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I.S.I.S. “G.Natta”, Bergamo 5 C LST Anno Scolastico 2013/2014 Calissi Giampaolo

LE MUTAZIONI

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INDICE

1. INTRODUZIONE pag. 3 2. STORIA DEL DNA pag. 3

3. TIPOLOGIA DI MUTAZIONE

- Mutazioni cromosomiche pag. 5 - Mutazione genomiche pag. 6 - Mutazioni puntiformi pag. 7

4. CAUSE pag. 12 5. LE ONDE ELETTROMAGNETICHE pag. 13

6. FOCUS: LA SCOPERTA DI NUOVE BASI AZOTATE pag. 15 7. CONCLUSIONE pag. 16

8. RIFERIMENTI pag.17

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1. INTRODUZIONE Che cosa è una mutazione? Le mutazioni sono eventi casuali determinati da errori nella codifica o nei processi che coinvolgono il DNA. Le mutazioni causano la variazione del codice genetico di un individuo, portando, visibilmente o invisibilmente, il nostro organismo a variare, permettendo una modifica, anche se innocua, alla specie. Il mio interesse per le mutazioni si è sviluppato quando, nel programma scolastico, abbiamo studiato Darwin. Darwin sosteneva che la selezione naturale si basasse sul miglior adattamento all’ambiente dei singoli individui. Il miglior adattamento di un individuo rispetto ad un altro è dato, a parere di Darwin, da differenze dovute al caso. Oggi sappiamo che le differenze tra gli individui sono determinate dalle mutazioni del DNA. In questo progetto vorrei analizzare i processi a livello chimico che hanno permesso alle specie del nostro pianeta di evolversi per ottenere la biodiversità esistente, un tesoro tanto grande quanto minacciato al giorno d’oggi. Inoltre le mutazioni sono sempre state uno spunto di partenza per un gran numero di opere cinematografiche e letterarie di genere fantascientifico che hanno sempre suscitato la mia attenzione.

2. STORIA DEL DNA Il DNA o acido desossiribonucleico è la molecola responsabile del nostro codice genetico e dell’ereditarietà dello stesso. Il DNA venne isolato per la prima volta nel 1869 dal medico tedesco Friedrich Miescher; a quel tempo non si era ancora sicuri delle sue funzionalità e si presupponeva che le proteine fossero le portatrici del nostro codice genetico. Questo è dato dal fatto che le proteine sono formate da 20 diversi amminoacidi, mentre il DNA comprendeva soltanto 4 diverse basi azotate: Citosina, Guanina, Timina, e Adenosina. 2.1 La scoperta del ruolo del DNA Questa ambiguità venne poi chiarita nel1952 da Alfred D. Hersey che in un importante esperimento riuscì a definire che il DNA era il vero portatore del codice genetico. L’esperimento di Hershey consisteva nell’osservazione di due gruppi di batteriofagi (i virus sono agenti molto semplici costituiti da un involucro proteico e da DNA interno) che attaccavano dei batteri di Escherichia Coli, uno in cui era stato inserito l’isomero radioattivo 32P che veniva inglobato nel DNA e l’altro in cui era stato inserito l’isotopo radioattivo 35S che veniva incluso nelle proteine. Dopo che i virus attaccarono i batteri Hershey centrifugò i due campioni e cercò la radioattività dei due isotopi nei due campioni. Grazie alla centrifuga i corpi esterni, costituiti da proteine, si staccarono dai batteri, mentre il DNA si era inserito nei batteri. Osservando che solo il 32P era rimasto nei batteri si capì che il DNA era la molecola che trasportava le informazioni che ne permettevano la riproduzione. Per questo brillante esperimento a Hershey e altri suoi collaboratori nel 1969 fu assegnato il premio Nobel per la medicina. 2.2 La struttura del DNA Il passo successivo fu compiuto da Watson e Crick che riuscirono nel 1953 a ricostruire, grazie alle scoperte fino ad allora compiute e a ragionamenti razionali, un modello della struttura del DNA. Si comprese che il DNA aveva una struttura elicoidale molto lunga (il DNA di una cellula può raggiungere il metro di lunghezza) costituita da due filamenti laterali fatti di zucchero, il desossiribosio, e da fosfato che

