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GENETICA MENDELIANA

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GENETICA MENDELIANA

Sebbene l'ereditarietà biologica sia stata oggetto di interesse e stupore sin dagli inizi della storia umana, solo recentemente l'uomo ha iniziato a capire il suo funzionamento; in effetti lo studio scientifico dell'ereditarietà, noto come genetica, non iniziò di fatto prima della seconda metà del 1800 con il monaco Gregor Johann Mendel (1822-1884). Il suo lavoro, effettuato nel giardino di un tranquillo monastero agostiniano nell'attuale Brno, segnò l'inizio della genetica moderna.
Il maggior contributo di Mendel fu l'aver dimostrato che i caratteri ereditari sono trasmessi come unità che vengono distribuiti singolarmente a ogni generazione. Queste unità distinte, che vengono da Mendel Elemente, furono in seguito chiamate geni.
La soluzione che dette Mendel al problema dell'eredità sembra oggi tanto semplice che sorprende che nessuno nel 1865 avesse compreso la sua accurata e ragionata analisi. Quel lavoro, che segnò l'inizio della biologia quantitativa, rimane ancora come un modello di brillante procedura sperimentale.
Mendel osservò l'andamento numerico di alcune caratteristiche di tre generazioni di piante di pisello ed, in seguito, analizzò matematicamente i risultati ottenuti. E' proprio questa l'innovazione di Mendel: l'idea che un problema biologico potesse essere studiato quantitativamente era del tutto nuova; poi, analizzando i risultati ottenuti, ipotizzò due leggi, note come" legge della segregazione" e "legge della segregazione indipendente" , che diventarono le prime importanti leggi di genetica, e quindi diedero di fatto origine alla genetica classica.
La scelta di Mendel di utilizzare la pianta di pisello per i suoi esperimenti non era certo originale. Tuttavia egli riuscì a fo 949j92j rmulare i princìpi fondamentali dell'ereditarietà, dove altri avevano fallito, grazie al suo approccio metodologico. Innanzitutto egli verificò un'ipotesi molto specifica in una serie di esperimenti logici. Pianificò i suoi esperimenti con cura ed intelligenza, scegliendo di studiare solamente differenze ereditarie nette e scartando le caratteristiche che potevano apparire nella prole in modo incerto. In secondo luogo, Mendel studiò i discendenti non solo della prima generazione e della seconda, ma anche delle generazioni successive. Infine, in terzo luogo, analizzò i suoi dati in modo tale da rendere la loro valutazione semplice ed oggettiva. Gli esperimenti stessi furono descritti così chiaramente che poterono essere ripetuti e controllati da altri scienziati, cosa che in effetti poi avvenne.




INCROCI SPERIMENTALI
Mendel selezionò sette caratteri che mostravano, nelle diverse varietà di  piante di pisello, due forme nettamente differenti. Una varietà, per esempio, produceva sempre semi gialli, mentre un'altra sempre semi verdi. In seguito, Mendel esegui incroci sperimentali asportando le antere di un fiore contenenti il polline e cospargendo gli stigmi con il polline di un fiore di un altra varietà. Poi Mendel permise ai fiori di pisello di autoimpollinarsi, quindi di dare origine ad un'altra generazione da analizzare.

LEGGE DELLA SEGREGAZIONE

Mendel mise a confronto le generazioni da lui analizzate ed osservò che nella prima generazione F1, cioè «prima generazione filiale», tutti i figli mostravano solamente uno dei caratteri presenti nei genitori; l'altro carattere era completamente scomparso.
Le caratteristiche che apparivano nella generazione F1 furono chiamate da Mendel dominanti. Però a questo punto sorse spontanea una domanda: che cosa era successo al carattere antagonista? Il quesito fu risolto dall'analisi della «seconda generazione filiale» o F
2, in cui riapparivano i caratteri scomparsi nella generazione precedente. Queste caratteristiche, presenti nella generazione parentale (P) e ricomparse nella F2, dovevano in qualche modo essere presenti anche nella generazione F1, sebbene non evidenti. Mendel chiamò questi caratteri recessivi. La F2 quindi era composta da caratteri sia dominanti che recessivi, però legati dal rapporto 3:1. Mendel intuì che la comparsa dei caratteri antagonisti e le loro proporzioni costanti nella F2 potevano essere spiegate ammettendo che le caratteristiche fossero determinate da fattori separati. Questi fattori, riteneva Mendel, dovevano trovarsi nelle piante F1 in coppie: un componente di ogni coppia era ereditato dal padre e l'altro dalla madre. Questa, nota anche come prima legge di Mendel, è la legge della segregazione.
Quindi la F
1, dovendo avere entrambi i caratteri, può essere scritta come Yy, di conseguenza chiamarla eterozigote; però c'è da ricordare che un organismo eterozigote manifesta nel suo fenotipo (aspetto esteriore) solo l'allele (carattere) dominante.
Mentre la P è formata da organismi yy e YY, cioè da linee pure, chiamati anche omozigoti.
Chiarito il significato di tali parole possiamo cercare una spiegazione del rapporto 3:1. Uno dei modi più semplici è il quadrato di Punnet, dal nome del genetista inglese che per primo o utilizzò per l'analisi dei caratteri determinati geneticamente. Il quadrato di Punnet utilizza le leggi della probabilità.

