L'espressione genica

Definisci la trascrizione: quale molecola fa da stampo, quale molecola viene prodotta e in quale parte della cellula eucariote avviene.

Durante la trascrizione, ogni base del filamento stampo del DNA determina quale base porterà l'mRNA. Indica quale base metterà l'mRNA di fronte a una A, una T, una G e una C dello stampo, ricordando che nell'RNA non c'è timina.

Il filamento stampo di un gene ha la sequenza 3'-TAC GGA TTT-5'. Scrivi la sequenza dell'RNA messaggero che viene sintetizzato a partire da esso, tenendo conto che nell'RNA la timina è sostituita dall'uracile.

Spiega con parole tue che cosa significa che una cellula «esprime un gene» e perché il risultato finale di questa espressione è una proteina.

Spiega che cos'è una proteina e cita tre funzioni diverse svolte dalle proteine negli esseri viventi, con un esempio per ciascuna.

Il DNA non esce mai dal nucleo, ma i ribosomi si trovano nel citoplasma. Spiega quale problema pone questo per produrre proteine e come lo risolve l'RNA messaggero.

Spiega che cos'è un amminoacido e come si forma una proteina a partire da essi: che cos'è una catena polipeptidica e che cosa determina l'ordine in cui si uniscono gli amminoacidi.

Un enzima digestivo umano ha la sua attività ottimale a 37 °C. Se viene riscaldato a 60 °C per cinque minuti e poi raffreddato di nuovo a 37 °C, perde completamente la sua attività enzimatica e non la recupera. Se invece viene congelato a -20 °C e poi scongelato a 37 °C, continua a funzionare del tutto normalmente.

1. a) Giustifica a livello molecolare la differenza osservata tra riscaldare e congelare l'enzima, spiegando che cosa accade alla sua struttura tridimensionale e al suo sito attivo in ciascun caso.
2. b) Perché la perdita della struttura terziaria impedisce all'enzima di riconoscere il suo substrato?

Che cos'è il codice genetico? Spiega che cos'è un codone e da quante basi è formato.

Un RNA messaggero porta la sequenza 5'-AUG GCU CAA-3'. Ricostruisci la sequenza del filamento stampo del DNA a partire dal quale è stato trascritto, indicandone la direzione.

L'insulina è una proteina di $51$ amminoacidi. Tenendo conto che l'mRNA richiede anche un codone di terminazione, calcola quanti nucleotidi ha come minimo la parte codificante del suo mRNA e spiega il calcolo.

Si analizzano due pazienti con mutazioni puntiformi nello stesso codone del loro mRNA maturo, che originariamente era GAA (codifica acido glutammico):

• Nel paziente A, il codone muta in GAG (codifica acido glutammico).

• Nel paziente B, muta in GUA (codifica valina).

1. a) Basandoti sulle proprietà del codice genetico, giustifica perché il paziente A non manifesta alcuna alterazione mentre il paziente B presenta un enzima non funzionale.
2. b) Potrebbe esistere una «mutazione silente» come quella del paziente A se il codice genetico non fosse degenerato? Giustifica la tua risposta deducendo quali conseguenze avrebbero le mutazioni in un codice ipotetico con un solo codone per amminoacido.

Osserva lo schema di una cellula eucariote in cui è rappresentata l'espressione di un gene: i segnaposto ?1 e ?2 indicano dove avvengono la trascrizione e la traduzione, senza specificare quale sia quale. Indica quale processo avviene in ciascun punto indicato e in quale parte della cellula si trova.

Spiega il ruolo del ribosoma e dell'RNA di trasporto (tRNA) durante la traduzione: dove si lega ciascuno e che cosa trasporta il tRNA?

Queste tappe dell'espressione di un gene sono in disordine: la proteina viene completata; l'mRNA esce dal nucleo; l'mRNA si lega a un ribosoma; il DNA viene trascritto. Mettile in ordine e descrivile in una frase ciascuna.

Stabilisci due differenze tra la trascrizione e la traduzione: la molecola che viene prodotta in ciascun processo e il luogo in cui avviene.

Il ribosoma legge l'mRNA in codoni consecutivi, senza saltare basi. Spiega che cosa accade a tutti i codoni che seguono un punto in cui è stata inserita una base in più e perché si dice che «si sposta il quadro di lettura».