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costituivano la struttura portante su cui delle basi azotate (adenina, timina, citosina e guanina) si legavano tra loro grazie a dei legami ad idrogeno tenendo i due filamenti esterni del DNA uniti, quasi a formare un’unica molecola. Inoltre la distanza costante tra i due filamenti fece comprendere che solo una purina (adenosina e guanina) poteva legarsi a una pirimidina (timina e citosina) e il numero di legami ad idrogeno che la citosina si poteva legare solo alla guanina (3 legami ad idrogeno) e che la timina si poteva legare alla adenosina (2 legami ad idrogeno). 2.3 La dipendenza delle proteine dal DNA Agli inizi del novecento gli scienziati capirono che tutte le attività biochimiche delle cellule, tra cui anche quelle di sintesi, erano guidate da enzimi specifici. Negli anni 40 del novecento un genetista, George Beadle, dimostrò, attraverso un esperimento sulla muffa rossa del pane, la relazione tra mutazioni e perdita di funzionalità di un enzima. Siccome gli enzimi venivano “manomessi” da una mutazione era logico pensare che il DNA, su cui avveniva la mutazione, era la base da cui partiva la sintesi dell’enzima. La teoria venne poi allargata creando il concetto di gene, cioè un segmento di DNA codificante per una catena polipeptidica (proteina). 2.4 RNA Una successiva scoperta portò alla conclusione che l’RNA era la molecola che intermediava il rapporto tra DNA e proteine. L’RNA è un acido nucleico che differisce dal DNA per tre fattori:

1- lo zucchero presente è il ribosio e non il desossiribosio 2- al posto della base timina è presente la base uracile 3- la molecola di RNA presenta un solo filamento

L’RNA si forma da un processo chiamato trascrizione dove un enzima, l’RNA-polimerasi, si attacca a un filamento di DNA precedentemente aperto e sintetizza su uno dei filamenti, chiamato filamento stampo, una filamento di RNA complementare al filamento stampo. Dopodiché il filamento di RNA si stacca e viene spostato nel liquido interno alla cellula (citosol) dove, tramite i ribosomi e altri tipi di RNA, sintetizza le proteine. L’RNA contiene, quindi, l’effettivo codice che codifica per le proteine. Questo comporta che a una certa sequenza di basi azotate corrisponda un amminoacido. Procedendo matematicamente si può vedere come né una base né due fornivano abbastanza possibilità diverse per codificare i 20 diversi amminoacidi. Si comprese, quindi, che il codice genetico era degenerato perché le possibilità di una sequenza di 3 basi azotate, o codone, forniva 43 possibilità di combinazione che sorpassavano di gran numero le 20 basi azotate esistenti, rendendo più codoni codificanti uno stesso amminoacido. 2.5 La traduzione del codice genetico Il primo passo per la decodificazione del codice genetico fu compiuto da Marshall Nirenberg e da Heinrich Matthaei nel 1961. I due scienziati, a partire da dei ceppi di E. Coli, estrassero ATP, ribosomi, enzimi e amminoacidi. Diviso questo materiale in 20 provette aggiunsero in ciascuna un diverso amminoacido marcato radioattivamente. Infine sintetizzarono, con il metodo inventato dal chimico Severo Ochoa, filamenti di RNA costituiti solo da uracile e la aggiunsero in ogni provetta. Delle 19 provette solo una produsse proteine radioattive, quella contenente fenilalanina. Questo fu il primo pezzo di codice genetico mai tradotto. Esperimenti simili si ripeterono negli anni successivi fino a decifrare tutto il codice genetico. Si scoprì che 61 delle combinazioni possibili codificavano per amminoacidi e le altre 3 fornivano codoni di arresto, atti a spezzare le catene polipeptidiche che formano le proteine.

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3. TIPOLOGIE DI MUTAZIONE I momenti in cui il DNA è maggiormente soggetto a mutazioni sono durante i processi di sintesi e duplicazione degli acidi nucleici. Tuttavia, il DNA può subire mutazioni in qualsiasi momento, a causa di agenti esterni. Le mutazioni possono agire a tre livelli:

- puntiforme (singola coppia di basi) - cromosomiche (singolo cromosoma) - genomiche (interi genomi)

3.1 MUTAZIONI CROMOSOMICHE Le mutazioni cromosomiche agiscono a livello dei cromosomi alterando una parte sostanziale del codice genetico dell’individuo, portando le cellule ad agire differentemente dal normale nel momento del crossing-over della meiosi e della mitosi. Queste mutazioni operano facendo avvenire il taglio del cromosoma in maniera anomala o ricombinando i cromosomi in maniera errata. Le mutazioni che modificano la struttura stessa dei cromosomi si dividono in 4 tipologie diverse, in base al loro metodo di azione:

- Delezione - Duplicazione - Inversione - Traslocazione

La delezione e la duplicazione avvengono nel crossing-over di cromosomi omologhi. In questa mutazione il taglio del cromosoma avviene in maniera diseguale formando due nuovi cromosomi che hanno materiale genetici diseguali. A scopo illustrativo consideriamo un cromosoma composto da cinque geni identificati con le diverse lettere. Nel caso della delezione il cromosoma contiene dei geni in meno rispetto a quelli che dovrebbe normalmente contenere, quindi al momento della codifica non codificherà per alcune proteine. ABCDEF � ABC DEF � ABCF Nel caso della duplicazione il cromosoma contiene delle copie dei geni e quindi codificherà più volte per le stesse proteine.

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ABCDEF � ABCD CDEF � ABCDCDEF L’inversione avviene quando un cromosoma si taglia per effettuare il crossing-over ma non lo effettua e rilega la parte di cromosoma tagliata al contrario. ABCDEF � AB CD EF � ABDCEF La traslocazione avviene quando due cromosomi non omologhi interagiscono tra loro (effettuano crossing-over, aggiunta o delezione di geni). In questo modo i cromosomi codificheranno proteine destinate ad una certa operazione per altri motivi, portando al malfunzionamento delle cellule. ABCDEF ABCD EF ABCDUV � � PQRSTUV PQRST UV PQRSTEF Spesso le cellule mutate non riescono a sintetizzare le proteine necessarie a svolgere i processi metabolici perché mancano dei geni necessari in determinate situazioni, o perché creano una sovrabbondanza di proteine dello stesso tipo, sprecando amminoacidi ed energia, quindi non riescono a sopravvivere. 3.2 MUTAZIONI GENOMICHE Le mutazioni che agiscono sul numero di cromosomi causano la nascita di cellule che contengono materiale genetico in eccesso o in difetto (aneuploidia). Questo avviene per via di errori al momento della separazione dei cromosomi omologhi, che rimangono entrambi nella stessa cellula. Al momento della meiosi quest’ultima formerà gameti trasportanti il doppio di quella parte di materiale genetico. Al momento della fecondazione questi gameti formeranno uno zigote triploide (3n), in altre parole trasportatore del triplo del contenuto genetico di un gamete, per quel cromosoma. Nel frattempo, nella cellula cui sono stati sottratti i cromosomi, si formeranno dei gameti senza quella parte di materiale genetico, che, al momento della fecondazione, formeranno zigoti monoploidi (n) per quel cromosoma. Questo fenomeno causa patologie che portano o alla morte o alla menomazione dell’individuo, una tra le più famose conseguenze date da una trisomia è la Sindrome di Down, sviluppatasi dalla trisomia del cromosoma 21 che genera un ritardo nelle capacità cognitive del soggetto e particolari caratteristiche fisiche, tra cui i tipici tratti del viso. Una tra le più famose patologie causate da monosomia è la Sindrome di Turner che coinvolge il cromosoma sessuale X. Questa patologia porta al non-sviluppo dei caratteri sessuali secondari (seno, deposito di adipe sui fianchi, sviluppo della muscolatura…), tuttavia solo le donne hanno la capacità di sopravvivere a questa condizione, anche possono risultare sterili. Questo avviene perché essendo la sindrome trasportata da un cromosoma X renderà i soggetti maschi malati, perché possiedono solo il cromosoma X infetto. I soggetti femminili diventano portatrici della malattia perché possiedono un cromosoma X infetto e uno sano. L’aneuploidia può svilupparsi in modo tale che l’intero patrimonio genetico di una cellula sia trasferito nell’altro: in questo caso si parla di poliploidia.