LEGGE DELL'ASSORTIMENTO INDIPENDENTE

In una seconda serie di esperimenti Mendel prese in considerazione degli incroci tra piante di piselli che differivano per due caratteri: un genitore produceva semi lisci e gialli e l'altro rugosi e verdi. I caratteri liscio e giallo sono dominanti, mentre rugoso e verde sono recessivi.
Mendel, seguì il medesimo procedimento che aveva usato con il primo esperimento, ed ottenne risultati simili, ma significativi. La F
1 era composta per intero da componenti genotipicamente eterozigoti (quindi fenotipicamente con semi lisci e gialli), mentre fra i componenti della F2 Mendel notò un rapporto in media di 9:3:3:1. Su 16 combinazioni, 9 sono gli individui che presentano i due caratteri dominanti, 1 è l'individuo con i due caratteri recessivi, 3 e 3 sono gli individui con le due combinazioni alternative di caratteri dominanti e recessivi.
In base a questi risultati, Mendel formulò la seconda legge, o dell'assortimento indipendente, che afferma: "...quando si formano i gameti, gli alleli di un gene si separano indipendentemente dagli alleli di un'altro gene".

GENETICA CLASSICA



 Nei decenni che seguirono la riscoperta, nel 1900, degli studi di Mendel, in genetica vennero condotte numerosissime ricerche anche grazie alle quali i biologi riuscirono a confermare e ampliare le osservazioni di Mendel. I metodi e i dati ottenuti in questo periodo, durato circa 50 anni costituiscono il nucleo centrale di quel ramo della biologia che noi chiamiamo genetica classica.
La genetica classica si occupò prevalentemente di ampliare e correggere concetti sviluppati dalle teorie di Mendel

MUTAZIONI
Nel 1902 un botanico olandese, Hugo de Vries, notò che a volte in una pianta da lui analizzata si presentava un fenotipo del tutto nuovo, de Vries ipotizzò che un carattere nuovo comparisse in seguito a improvvisi cambiamenti avvenuti nei geni, e chiamo questi cambiamenti mutazioni e gli organismi con tali mutazioni furono detti mutanti.

INTERAZIONI 

INTERAZIONI ALLELICHE
Dominanza incompleta e codominanza
A mano a mano che gli studi di genetica procedevano, divenne chiaro che le caratteristiche dominanti e recessive non sono sempre così nette come i sette caratteri studiati da Mendel nella pianta di pisello.
Alcune caratteristiche sembrano mescolarsi: per esempio, incrociando una pianta di bocca di leone con fiori rossi con un'altra con fiori bianchi si producono eterozigoti di colore rosa. Questo fenomeno, in cui il fenotipo dell'eterozigote è intermedio tra quelli dei due omozigoti, è detto dominanza incompleta. Però in altri casi gli alleli possono agire da codominanti, con eterozigoti che esprimono contemporaneamente entrambi i fenotipi omozigoti. Un esempio familiare è il sangue
umano di tipo AB, in cui i globuli rossi mostrano le caratteristiche relative sia al tipo A sia al tipo B.
Alleli multipli
Ogni organismo diploide (cioè avente materiale genetico di entrambi i genitori) può avere soltanto due alleli per ogni gene, ma in una popolazione di organismi possono essere presenti più di due forme di un gene; si hanno perciò alleli multipli che derivano da differenti mutazioni dello stesso gene. Negli esseri umani i quattro principali gruppi sanguigni (A, B, AB e 0) sono determinati da un gene che ha tre alleli (A, B e 0).

