di mucose, sproporzionate
e senza arresto) o interne (muscolari, articolari, vascolari, intercellulari
(ematomi)), in occasione di traumi può essere fatale. Come terapia si
somministra il fattore VIII fino al 30%, oppure si ricorre a trasfusioni.
Con variabilità genetica s'intende l'insieme delle possibilità di modificazione del patrimonio genetico di una specie, ed è quindi basata sulla plasticità e duttilità delle informazioni. Essa è soggetta all'influsso di condizioni esogene (interazioni tra geni e ambiente) o endogene (modifiche nell'ambito individuale e/o specifico).
L'azione della variabilità genetica e della selezione naturale producono l'insieme dinamico di meccanismi adattativi e sostitutivi chiamato evoluzione.
Le mutazioni
Le mutazioni sono cambiamenti di tipo strutturale o numerico sia a livello somatico che cromosomico e genico; esse possono manifestarsi in tutti gli organismi,provocando trasformazioni più o meno evidenti nel fenotipo. Le mutazioni possono essere spontanee o indotte da agenti mutageni di natura fisica o chimica, i principali sono:
1) Radiazioni ionizzanti (raggi a b g e X): secondo intensità e durata possono causare mutazioni cromosomiche (traslocazioni e delezioni) e geniche (alleli mutati dannosi, attivazione di alleli letali, . ), come pure somatiche (tumori, . )
2) Raggi ultravioletti (UV, spec. tipo B e C): causano fenomeni di inserzione-delezione, alterando il codice (es. sterilità e neoplasie maligne).
3) Agenti alchilanti: composti chimici con azione mutagena efficace, causano aploidizzazione e mutazioni gnomiche (es. iprite, azoiprite, e i solfonati di etile Þ impiego bellico).
4) Agenti alteranti della mitosi (colchicina, idrato di cloralio, . ): intervengono nella mitosi provocando poliploidizzazione.
Sostitutori di N-basi (bromuracile, acido nitroso, etasolfonato di etile, NH2OH): causano sostituzioni di N-basi.
Molte sostanze d'uso quotidiano possono avere, secondo dosaggio o durata di esposizione, attività cancerogena.
Le mutazioni si distinguono in due grandi gruppi:
Mutazioni somatiche: compaiono nelle cellule somatiche (non destinate alla riproduzione gamica), sono osservabili direttamente e in genere terminano con la morte dell'individuo, non essendo trasmissibili (es.: tumori).
Mutazioni ereditarie: esse alterano il patrimonio genetico, e quindi vengono trasmesse ai discendenti nei quali si riscontrano i loro effetti, che colpiscono tutte le cellule. Ve ne sono di 3 tipi: mutazioni geniche, cromosomiche e genomiche.
La frequenza di mutazione è determinata con difficoltà, infatti non tutte le mutazioni possono essere evidenziate (es. sindrome di Down, la frequenza è in base all'età). Si noti poi che l'ambiente può modificare la frequenza mutativa.
Le mutazioni geniche
Esse colpiscono una regione limitata di un cromosoma, di solito un unico gene o una sua parte, alterandone il carattere o inattivandolo, oppure determinando la sa di un nuovo allele. I geni sono relativamente stabili Þ mutazioni generalmente molto rare. Non tutte le mutazioni sono dannose, ma più un organismo è complesso, maggiori sono le possibilità che una mutazione sia dannosa. Mutazioni dannose possono provocare la morte anche nei primi stadi di sviluppo. Anomalie genetiche hanno di solito età tipiche di morte. Esempi: Tay-Sachs Þ cecità e ritardo mentale, morte verso i 4 anni; Fibrosi cistica Þ ostruzione bronchioli, difficoltà assorbimento intestinale, morte dopo i 10 anni; Corea di Huntington Þ progressivo deterioramento mentale, scoordinamento muscolare, morte dopo i 40-50 anni; Schizofrenia Þ riduce la possibilità di avere discendenti senza influire sulla durata di vita.