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La poliploidia è una condizione facilmente sopportata dalle piante, ma totalmente incongruente con le specie animali. Questa condizione causa la creazione di nuove specie di piante: le piante così generate hanno corredi cromosomici più estesi e codificano per più proteine, alterando le risposte metaboliche della pianta alle richieste biologica. Le piante vanno incontro a poliploidia in caso di errore al momento della separazione dei cromosomi o se avviene una doppia fecondazione del gamete femminile (casi di autopoliploidia), se avviene tra specie diverse, con la formazione di una nuova specie fertile, si chiama allopoliploidia. Il classico esempio di allopoliploidia è quello effettuato dal genetista russo G. Karpechenko nel 1928. Lo studioso dimostrò come con l’incrocio tra due piante di specie diverse (il cavolo Brassica e il ravanello Raphanus) fosse possibile ottenere un figlio fertile, denominato Raphanobrassica. Quest’ultimo, essendo fertile e comportandosi come un normale diploide (2n) sotto tutti gli aspetti, può essere considerato una nuova specie. Esiste un problema: piante che hanno corredi cromosomici multipli diversi (4n, 3n, 8n…) non generano una progenie fertile. Questo meccanismo è molto sfruttato in agricoltura nei paesi in via di sviluppo. Le aziende produttrici di sementi creano una pianta molto efficiente che non produce sementi fertili, la vendono ai coltivatori che ricavano un raccolto abbondante, tuttavia non possono tenere sementi per la semina dell’anno successivo, finendo per dipendere ancora dalle aziende che producono le piante polipoidi. 3.3 MUTAZIONI PUNTIFORMI Le mutazioni puntiformi sono quelle che agiscono a livello del singolo nucleotide. Nonostante il cambiamento del codice genetico sia minuscolo questo tipo di mutazione può portare a patologie molto gravi. Un esempio di malattia causata da una mutazione puntiforme è l’anemia falciforme: la malattia è generata dalla sostituzione dell’adenina con un uracile nel gene che sintetizza per la B emoglobina. Questa molecola cambia un glutammato (GAG) in valina (GUG) causando la diminuzione della solubilità della proteina e conferendo ai globuli rossi, in seguito al deposito e a un aumento di acidità, la tipica forma a falce, incapace di trasportare ossigeno. Meccanismi generali Le mutazioni puntiformi agiscono secondo tre meccanismi generali: aggiunta di un nucleotide, delezione di un nucleotide e sostituzione di un nucleotide. Le prime due modalità causano un frame-shifting, cioè lo spostamento dell’intero codice genetico seguente alla mutazione. Il codice mutato sintetizzerà proteine totalmente differenti da quelle inizialmente codificate. La sostituzione comporta solo la variazione della singola tripletta codificante. A scopo illustrativo consideriamo una serie di codoni formata da parole (in questo caso il titolo di un’opera di Hemingway) di senso compiuto. Mutazione per sostituzione THE OLD MAN AND THE SEA � THE OLG MAN AND THE SEA Mutazione per aggiunta THE OLD MAN AND THE SEA � THE OLG DMA NAN DTH ESE A Mutazione per delezione THE OLD MAN AND THE SEA � THE OLM ANA NDT HES EA

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Classificazione delle mutazioni puntiformi Le sostituzioni puntiformi si possono classificare in base alle conseguenze che determinano:

- Mutazione stesso senso (o silenti): quando la degenerazione del codice genetico non altera l’amminoacido corrispondente. Questa mutazione non comporta alcun danno alla sintesi di proteine, perché esistono diverse triplette di basi che codificano per lo stesso amminoacido.

- Mutazione neutra: quando la sostituzione porta alla codifica di un amminoacido che ha proprietà chimiche simili. Questa mutazione genera proteine leggermente diverse dalle originali ma che mantengono comunque la loro funzione.

- Mutazione mis-senso: quando la mutazione porta il codice genetico a codificare per un diverso amminoacido rispetto all’originale. Questa mutazione può portare al mal funzionamento delle proteine sintetizzate, ma anche alla loro completa inefficienza.

- Mutazioni non-senso: quando la sostituzione della base azotata genera un codone codificante la fine della catena polipeptidica. Questa mutazione porta alla formazione di proteine tronche che perdono la loro funzionalità.

Processi di mutazione puntiforme Le mutazioni puntiformi si verificano attraverso diversi processi SPECIFICI:

- Tautomeria - Deaminazione - Depurinazione - Metilazione - Presenza di agenti intercalanti - Formazioni dimeri di pirimidina

La tautomeria è un processo in cui una singola molecola si presenta in due forme diverse a causa dello spostamento di un atomo di idrogeno. Tale atomo varia, oltre che la sua posizione all’interno della molecola, anche il modo in cui i doppi legami sono distribuiti nella molecola. Nel DNA l’adenina, normalmente associata alla timina, può andare incontro a tautomeria divenendo affine non più alla timina ma alla citosina.