INTERAZIONI GENICHE
Oltre alle interazioni che avvengono tra alleli della stesso gene, ci sono anche le interazioni tra alleli di geni differenti. In realtà, la maggior parte delle caratteristiche, sia strutturali sia chimiche, che costituisce il fenotipo di un individuo, è il risultato dell'interazioni tra due o più geni distinti. Queste interazioni possono essere di varia natura.
Talvolta, quando un carattere è influenzato da due o più geni differenti, può apparire un fenotipo del tutto nuovo.
In altri casi, invece, l'interazione genica non produce alcun nuovo fenotipo, ma un gene può interferire con un altro mascherandone gli effetti. Questo tipo di interazione è detta epistasi.
Però alcuni caratteri, come le dimensioni o la statura, la forma, il peso, il colore, il tasso metabolico e il comportamento, non sono il risultato di interazioni tra uno, due o più geni; sono invece il risultato complessivo degli effetti combinati di molti geni. Questo fenomeno è detto eredità poligenica

ESISTENZA CONCRETA DEL GENE

L'ipotesi che i geni fossero posti sui cromosomi venne definitamente confermata dagli studi effettuati sul moscerino della frutta Drosophila, che è stato utilizzato in una grande varietà di studi di genetica. Esso possiede quattro coppie di cromosomi; tre di queste copie (gli autosomi) sono strutturalmente uguali per entrambi i sessi, ma la quarta coppia, i cromosomi sessuali, è diversa. Nei moscerini della frutta, come molte altre specie (inclusa la specie umana), i due cromosomi sessuali sono XX nelle femmine e XY nei maschi.
Durante la meiosi i cromosomi sessuali, come pure gli autosomi, segregano (si separano). Ogni cellula uovo riceve un cromosoma X, ma metà degli spermatozoi riceve cromosomi X e metà Y. Perciò, è lo spermatozoo che determina il sesso dell'embrione nelle specie con i maschi XY.
Agli inizi del XX secolo T.H. Morgan dimostrò con gli esperimenti di incrocio sul moscerino della frutta che certi caratteri sono legati al sesso, cioè che i loro geni sono portati sui cromosomi sessuali. Poiché il cromosoma X porta dei geni che non sono presenti sul cromosoma Y, un singolo allele recessivo sul cromosoma X del maschio dà luogo ad un fenomeno recessivo dal momento che non è presente alcun altro allele. Al contrario, una femmina eterozigote per un carattere legato al sesso mostrerà caratteristiche dominanti.
Nell'uomo, tra i caratteri legati al sesso ci sono il daltonismo e l'emofilia.

GENETICA MOLECOLARE

   I cromosomi, come tutte le altre parti di una cellula vivente, sono formati da atomi disposti in molecole.  Alcuni scienziati, tra cui personalità eminenti nel campo della genetica, pensavano che sarebbe stato impossibile capire la complessità dei meccanismi ereditari sulla base della struttura di sostanze chimiche «inanimate».  Altri ritenevano che, una volta chiarita la struttura chimica dei cromosomi, sarebbe stato possibile capire il loro ruolo come portatori delle informazioni genetiche; questa intuizione segnò l'inizio di un fruttuoso campo di ricerche, la genetica molecolare.
Le prime analisi chimiche del materiale ereditario rivelarono che il cromosoma eucariote è costituito da acido deossiribonucleico (DNA) e da proteine, sostanze presenti più o meno in uguale quantità; perciò entrambe avrebbero potuto avere il ruolo di materiale genetico.
Le proteine sembravano essere la soluzione più probabile a causa della loro maggiore complessità chimica; le proteine infatti sono polimeri di amminoacidi di cui nelle cellule, se ne conoscono 20 diversi tipi. Il DNA, invece, è un polimero formato solamente da quattro differenti tipi di nucleotidi.