Un batterio sintetizza un oligopeptide a partire dal seguente frammento di mRNA maturo:

5'-... AUG GCC UUU UAA ...-3'

Un agente mutageno provoca la delezione (perdita) del primo nucleotide del codone GCC (la prima citosina), e la sequenza diventa: 5'-... AUG GCU UUU AA...-3'.

Sapendo che:

• AUG = Metionina (inizio)

• GCC = Alanina; GCU = Alanina; UUU = Fenilalanina; UUA = Leucina

• UAA = Stop (terminazione)

1. a) Scrivi la sequenza di amminoacidi risultante prima e dopo la mutazione.
2. b) Giustifica perché una mutazione per cambio del quadro di lettura (delezione o inserzione) ha di solito conseguenze molto più gravi per la funzione di una proteina rispetto a una mutazione per sostituzione di una singola base.

La trascrizione e la replicazione si assomigliano perché in entrambe si «legge» un filamento di DNA e si produce una molecola complementare. Spiega due differenze fondamentali tra i due processi: che cosa si copia in ciascun caso e quale molecola si ottiene.

Nelle microfotografie elettroniche dei batteri si osserva spesso che più ribosomi si legano all'mRNA e iniziano a tradurlo mentre la RNA polimerasi sta ancora trascrivendo quello stesso mRNA a partire dal DNA.

1. a) Giustifica perché questo accoppiamento simultaneo di trascrizione e traduzione è impossibile in una cellula umana.
2. b) Se cloniamo un gene umano direttamente in un batterio così come viene estratto dal nucleo umano (con i suoi esoni e introni), il batterio non è in grado di produrre la proteina corretta. Spiega a che cosa è dovuto questo fallimento e quale passaggio della maturazione dell'RNA manca al batterio.

Il gene della catena beta dell'emoglobina umana nel DNA nucleare misura 1600 coppie di basi, ma la proteina matura contiene solo 146 amminoacidi (la metionina iniziale viene rimossa dopo la traduzione).

1. a) Calcola quanti nucleotidi dell'mRNA maturo codificano strettamente questa catena polipeptidica (compresi il codone di inizio e quello di terminazione).
2. b) Giustifica a che cosa è dovuta la grande differenza di lunghezza tra il gene originale di 1600 coppie di basi e i nucleotidi che hai calcolato.
3. c) Il genoma umano contiene circa 20 000 geni, ma le nostre cellule producono più di 90 000 proteine diverse. Spiega attraverso quale meccanismo di maturazione dell'mRNA è possibile generare più proteine diverse a partire da un singolo gene.

Immagina una cellula mutante ipotetica in cui non esiste la molecola di mRNA: i ribosomi entrano direttamente nel nucleo e traducono le proteine leggendo direttamente la doppia elica del DNA.

Valuta questa situazione indicando due gravi inconvenienti biologici di questo meccanismo: uno legato all'integrità e alla protezione del materiale genetico, e l'altro legato alla velocità di risposta e alla capacità di amplificazione quando la cellula deve produrre migliaia di copie di una proteina in poco tempo.

Uno studente afferma: «Poiché un neurone e una cellula della pelle hanno funzioni e forme completamente diverse, le loro molecole di DNA devono essere diverse; per esempio, il neurone ha eliminato i geni delle proteine della pelle che non gli servono».

1. a) Confuta l'affermazione dello studente spiegando che cosa troveremmo realmente se sequenziassimo il DNA genomico dei due tipi cellulari.
2. b) Se il DNA è identico, prevedi e giustifica quali differenze ti aspetti di trovare analizzando i tipi di mRNA e di proteine presenti nel citoplasma delle due cellule.

Grazie all'ingegneria genetica è possibile introdurre il gene dell'insulina umana nel batterio Escherichia coli e fare in modo che questo batterio produca insulina identica alla nostra.

1. a) Quale caratteristica fondamentale del codice genetico rende possibile che un batterio interpreti correttamente le istruzioni di un gene umano? Giustifica quale conclusione evolutiva sull'origine comune di tutti gli esseri viventi si ricava da questo fatto.
2. b) Immagina che il codice genetico non avesse questa caratteristica e fosse specifico di ciascuna specie. Che cosa accadrebbe introducendo il gene umano nel batterio? Giustifica la tua deduzione.