1) Albinismo: dipende da un allele autosomico (Þ non legato al sesso) recessivo raro, che agisce bloccando un enzima (tirosinasi) partecipe della biosintesi della melanina. Gli omozigoti sono totalmente depigmentati (pelle bianca, occhi blu-rossi). Gli eterozigoti invece hanno un'abnorme trasparenza della sclera, pelle più chiara e sottile; entrambi hanno anomalie visive.
2) Talassemia o morbo di Cooley: associata a un allele autosomico recessivo t; provoca un'ampia varietà di difetti emoglobinici. È una delle malattie genetiche più comuni. La talassemia è caratterizzata da disturbi della sintesi di una o più delle 4 catene di globina, che si associano a formare l'emoglobina.Si manifesta con vari livelli di anemia (mancanza di globuli rossi), anisocitosi (globuli rossi di forma variabile), leucocitosi (no. eccessivo di globuli bianchi), iperplasia del midollo osseo (troppo esteso e con troppi elementi nucleati). Allo stato omozigote (tt) causa la talassemia maior, o anemia mediterranea letale, caratterizzata da pallore, pigmentazione bruna delle mani e delle palpebre, milza ingrossata, decalcificazione delle ossa, crescita fisica e mentale ritardata, crisi emolitiche Þ morte tra 12 e 15 anni. Lo stato eterozigote (Tt) manifesta una leggera anemia e a volta un colorito giallognolo (anemia minor), ma non è letale.
3) Falcemia o anemia a cellule falciformi: colpisce in modo particolare popolazioni africane portatrici dell' allele autosomico recessivo s, che alterando la struttura dell'emoglobina normale A in emoglobina S, determina la deformazione di globuli rossi (forma a mezzaluna). Omozigoti (ss) Þ anemia assai grave, trombosi alla milza, ai reni, . Þ morte nell'infanzia. Gli eterozigoti Þ trombosi d'altitudine, infarti alla milza, sono però resistenti ai plasmodi della malaria, poiché i globuli rossi falcemici non consentono ai parassiti di moltiplicarsi.
Le mutazioni cromosomiche
Esse modificano la struttura di uno o più cromosomi, alterandone la disposizione delle sequenze in codice, che possono subire distacchi, reinserimenti anomali o perdite. Di solito sono conseguenza dell'azione di agenti mutageni, e possono avere gravi conseguenze sulla vitalità, sulla fertilità e sull'adattabilità dei discendenti. Si distinguono:
Deficienza: perdita di un apice cromosomico, può condurre all'espressione fenotipica di un allele recessivo, se quello dominante appartiene al tratto cromosomico mancante (pseudodominanza).
Delezione: perdita di un tratto mediano, quasi sempre letale.
Anello: perdita di due estremità cromosomiche.
Inversione: scambio delle due estremità cromosomiche, alterazione della disposizione di singoli tratti Þ sterilità e complicazioni nella trasmissione dei caratteri
Delezione e duplicazione: perdita e raddoppio di un tratto mediano, per scambio di estremità
Traslocazione: scambio di tratti terminali fra non omologhi, provoca lo stesso effetto dell'inversione.
Le mutazioni genomiche
Esse alterano il numero di cromosomi nel nucleo. Se tutto il pool cromosomico è numericamente alterato, si parla di aneuploidia. Se si presenta una condizione multipla nel no. aploide (n), per cui si parla di poliploidia (3n, 5n, 6n, . ). Una delle cause principali è la mancata ridistribuzione su cellule lie di cromosomi duplicati. Nel regno vegetale è relativamente diffusa, e può condurre a vantaggi, invece negli animali può portare alla morte. Possono inoltre esistere variazioni del numero di singoli cromosomiÞ aneusomie, originate da una non-disgiuzione nel corso della meiosi. Ad esempio, nella spermatogenesi si può avere uno spermatozoo maturo, ma privo del cromosoma mal distribuito (n-l), o con un cromosoma soprannumerario (n+1). La fecondazione di un ovulo normale genererà un individuo affetto da monosomia (2n-l) o da trisomia (2n+1) Þ sbilanciamento dell'azione complessiva dei geni.