ALLA SCOPERTA DEL DNA

LA NATURA DEL DNA
Il DNA era stato isolato per la prima volta dal medico tedesco Friedrick Miescher nel 1869, nello stesso importante decennio in cui Darwin pubblicava L'Origine delle Specie e Mendel comunicava i suoi risultati alla Società di Storia Naturale di Brùnn.  La sostanza isolata da Miescher era bianca, zuccherina, leggermente acida e conteneva fosforo.  Poiché era stata trovata soltanto nei nuclei delle cellule, venne chiamata acido nucleico.  Tale nome fu in seguito modificato in acido deossiribonucleico (DNA) per distinguere questa sostanza da una simile, l'acido ribonucleico (RNA).


Ogni nucleotide è formato da una base azotata, dallo zucchero deossiribosio e da una base azotate e un gruppo fosfato. Vi sono due tipi di basi azotate: le purine, che presentano una struttura a due anelli e le pirimidine che hanno un solo anello. Nel DNA vi sono due tipi di purine, l'adenina (A) e la guanina (G) e due tipi di pirimidine, la citosina (C) e la timina (T). Così il DNA è costituito da quattro tipi di nucleotidi che differiscono soltanto per tipo di purine o di pirimidine contenenti azoto.

Gli esperimenti sui batteriofagi
Nel 1940 ebbe inizio una serie di esperimenti fondamentali che utilizzavano un altro «materiale adatto», destinato a diventare tanto importante nella ricerca quanto la pianta di pisello e il moscerino della frutta.  Tale materiale era un gruppo di virus che attaccano i batteri e sono pertanto detti batteriofagi. («mangiatori di batteri»).  I batteriofagi scelti inizialmente per questi studi furono quelli che attaccano Escherichia coli uno tra i più comuni batteri dell'intestino umano.
L'analisi clinica dei batteriofagi rivelò che essi sono costituiti quasi esclusivamente da DNA e proteine, le due sostanze che negli anni '40 erano i principali concorrenti al ruolo di materiale genetico.
  La questione su quale dei due tipi di molecola contenga i geni virali, cioè il materiale ereditario che dirige la sintesi di nuovi virus all'interno della cellula batterica, fu risolta nel 1952 da Alfred D. Hershey e da Martha Chase. Osservando la figura tenete presente che, mentre le proteine contengono zolfo (negli amminoacidi metionina e cisteina), ma non fosforo, il DNA contiene fosforo ma non zolfo.  Grazie a questi esperimenti è stato possibile dimostrare che solamente il DNA dei batteriofagi era coinvolto nel processo di duplicazione e che le proteine non potevano costituire il materiale genetico.


MODELLO WATSON-CRICK
Nel 1953 lo scienziato americano James Watson ed il fisico francese Francis Crick proposero un modello di struttura per il DNA; essi non eseguirono veri e propri esperimenti, ma intrapresero, piuttosto, un esame razionale di tutti i dati allora noti sul DNA, cercando di organizzarli in modo logico.  Secondo il loro modello la molecola di DNA è un'elica a filamento doppio, dalla forma di una scala a spirale. I due «montanti» della scala sono costituiti da subunità ripetute di un gruppo fosfato e dello zucchero deossiribosio a 5 atomi di carbonio. I «pioli» sono costituiti da basi azotate appaiate (una purina si appaia con una pirimidina); A può appaiarsi solo con T e G solo con C, e si chiamano complementari. Le quattro basi sono le quattro «lettere» usate per scandire il messaggio genetico.  Le basi appaiate sono unite da legami a idrogeno.

Duplicazione
Quando la molecola di DNA si duplica, i due filamenti si separano in seguito alla rottura dei legami a idrogeno. Ogni filamento si comporta come uno stampo per la formazione di un nuovo filamento complementare, utilizzando i nucleotidi disponibili nella cellula. L'aggiunta di nucleotidi al nuovo filamento è catalizzata dagli enzimi DNA-polimerasi.  Nel processo di duplicazione molti altri enzimi giocano un ruolo importante.
La duplicazione del DNA inizia a livello di una particolare sequenza di nucleotidi sul cromosoma, che è il punto d'origine della duplicazione.  Questa procede in entrambe le direzioni, per mezzo delle due forcelle di duplicazione che si spostano nelle due direzioni opposte.  Durante la duplicazione del DNA avviene l'azione proofreading delle DNA-polimerasi, che fanno invertire la direzione di marcia quando si rende necessario rimuovere quei nucleotidi che non si sono appaiati in modo corretto a quelli del filamento stampo.
Grazie alle deduzioni sulla struttura a doppia elica del DNA elaborate da Watson e Crick, venne universalmente accettato il ruolo del DNA come la molecola che porta a trasmettere le informazioni genetiche.  Con la scoperta del complesso ed estremamente preciso meccanismo mediante il quale le cellule duplicano il loro DNA era finalmente risolto il problema di come l'informazione ereditaria venga fedelmente trasmessa da una cellula madre alla cellula figlia, generazione dopo generazione.