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Allo stesso modo la guanina, normalmente associata alla citosina, effettua la tautomeria associandosi, così, alla timina. Questo cambio di basi può causare una modifica al codice genetico al momento della duplicazione: la base alterata da tautomeria verrà riconosciuta ancora come la base originale, mentre il suo corrispettivo sull’altro filamento sarà riconosciuto come una base diversa da quella originale, creando dunque due filamenti di DNA che differiscono per una base.

Un caso particolare di tautomeria è dato dal 5-bromo-uracile (5BU) un analogo di base azotata chimicamente simile alla timina, quando il 5BU è nello stato normale è riconosciuto come timina, mentre nello stato alterato viene riconosciuto come citosina. Il 5BU altera il DNA passando da uno stato all’altro durante i cicli di riproduzione variando i filamenti appaiati ad esso, facendo diventare una coppia CG una coppia TA o viceversa. Alla fine del processo il 5BU viene sostituito dalla base normalmente associata a quella legata al 5BU.

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La deaminazione è un processo in cui una molecola di ammoniaca è sostituita da una molecola d’acqua o viceversa. La deaminazione avviene in due casi: uno in cui la citosina viene alterata, tramite l’inserzione d’acqua e la delezione di ammoniaca, diventando uracile. Questa mutazione è facilmente identificabile in quanto l’uracile non è una base azotata del DNA. L’altro caso è la deaminazione del 5-metil-citosina in timina. Il 5-metil-citosina è una molecola derivante da una citosina la cui presenza identifica i punti caldi del menoma, cioè i punti dove le mutazioni sono più frequenti. Questo è dovuto al fatto che questo tipo di mutazione non è identificabile dalle correzioni del DNA. La depurinazione è una mutazione in cui il legame glicosilido tra lo zucchero e la base azotata viene rotto dall’inserimento di una molecola d’acqua. Questa mancanza di base, se non viene identificata dagli enzimi di controllo del DNA può essere riempita da una base qualsiasi.

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La metilazione è un processo in cui nucleotidi di timina e guanina vengono alterati da un’agente metilante, il metilmetansulfonato (MMS). Questo agente porta le basi azotate ad aggiungere un gruppo metossi che fa comportare le basi in maniera diversa: la timina metilata (O4-metiltimina) si comporta come una citosina, mentre una guanina metilata (O6-metilguanina) si comporta come un’adenina. La presenza di agenti intercalanti, come la proflavina e l’arancio di acridina, durante i processi di duplicazione può causare una delezione o un’aggiunta di una coppia di basi. Gli agenti intercalanti, chimicamente simili alle purine, si possono inserire nel DNA tra gli zuccheri e i fosfati. Nel caso in cui l’agente intercalante si ponga sul DNA stampo crea uno spazio di circa 70 nm sull’altro filamento. Questo spazio viene riempito da un nucleotide a caso che viene integrato nel filamento non contenente l’agente intercalante. Al momento della successiva replicazione del DNA il nuovo filamento mantiene la base aggiunta e quindi genera un filamento con una base azotata in più, mentre il vecchio filamento elimina l’agente intercalante considerato estraneo. Quando gli agenti intercalanti si attaccano al filamento di DNA in formazione possono occupare anche la posizione di una base azotata. In questo caso quando l’agente intercalante viene eliminato verrà eliminata anche la base azotata corrispondente all’agente, causando la perdita di una coppia di basi.

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La formazione di dimeri di pirimidina avviene solo quando il DNA viene in contatto con la luce ultravioletta. Questa mutazione consiste nella creazione di legami tra due pirimidine vicine tra loro creando così ripiegamenti nel DNA. Questa variazione, facilmente identificabile, può essere immediatamente riparata o viene escissa. L’escissione consiste nel tagliare dal filamento di DNA la parte danneggiata che viene ricostruita dagli enzimi del DNA.