Sindrome di Down (45, XX/ 45 XY) o trisomia 21: frequenza dello 0,23%, con l'aumento dell'età materna (> 35 anni), l'incidenza cresce. La trasmissione familiare è molto rara e non determinata solo dalla trisomia 21, ma anche da traslocazione sullo stesso cromosoma. Quadro clinico: statura bassa, capo rotondo, tratti displastici, capelli sottili, pelle secca, viso appiattito, occhi spesso strabici, miopie o cataratte, palpebre dall'aspetto asiatico, naso breve e largo, orecchie tonde e piccole, labbro inferiore sporgente, lingua ruvida, dentatura incompleta e irregolare, tronco ed estremità tozzi, mignolo spesso breve, cute interdigitale. È tipico il ritardo mentale.
Sindrome di Klinefelter (44, XXY): frequenza da 1:1000 a 1:400. È causata dalla non-disgiunzione dei cromosomi X, che sommandosi al cromosoma Y, danno un cariotipo 44, XXY. Quadro clinico: ipoplasia dei testicoli con assenza di produzione di spermatozoi Þ sterili, caratteri sessuali femminili secondari sviluppati, ma con ginecomastia (abbozzo del seno), osteoporosi alla colonna vertebrale, bacino femminile, gambe molto lunghe rispetto al tronco. Nel nucleo delle cellule è presente un corpuscolo cromatico di tipo femminile. Altro sintomo è il ritardo mentale: oltre il 50 % dei casi.
Sindrome di Turner (44, X0) o ipogonadismo
femminile o agenesi delle ovaie: frequenza da 1:1000 a 1:400. Causata dalla
monosomia del cromosoma X (non-disgiunzione nella R!). Quadro clinico: caratteri non sempre simili. Principali (fin
dall'infanzia): crescita corporea scarsa (130-
Altre malattie: - Sindrome di Edwards (Trisomia 17): morte entro il 5° mese
- Sindrome di Smith-Vanwijck (Trisomia 18): morte in età neonatale
- Sindrome di Patau (Trisomia 13-l5): malformazioni cardiache Þ morte dopo un anno
Batteri e regolazione genica
I batteri sono microrganismi procarioti in
grado di moltiplicarsi per amitosi Þ facilmente coltivabili. I batteri sono
riuniti in piccoli ammassi chiamati colonie. Tutti i batteri di una colonia
sono uguali e costituiscono una classe. Uno dei batteri più comuni
è il Colibacillo, ospite dell'intestino umano. Può moltiplicarsi
in substrati con sali inorganici e uno zucchero, come il lattosio, un
disaccaride formato da glucosio e galattosio, scissi dal colibacillo tramite
l'enzima: b-galattosidasi, che idrolizza i legami. Il
colibacillo regola la sintesi della b-galattosidasi, prodotta solo in presenza di
lattosio Þ induzione dell'enzima. È possibile
evidenziare il fenotipo di 2 ceppi di Colibacillo: Lac+ (normale), se produce
la b-galattosidasi,
e Lac- (mutante) se non è in grado di produrla.
Esistono 3 geni che codificano la sintesi di 3 enzimi necessari al colibacillo per utilizzare il lattosio: il gene lac Z, che codifica la b-galattosidasi, il gene lac Y, che determina una permeasi per il trasporto attivo del lattosio, e il gene lac A che determina una transacetilasi. Geni che codificano enzimi vengono detti strutturali. ½ sono poi altri geni destinati alla regolazione della quantità di b-galattosidasi, cioè il gene regolatore lac i, che determina il repressore, il gene promotore lac p, che controlla l'espressione dei geni lac Z,Y,A, e il gene operatore lac o. Tutti questi geni sono contigui sul cromosoma batterico. Questo complesso di geni è detto operone lac Þ sistema integrato in cui la sintesi degli enzimi codificati dai geni strutturali dell'operone è coordinata Þ i geni regolatori sono controllati da uno stesso repressore.
Il gene lac i codifica per una proteina detta repressore, che si fissa sul gene operatore (o), impedendo alla RNA-polimerasi di attaccarsi al promotore (p). Non c'è quindi trascrizione dei geni Z, Y, A, Þ non vengono prodotti i 3 enzimi.