LA TRADUZIONE DEL CODICE GENETICO

Un gene-un enzima
Ritornando un po' indietro nella storia notiamo come già negli anni '40 il biologo Beadle notò l'importanza del legame che corre tra un gene ed il suo corrispondente enzima. Beadle, insieme al chimico Tatum, nel 1941 incominciò ad analizzare i mutanti di Neurospora (muffa rossa del pane) per dimostrare, attraverso studi di mappatura genica, che a una certa mutazione corrisponde la perdita di funzionalità di un certo enzima. Ma, visto che gli enzimi sono composti da proteine e le proteine da catene polipeptidiche, allora poterono dire che a un gene corrisponde una proteina o, più precisamente, una catena polipeptidica (riassumendo con la formula un gene-una catena polipeptidica).


DAL DNA ALLA PROTEINA: RUOLO DELL'RNA
Il problema successivo divenne quello della traduzione: come faceva la successione delle basi azotate a determinare la sequenza degli amminoacidi di una proteina? La ricerca di una risposta a questo quesito condusse alla scoperta dell'acido ribonucleico (RNA), una sostanza chimicamente simile al DNA.
Come poi risultò, non uno ma tre tipi di RNA agiscono come intermediari nei processi che, partendo dal DNA, portano alle proteine. Questi tre tipi si distinguono in forma e funzionalità, ed agiscono l'uno dopo l'altro nella traduzione. Si chiamano RNA messaggero (mRNA), RNA ribosomiale (rRNA) e RNA di trasporto (tRNA).


·  RNA messaggero (mRNA)
A questo punto della nostra spiegazione incominciamo a descrivere il primo: l'RNA messaggero (mRNA). Le molecole di RNA messaggero sono copie (trascrizioni) di sequenze nucleotidiche codificate del DNA. A differenza del DNA, tuttavia, le molecole di RNA hanno in genere un solo filamento. Ogni nuova molecola di mRNA viene copiata da uno dei due filamenti del DNA con lo stesso principio che regole la duplicazione del DNA. L'aver identificato l'mRNA come la copia di lavoro delle istruzioni genetiche non aveva ancora risolto il problema di fondo. Le proteine contengono 20 amminoacidi differenti, ma il DNA e l'RNA contengono ciascuno solo quattro diversi nucleotidi; in qualche modo questi nucleotidi costituivano un codice genetico per gli amminoacidi. Facendo un po' di calcoli su questi numeri si notò come l'unico modo in cui il DNA avrebbe potuto codificare per gli amminoacidi era che un singolo amminoacido dovesse essere determinato da tre nucleotidi in sequenza. Le 64 possibilità formate dalle composizioni dei nucleotidi vennero chiamate codoni.
Nirenberg e Matthaei fruttarono giusto l'RNA messaggero per decifrare il codice genetico. Provarono ad inserire parti di una cellula che permettessero di produrre proteine in una provetta dove inserirono degli RNA artificiali che ripetevano uno stesso codone più volte. Un certo tipo di codone, formato da tre nucleotidi, traduce per un certo tipo di amminoacidi che legati insieme formano una proteina.


·  Ribosomi
La sintesi proteica, o traduzione, avviene sui ribosomi. Un ribosoma è formato da due subunità, una grossa e una piccola, ognuna costituita da specifici RNA ribosomiali (rRNA) e da molecole proteiche specifiche. Nella sintesi proteica è necessario anche un altro tipo di molecole di RNA, cioè l'RNA di trasporto (tRNA) che ha forma di trifoglio. Queste piccole molecole possono portare su un'estremità un amminoacido e hanno una tripletta di basi, l'anticodone, sul «braccio» centrale all'estremità opposta della molecola. Durante la sintesi, il tRNA funziona da adattatore (quasi come un dizionario bilingue) mettendo in corrispondenza ciascun codone dell'mRNA col relativo amminoacido; esiste almeno un tipo di tRNA per ciascun tipo di amminoacido presente nella cellula.

 







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