Il DNA e l'RNA

Spiega che cos'è il DNA, che tipo di informazione contiene e in quale parte di una cellula eucariote si trova la maggior parte di questa molecola.

Spiega che cos'è un nucleotide e indica i suoi tre componenti. Quale di essi varia da un nucleotide all'altro e costituisce la «lettera» dell'informazione genetica?

Ordina dalla più piccola alla più grande queste strutture e spiega in una frase che cos'è ciascuna: cromosoma, cellula, gene, nucleotide, nucleo.

Indica le quattro basi azotate del DNA e spiega la regola di appaiamento che segue la doppia elica.

Lo schema mostra un frammento di doppia elica di DNA. Indica che cosa rappresentano i riferimenti 1 e 2, e completa le basi mancanti nei pioli segnalati con ?, sapendo che A si appaia sempre con T e G con C.

La doppia elica di DNA somiglia a una scala a chiocciola. Spiega quali molecole formano i «montanti» della scala e quali formano i «pioli», e come sono uniti tra loro i componenti di ciascun piolo.

Le due catene del DNA sono antiparallele: una percorre la doppia elica in direzione da 5' a 3' e l'altra in direzione da 3' a 5'. Spiega con un paragone che cosa significa che sono antiparallele e che cosa indicano i simboli 5' e 3'.

Una catena di DNA ha la sequenza 5'-ATG CCG TTA-3'. Scrivi la sequenza della catena complementare, indicando anche la sua direzione, e spiega che cosa hai tenuto in considerazione.

Nel DNA di una specie, il $22\ \%$ delle basi è timina. Calcola quale percentuale ci sarà di adenina, di guanina e di citosina, e spiega il ragionamento.

In una molecola di DNA, il $18\ \%$ delle basi è guanina. Calcola le percentuali di citosina, adenina e timina, e spiega ogni passaggio del ragionamento.

Per decenni si è creduto che il materiale ereditario fossero le proteine e non il DNA. Spiega quali tre proprietà deve soddisfare qualsiasi molecola per poter essere il materiale ereditario e perché il DNA le soddisfa.

Un gruppo di astrobiologia analizza il materiale genetico di un microrganismo extraterrestre. Scoprono che è costituito da due catene contrapposte, ma osservano due anomalie rispetto al DNA terrestre: 1) il diametro della doppia elica non è costante, ma presenta continui allargamenti e restringimenti; 2) le due catene procedono nella stessa direzione (entrambe in senso $5' \to 3'$). Utilizzando i principi di complementarità delle basi puriniche/pirimidiniche e di antiparallelismo proposti da Watson e Crick, spiega quale tipo di appaiamenti chimici starebbe provocando quelle irregolarità di spessore e prevedi quale difficoltà fisica o enzimatica presenterebbe una doppia elica parallela durante la replicazione cellulare.

Un laboratorio analizza la composizione in basi azotate del materiale genetico estratto da tre virus diversi, ottenendo i seguenti risultati:

• Virus 1: $30\ \%$ adenina, $30\ \%$ timina, $20\ \%$ guanina, $20\ \%$ citosina.

• Virus 2: $30\ \%$ adenina, $20\ \%$ timina, $22\ \%$ guanina, $28\ \%$ citosina.

• Virus 3: $30\ \%$ adenina, $30\ \%$ uracile, $20\ \%$ guanina, $20\ \%$ citosina.

Determina in modo ragionato per ciascun virus: che tipo di acido nucleico possiede (DNA o RNA) e se il suo filamento è a singolo o a doppio filamento. Giustifica inoltre perché il virus 2 non contraddice le leggi della chimica anche se le sue percentuali di adenina e timina non coincidono.

Si analizza il DNA a doppio filamento di due specie di batteri: la specie A proviene da una sorgente idrotermale sottomarina a $85\ ^\circ\text{C}$ e la specie B proviene dal suolo a $20\ ^\circ\text{C}$. Le analisi mostrano che uno dei campioni contiene un $38\ \%$ di citosina e l'altro contiene un $19\ \%$ di citosina.

1. a) Deduci e giustifica a quale batterio corrisponde ciascuna percentuale, basandoti sulla stabilità molecolare dei legami tra le coppie di basi.
2. b) Calcola la percentuale di tutte le altre basi azotate (adenina, timina e guanina) presenti nel DNA del batterio termofilo del campione.