CAUSE DELLE MUTAZIONI In natura esistono molteplici cause, oltre i raggi UV, per giustificare la manifestazione delle mutazioni: gli agenti chimici, gli agenti fisici e quelli genetici. Gli agenti chimici si dividono in agenti alchilanti (agenti che aggiungono alle basi azotate dei gruppi alchilici, causando sostituzioni), analoghi di base azotate (si sostituiscono alle basi alterando gli appaiamenti tra le basi dei due filamenti, causando sostituzioni) e i coloranti acridinici (agenti intercalanti che causano mutazioni di frameshift). Agenti alchilanti Conseguenze

- Iprite Etilazione - EMS Etilazione e Transizione - EES Etilazione e creazione di aberrazioni nel DNA - NTG Deaminazione

Analoghi di base

- 5BU Analogo della Timina, transizione - 2-AP Analogo dell’Adenina, transizione - 5-BrDU Transizione

Coloranti acridinici

- Proflavina Inserzione, delezione - Arancio di acridina Inserzione, delezione

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LE ONDE ELETTROMAGNETICHE L’agente fisico che influenza maggiormente le mutazioni del codice genetico sono le onde elettromagnetiche, in particolare le onde ad alto contenuto energetico come i raggi UV e le radiazioni nucleari. Queste radiazioni penetrano nei tessuti in notevole profondità. Nel loro percorso collidono con gli atomi che incontrano e determinano il rilascio di elettroni e la formazione di cationi. Questi collidono con altre molecole e quindi si liberano ulteriori elettroni e così via. Si forma quindi un cono di ioni lungo il percorso di ogni raggio ad alta energia attraverso i tessuti viventi. Le onde elettromagnetiche sono campi magnetici ed elettrici combinati tra loro, che variano sinusoidalmente nello spazio e nel tempo alla velocità della luce, queste hanno anche la proprietà di attraversare la materia in base alla loro frequenza: più è alta la frequenza, più è alta la loro energia, più le onde penetrano nella materia. Le onde elettromagnetiche furono ipotizzate per la prima volta nel 1864, come equazioni matematiche dal fisico scozzese J. C. Maxwell che ipotizzò la luce come il risultato di onde elettromagnetiche. c = 1/ (0*µ0) ^ (1/2) Il primo esperimento di produzione e osservazione sulle onde elettromagnetiche fu condotto dal fisico tedesco Heinrich Hertz nel 1887, che generò corrente alternata influenzante un circuito simile ad alcuni metri, dimostrando anche che il passaggio di energia da un circuito all’altro presentava fenomeni tipici delle onde (riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione e polarizzazione). La scoperta più importante di Hertz fu che le onde che si generavano viaggiavano a una velocità paragonabile a quelle della luce. L’esperimento di Hertz fu sfruttato pochi anni dopo da Marconi, che brevettò, nel 1896, la prima macchina per la trasmissione radio attirando l’attenzione mondiale nel 1901, quando Marconi instaurò con successo la prima trasmissione radio attraverso l’Atlantico. Siccome le onde elettromagnetiche si muovono tutte alla velocità della luce il prodotto tra la frequenza e la lunghezza d’onda è costante. c = fλ

Questo vuol dire che più la frequenza aumenta, più la lunghezza d’onda diminuisce e viceversa. In base alla loro frequenza, o la loro lunghezza d’onda, le onde sono classificate in diverse categorie:

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- Onde radio (f = 106 Hz - 109 Hz)

Queste onde sono le onde con la più bassa frequenza e sono usate per la trasmissione via radio e televisione. Queste onde sono prodotte da correnti alternate generate nelle antenne, tuttavia le onde radio vengono anche prodotte da una qualsiasi accelerazione o decelerazione di molecole o elettroni nello spazio.

- Microonde (f = 109Hz – 1012 Hz) Le microonde hanno una vasta gamma di utilizzi: dalle telefonate alla cottura dei cibi. Queste onde sono le onde a più alta frequenza producibili con un circuito elettrico.

- Infrarossi (f = 1012 Hz – 4,3 *1014 Hz) I raggi infrarossi sono percepibili all’uomo come calore, altre specie di animali riescono, tuttavia, a vederli, sfruttandoli come sistema di ricerca quando la vista non è sufficiente. I raggi infrarossi causano e sono causati dalla rotazione e la vibrazione delle molecole.

- Luce visibile (f = 4,3*1014 Hz – 7,5*1014 Hz) La luce che noi vediamo ogni giorno sono onde elettromagnetiche causate dallo spostamento degli elettroni da un orbitale all’altro.