Il lattosio (detto induttore) riconosce il repressore e vi si associa, rendendolo incapace di riconoscere o e di fissarvisi. Si ha quindi un'induzione per derepressione, che porta alla produzione dei 3 enzimi.
Gli alleli mutanti dell'operone lac, possono interessare vari geni, che gli appartengono: i mutanti di z (Z-) non sanno produrre la b-galattosidasi in presenza del lattosio, e sono lac-. Mutanti di Y (Y-) hanno una permeasi inattiva Þ il lattosio non può entrare nelle cellule Þ il fenotipo è lac-, malgrado la presenza di b-galattosidasi.
Decorso della clonazione Þ Rottura
delle cellule col gene da clonare mediante un frullatore e per trattamento
con un detergente. Estrazione del DNA: le molecole di DNA vengono
avvolte attorno a una bacchetta di vetro, che poi viene estratta dalla miscela
di cellule rotte. Taglio del DNA cellulare in corrispondenza di
particolari zone, tramite endonucleasi di restrizione (forbici molecolari).
Viene anche tagliato il vettore di clonaggio (fago o plasmide) Þ breve tratto di DNA circolare infettivo, che può passare
attraverso la membrana delle cellule e moltiplicarsi al loro interno. Esso
viene estratto da batteri. Miscelazione dei due tipi di DNA. Legame
dei frammenti di DNA (umano o altro) a vettori di clonaggio tramite DNA-ligasi.
L'inserimento produce una molecola di DNA chimeriso (in parte gene e in parte
vettore di clonaggio) o DNA ricombinante. Trasferimento del DNA in una
cellula-ospite (batterio o lievito) grazie ai vettori di clonaggio. Formazione
di un clone tramite moltiplicazione della cellula ospite Ogni clone
contiene, oltre al proprio DNA, anche il frammento di DNA: così, questo
gene può essere trasferito in una cellula di altro tipo.
La clonazione genica serve perciò a trasferire da un organismo a un altro frammenti di DNA, alcuni dei quali altereranno permanentemente, in modo utile e prevedibile, le caratteristiche biochimiche dell'organismo ospite. Si noti che i ceppi batterici utilizzati per la clonazione genica non sopravvivono bene fuori dal laboratorio; in gran parte sono geneticamente mutilati e spesso hanno bisogno di speciali sostanze nutritive per poter crescere.
Transgenesi Þ si ottengono ceppi di cellule
embrionali indifferenziate in coltura, manipolabili come cellule somatiche. In
seguito, tramite transfezione e selezione, si ottengono cellule embrionali
modificate col gene voluto. Queste cellule modificate vengono impiantate in una
blastociste assieme alle cellule embrionali normali, poi si reimpianta la
blastociste nell'organismo (es. topo). Si ottengono così topi
transgenici (chimere), formati in parte da cellule normali e in parte da
cellule modificate. Questi topi vengono incrociati con quelli che hanno fornito
le blastocisti, si rivelano tra i discendenti i transgenici eterozigoti e si
reincrociano tra loro, ottenendo infine topi transgenici omozigoti.
Altri importanti metodi per ottenere organismi transgenici (es. mais) sono l'infezione tramite organismo-taxi e il cannone a DNA (vedi geo).
Gemellarità
In Europa l'1% delle gravidanze sono gemellari. Esistono due tipi di gemelli: 1) gemelli dizigotici: (o biovulari o fraterni), si hanno quando 2 ovuli diversi sono fecondati da 2 spermatozoi diversi, più o meno allo stesso tempo; 2) gemelli monozigotici: derivano da cellule staccatesi nei primi stadi di sviluppo di un unico zigote, nato dalla fecondazione di un unico ovulo. Tali gemelli saranno identici, sia nel genotipo, sia nel fenotipo. Possono formarsi:
per separazione delle prime cellule dopo la 1° divisione dello zigote
per formazione di una singola massa di cellule che poi si divide
per sviluppo di 2 masse cellulari interne
per divisione molto tardiva Þ incompleta Þ gemelli coniugati o siamesi.