Nello storico esperimento di Hershey e Chase (1952) con i batteriofagi:

1. a) Prevedi quali risultati si sarebbero ottenuti nel sedimento di batteri e nel liquido surnatante se l'ipotesi prevalente all'epoca (che le proteine costituissero il materiale ereditario) fosse stata quella corretta.
2. b) Immagina che uno studente proponga di ripetere l'esperimento marcando i virus con azoto-15 ($^{15}\text{N}$, isotopo stabile) invece di usare fosforo ($^{32}\text{P}$) e zolfo ($^{35}\text{S}$). Giustifica perché questo disegno sperimentale sarebbe completamente inutile per stabilire se il materiale genetico è il DNA o la proteina.

Prima di dividersi, la cellula copia tutto il suo DNA mediante la replicazione. Spiega in che cosa consiste questo processo e perché si dice che è semiconservativo: quali catene formano ciascuna molecola di DNA figlia e quale ruolo svolge la complementarità delle basi affinché la copia sia esatta.

La replicazione del DNA avviene prima che la cellula si divida per mitosi. Spiega perché è indispensabile che avvenga in quest'ordine e che cosa accadrebbe all'informazione genetica delle cellule figlie se una cellula si dividesse senza aver prima copiato il proprio DNA.

Alcuni farmaci chemioterapici contro il cancro (agenti reticolanti) possono unire covalentemente i due filamenti del DNA. Immagina un farmaco ipotetico che agisca formando legami covalenti permanenti tra le basi azotate affacciate della doppia elica, sostituendo i consueti legami a idrogeno.

1. a) Prevedi perché questo farmaco blocca in modo fulmineo la divisione delle cellule tumorali, spiegando quali enzimi e processi della replicazione o della trascrizione vengono impediti fisicamente.
2. b) A partire dal caso precedente, giustifica perché la selezione biologica ha mantenuto nel corso dell'evoluzione legami deboli (legami a idrogeno) tra i due filamenti e legami forti (covalenti fosfodiesterici) lungo ciascuna catena, invece di usare solo legami forti o solo legami deboli.

Spiega che cos'è un gene e descrivi la sua relazione con il DNA, i cromosomi e le proteine.

Confronta come è organizzato il DNA in un batterio e in una cellula eucariote: dove si trova, quanti cromosomi di solito ci sono e che forma hanno.

In un laboratorio si sperimenta un farmaco su una coltura cellulare. Il composto si lega in modo irreversibile agli istoni impedendo che il DNA si srotoli dai nucleosomi.

1. a) Prevedi quali due processi molecolari indispensabili per la cellula verranno bloccati immediatamente e giustifica perché a livello molecolare.
2. b) Se una cellula già duplicata avvia la mitosi e riesce a condensare i suoi cromosomi, ma il farmaco le impedisce di decondensarli al termine della telofase, quali conseguenze avrà questo per la vitalità delle cellule figlie durante l'interfase?

La regione codificante ininterrotta di un gene eucariote è formata esattamente da $900$ coppie di basi (compreso il codone di stop finale).

1. a) Calcola da quanti amminoacidi sarà composta la proteina tradotta a partire da questo gene.
2. b) Supponi che avvenga una mutazione per inserzione di un solo nucleotide nella posizione numero $301$. Prevedi quali conseguenze avrà questa mutazione sulla lunghezza finale della catena di amminoacidi e sulla sua funzione biologica, rispetto a una mutazione puntiforme per sostituzione nella stessa posizione $301$. Giustifica la tua previsione utilizzando i concetti di quadro di lettura e codone di stop prematuro.

Un cromosoma umano in metafase misura circa $5\ \mu\text{m}$, ma il filamento di DNA che contiene, disteso, misurerebbe circa $5\ \text{cm}$ (un impacchettamento di $10\,000$ volte).

1. a) Se applichi a una cellula in metafase un inibitore dell'enzima RNA polimerasi (responsabile della trascrizione), noterai che ha appena effetto perché la sintesi di RNA è già bloccata naturalmente. Giustifica questo fatto mettendolo in relazione con il grado di compattazione della cromatina.
2. b) Spiega perché per la cellula è indispensabile raggiungere un livello di impacchettamento così elevato durante la mitosi e perché sarebbe letale per lei mantenere lo stesso grado di condensazione in modo permanente durante l'interfase.

Indica tre differenze tra il DNA e l'RNA: lo zucchero che contengono, il numero di catene e una delle loro basi azotate.