- Luce ultravioletta (f = 7.5*1014 Hz – 1017 Hz) Le onde ultraviolette o raggi UV sono onde non visibili con frequenza appena superiore al colore viola. Pur non essendo visibili le onde ultraviolette sono identificabili per le conseguenze che causano come l’abbronzatura, data da un aumento del contenuto di melanina nelle cellule dell’adipe. I raggi UV arrivano insieme alla luce dal sole, tuttavia la maggior parte di queste onde è bloccata dall’ozonosfera. Questa fascia dell’atmosfera riduce il numero di radiazioni UV che raggiungono la superficie terrestre. Un’elevata quantità di raggi UV può causare un aumento della probabilità di contrarre un tumore: quest’evento è dato dal fatto che le radiazioni UV penetrano nella cellula e causano mutazioni a livello genico, che generalmente portano la cellula a non svolgere più la loro funzione correttamente.

- Raggi X (f = 1017 Hz – 1020 Hz) I raggi X sono usati in medicina per effettuare risonanze magnetiche. Questa terapia si basa sul fatto che i raggi X penetrano facilmente i tessuti molli degli esseri viventi ma vengono assorbiti meglio da parti più dure come le ossa, i denti o altri materiali più densi. L’esposizione ai raggi X è pericolosa in quanto questi possono danneggiare i tessuti del nostro corpo, quindi è consigliabile ridurre l’esposizione del corpo a tali raggi.

- Raggi γ (f >1020 Hz) I raggi gamma sono i raggi con più energia e sono prodotti quando neutroni e protoni si muovono nel nucleo, come accade durante la fissione e fusione nucleare, o quando una particella si scontra con la sua antiparticella e le due si annichilano. L’alta energia dei raggi gamma è fatale per le cellule viventi, per questo il contatto con raggi γ è altamente pericoloso. Quest’effetto negativo è però stato sfruttato dai medici per la distruzione delle cellule tumorali.

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Considerando la quantità di mutazioni generate dagli agenti mutanti non si arriva al reale numero di mutazioni in cui incorrono normalmente gli esseri viventi, infatti, una mutazione puntiforme si verifica ogni 105 basi azotate, tuttavia i controlli applicati dagli enzimi delle cellule eucariote diminuiscono questa frequenza a una ogni 107 basi. Considerando che il genoma umano è composto da circa 3,2*109 basi azotate, si verificano teoricamente 320 mutazioni a ogni ciclo riproduttivo. Questo numero, pur essendo soggettivo per la razza umana, è individuale, perché esistono diverse situazioni, date dalla diversa condizione di ciascuna persona, dall’ambiente in cui vive, dalla sua alimentazione, dalle sue abitudini, che influenzano il tasso di mutazioni.

FOCUS: LA SCOPERTA DI NUOVE BASI AZOTATE Recentemente è stato ufficializzato il risultato dell’esperimento di un gruppo di scienziati dello Scripps institute di La Jolla (California) che ha portato alla scoperta di due basi artificiali X e Y che vengono integrati nel ciclo di riproduzione di alcuni batteri. Qui è riportato l’articolo di giornale rilasciato dagli scienziati sulla rivista Nature. Organisms are defined by the information encoded in their genomes, and since the origin of life this information has been encoded using a two-base-pair genetic alphabet (A–T and G–C). In vitro, the alphabet has been expanded to include several unnatural base pairs (UBPs). We have developed a class of UBPs formed between nucleotides bearing hydrophobic nucleobases, exemplified by the pair formed between d5SICS and dNaM (d5SICS–dNaM), which is efficiently PCR-amplified and transcribed in vitro, and whose unique mechanism of replication has been characterized. However, expansion of an organism’s genetic alphabet presents new and unprecedented challenges: the unnatural nucleoside triphosphates must be available inside the cell; endogenous polymerases must be able to use the unnatural triphosphates to faithfully replicate DNA containing the UBP within the complex cellular milieu; and finally, the UBP must be stable in the presence of pathways that maintain the integrity of DNA. Here we show that an exogenously expressed algal nucleotide triphosphate transporter efficiently imports the triphosphates of both d5SICS and dNaM (d5SICSTP and dNaMTP) into Escherichia coli, and that the endogenous replication machinery uses them to accurately replicate a plasmid containing d5SICS–dNaM. Neither the presence of the unnatural