Negli annessi embrionali possono verificarsi 4 possibilità:
A) amnios, corion e placenta separati (mono e di) B)amnios,corion separati,placenta unita (mono e di)
C) amnios separati, corion e placenta uniti (mono) D) amnios, corion e placenta uniti (mono)
I gemelli sono molto utili per determinare e studiare l'ereditarietà. Infatti il confronto tra gemelli mono e dizigotici sono uno dei maggiori strumenti informativi nella genetica umana. Un esempio è la presenza delle lentiggini: nelle coppie di MZ, la percentuale di concordanza è del 100%, invece nei DZ è del 73% Þ la presenza delle lentiggini è dovuta al genotipo. In altri casi c'è però l'impatto dell'ambiente, che ha un ruolo assai rilevante.
Eredità e ambiente
I fattori ereditari e quelli ambientali interagiscono a vari livelli, con diversa intensità, per determinare le caratteristiche individuali e/o specifiche.
I contributi di uno o dell'altra parte (ambiente-eredità) sono alquanto variabili, infatti ci sono alcuni caratteri determinati unicamente dall'eredità (colore occhi), altri invece solo dall'ambiente (ferite). Ma la gran parte dei caratteri sono dovuti a interazioni (sinergismi) tra geni e ambiente. Un esempio è il colore del pelame nei conigli e nei gatti siamesi per DT, o la formazione di clorofilla solo in presenza di luce, o la fioritura solo a determinate durate d'illuminazione, e infine le malattie infettive di origine ambientale, il cui impatto dipende dai vari tipi di genotipi, che possono determinare sensibilità immunologiche (es. peste Þ monatti).
La variabilità mostrata da molti caratteri non è adatta alla classificazione in gruppi genotipici separati (variabilità discontinua), ma forma uno spettro di fenotipi che si fondono passando da un tipo all'altro (variabilità continua). I caratteri qualitativi sono in genere determinati da un solo allele, quelli quantitativi (statura, peso) da numerosi geni (sistemi poligenici) Þ l'effetto di ogni singolo gene è impercettibile. Inoltre la variabilità fenotipica nei caratteri quantitativi ha una componente ambientale relativamente grande, e una componente genetica piccola.
Studiando un carattere quantitativo in una popolazione di grandi dimensioni si osserva che pochi individui possiedono fenotipi estremi, mentre la maggior parte si trova verso valori medi (es. statura). Riportando i risultati su un grafico, si ottiene una curva di frequenza a campana (curva di Gauss), detta anche distribuzione normale (fu Galton a introdurre nella genetica metodi d'analisi statistica). Nasce così la biometria, concepita per evidenziare i fenomeni evolutivi.
Il valore fenotipico medio di un carattere con distribuzione normale
è la media aritmetica. La grandezza più utile è la
deviazione standard (s o DS), che su un grafico corrisponde al
punto di massima pendenza. Essa indica la dispersione dei singoli valori. Altra
grandezza è la varianza (s ), essenziale negli incroci negli allevamenti, dato che essa può
essere divisa in diverse componenti (genotipo, ambiente . ).
Deriva genetica (Drift) e migrazione
Immaginiamo un'isola con 30 persone sopravvissute ad una catastrofe, tra cui un capo tribù eterozigote per un'anomalia alla vista (acromatopsia). Anni dopo, il 50% dei discendenti è malato Þ discendenza del capo di allora, in cui il carattere singolare si è fissato grazie alla riduzione numerica della popolazione. Un altro esempio è l'albinismo, che in alcuni paesi alpini isolati si manifesta 100 volte maggiormente. Il fenomeno è più evidente quando le dimensioni di una popolazione hanno subito una drastica riduzione e quando la popolazione é rimasta geograficamente isolata. Si dice che l'allele singolare è stato fissato, mentre gli altri sono pressoché estinti. A meno che non ci siano mutazioni o migrazioni, la fissazione e l'estinzione sono irreversibili. Nel caso dell'isola, dato il ristretto no. di fondatori, si parla di effetto del fondatore (founder effect), per cui la distribuzione genica di un isolato (comunità con pochissimi immigranti e separata dal resto della popolazione) riflette la distribuzione dei geni dei fondatori. La concentrazione di una singolarità è segno tipico di un isolato: la presenza di certi geni nei fondatori e l'isolamento sono dovuti al caso.
Su una singola generazione il caso può avere diverse conseguenze:
l'evento più probabile è la nascita di li con frequenza genica analoga ai genitori
in media più una popolazione è grande, meno è soggetta a deviazioni delle frequenze geniche
l'accumulo di eventi casuali porterà in periodi lunghi alla fissazione di un allele e all'estinzione di tutti gli altri: la probabilità di fissazione dipende dalla frequenza iniziale dell'allele
il tempo necessario per la fissazione o l'estinzione è in media una funzione delle dimensioni della popolazione.
Il processo per cui le frequenze geniche sono soggette a fluttuazioni dovute al caso viene chiamato deriva genetica (drift) Þ tale fenomeno è una causa di variazione delle frequenze geniche nel tempo. Esso ha effetti tanto maggiori quanto minore è la popolazione.
Gruppi separati e dispersi sono il risultato di migrazioni, che possono sia frammentare la popolazione originale in piccoli gruppi (es. tribù), sia accrescere l'omogeneità di una popolazione (possibile genesi delle etnie e delle razze umane). In qualsiasi società qualche movimento migratorio é inevitabile (matrimoni). Un effetto della migrazione è l'eliminazione parziale degli effetti del drift genetico Þ maggiore è la migrazione, minori saranno le conseguenze dovute al drift. Dato che le migrazioni tra popolazioni limitano gli effetti del drift, alla fine vi sarà un equilibrio tra migrazione e drift. Quando le migrazioni sono unidirezionali (cioè implicano scambio di geni a bassa frequenza e in una sola direzione), si parla di flusso genico, che può mutare la costituzione genetica delle popolazioni coinvolte.
L'equilibrio di Hardy-Weinberg
In una popolazione ideale che sia panmittica (cioè vi siano solo incroci casuali), nella quale non vi siano mutazioni, né selezione (gli individui hanno uguale possibilità di sopravvivere) né movimenti migratori, e che sia formata da un numero elevato di individui (Þ per cui possono essere usate le leggi delle probabilità), le frequenze alleliche rimangono costanti da una generazione all'altra. L'equilibrio è espresso dalla relazione p2 + 2pq + q2 = 1, dove p è la frequenza di un allele A e q la frequenza dell'altro allele a (ammettendo che nel pool genico della popolazione ci siano solo quei 2 alleli, e che quindi p + q = 1). p2 indica la frequenza di omozigoti per A, 2pq al frequenza di eterozigoti e q2 la frequenza di omozigoti per a. Nel caso di più di 2 alleli per un certo gene nel pool genico della popolazione (allelia multipla), la legge è comunque applicabile, anche se l'equazione all'equilibrio è più complessa.
Nella realtà, non esiste una popolazione che rispetti questi limiti (dove non vi siano mutazioni . ), questa legge è però molto importante perché permette di stimare l'entità del cambiamento dovuto a questi fattori e trovarne le cause. Per esempio si possono calcolare le frequenze alleliche di una popolazione, che quindi in una popolazione ideale rimarranno costanti nel tempo: eseguendo questi calcoli per più generazioni, è possibile individuare le variazioni nel pool genico tra la popolazione ideale (secondo Hardy-Weinberg) e quella reale (calcolata) e cercare di stabilirne le cause.
Esistono due modalità riproduttive:
1) asessuata (agamica) Þ da un solo organismo se ne formano due identici, per amitosi o per mitosi. La quantità di DNA rimane costante, e i discendenti hanno le stesse caratteristiche genetiche degli ascendenti. Questo sistema è importante per l'estensione di una popolazione, o la rigenerazione di certi organi o tessuti.
2) sessuale (gamica): da 2 organismi ne nasce 1, grazie a cellule sessuali (gameti) altamente specifiche, tramite la meiosi. Essa garantisce una ricombinazione dei caratteri ereditari, che permette la formazione di ibridi, con maggior potere adattativo, nell'ambito della selezione naturale.
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