Gli organismi sono definiti tramite l’informazione codificata nei loro genomi e fin dall’origine della vita quest’informazione è stata codificata usando un alfabeto genetico basato su due coppie di basi (A-T e G-C). In vitro l’alfabeto è stato espanso attraverso numerose basi artificiali (UBP). Noi abbiamo sviluppato una tipologia di UBP formate con nucleotidi che hanno una base azotata idrofoba, per esempio il paio formato dall’associazione di d5SICS e dNaM, che è essenzialmente PCR amplificato e trascritto in vitro, il cui singolare meccanismo di replicazione è stato contraddistinto. Tuttavia l’espansione dell’alfabeto del codice genetico presenta nuove sfide senza precedenti: i trifosfati del nucleoside artificiale devono essere disponibili all’interno della cellula; polimerasi endogene devono riuscire a usare i trifosfati artificiali per replicare fedelmente il DNA contenente UBP dentro il complesso ambiente cellulare; infine l’UBP deve essere stabile alla presenza di enzimi per il mantenimento dell’integrità del DNA. Qui mostriamo che un’alga esogena trasportatrice del nucleotide trifosfato riesce a trasportare efficientemente i trifosfati sia del d5SICS sia del dNaM (d5SICSTP e dNaMTP) dentro un Escherichia coli e che l’apparato endogeno di replicazione li usa per replicare accuratamente i plasmidi contenenti d5SICS-dNaM.

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triphosphates nor the replication of the UBP introduces a notable growth burden. Lastly, we find that the UBP is not efficiently excised by DNA repair pathways. Thus, the resulting bacterium is the first organism to propagate stably an expanded genetic alphabet. Nature 509, 385–388 (15 May 2014) Denis A. Malyshev, Kirandeep Dhami, Thomas Lavergne, Tingjian Chen, Nan Dai, Jeremy M. Foster, Ivan R. Corrêa & Floyd E. Romesberg

Né la presenza di trifosfati innaturali né la replicazione dell’UBP producono un aumento dei problemi significativo. Per ultimo abbiamo scoperto che l’UBP non è efficientemente escisso dai metodi di riparazione del DNA. Perciò il batterio risultante è il primo organismo a riprodurre stabilmente un alfabeto genetico espanso.

Questa scoperta amplierà le possibilità di produzione proteica tramite batteri. Tuttavia questa scoperta comporta anche altre possibilità. Con la scoperta delle due nuove basi azotate è possibile sviluppare cellule con caratteristiche totalmente nuove. Molti ipotizzano già la possibilità di creare delle super-cellule per la creazione di esseri superiori. Questa possibilità è ancora molto remota perché conosciamo ancora poco di come funzionino realmente molti processi delle cellule. Nonostante le nuove possibili applicazioni di questa scoperta sorgono molti dubbi: le cellule contenenti le nuove basi sopravvivono in vitro ma non si sa se riescano a sopravvivere al di fuori; le cellule in cui sono state inserite le nuove basi sono cellule procarioti, molto più semplici, e soprattutto molto meno controllate, di quelle eucarioti di cui sono composti gli esseri viventi più complessi, per cui non si sa se le basi verranno accettate anche da quest’ultimo tipo di cellula. Le due nuove basi azotate mettono in gioco anche le possibilità di integrare nelle proteine nuove sostanze: il codice genetico normalmente può codificare, tramite una tripletta di basi, al massimo 64 combinazioni. Con l’aggiunta delle basi le possibilità diventano 216, con ben 152 nuove possibili combinazioni. Queste nuove possibilità codificheranno per i 20 amminoacidi, ma non è da escludere la possibilità che codifichino anche per sostanze diverse.

CONCLUSIONE Questo progetto ha illustrato il funzionamento delle mutazioni a livello chimico, osservando anche le cause della loro formazione, riscontrabili in errori nei processi intercellulari o nell’azione di agenti esogeni come le radiazioni o gli agenti chimici mutanti. Grazie a questo abbiamo compreso come si possa modificare, all’interno di un solo individuo, il codice genetico e come le diverse razze della terra si siano distinte tra loro lungo il corso della storia del nostro pianeta.

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RIFERIMENTI Sitografia: http://www.wikipedia.it http://www.bgbunict.it http://www.medicina.unifg.it http://www.nature.com http://www.magazine.linxedizioni.it http://ebook.scuola.zanichelli.it http://www.di.unisa.it http://scienzenatura.blog.tiscali.it/tag/dna/ Bibliografia: “Invito Alla Biologia” di “Elena Curtis, N. Sue Barnes” (ed. Zanichelli) volume A e C “Corso Di Fisica” di “WALKER” (ed. LINX) Programmi utilizzati: Microsoft Word ed. 2003 PDF-creator ACD/ChemSketch (Freeware) Microsoft Power Point