DNA: come materiale ereditario e proprietà del materiale genetico (DNA versus RNA) | Biologia

DNA: come materiale ereditario e proprietà del materiale genetico (DNA versus RNA)!

I principi di ereditarietà dati da Mendel e la scoperta della nucleina (acidi nucleici) di Meischer (1871) coincidono quasi ma per sostenere che il DNA agisce come materiale genetico ha richiesto molto tempo. Le scoperte precedenti fatte da Mendel, Walter Sutton, TH Morgan e altri avevano ristretto la ricerca di materiale genetico ai cromosomi.

I cromosomi sono costituiti da acidi nucleici e proteine ​​e sono noti come veicoli ereditari. Nel primo caso sembrò che le proteine ​​fossero materiale ereditario, fino a quando furono eseguiti esperimenti per dimostrare che gli acidi nucleici agiscono come materiale genetico.

Il DNA (acido nucleico desossiriboso) è stato trovato per essere un materiale genetico in tutti gli esseri viventi ad eccezione di pochi virus vegetali in cui l'RNA è il materiale genetico perché il DNA non si trova in tali virus.

A. Evidenze per il DNA come materiale ereditario:

Il concetto che il DNA è il materiale genetico è stato supportato dalle seguenti prove:

1. Trasformazione batterica o principio di trasformazione (Effetto Griffith):

Nel 1928, Frederick Griffith, un ufficiale medico britannico, incontrò un fenomeno, ora chiamato trasformazione batterica. Le sue osservazioni riguardavano il batterio Streptococcus pneumoniae (Figura 6.12) che è associato a un certo tipo di polmonite. Nel corso di questo esperimento, un organismo vivente (batteri) era cambiato in forma vivente.

Questo batterio si trova in due forme:

(a) Liscio (S):

Le cellule di chi producono una capsula di polisaccaridi (mucosa), facendo sì che le colonie sull'agar siano lisce e piuttosto brillanti? Questo ceppo è virulento (patogeno) e causa la polmonite.

(b) Rough (R):

In questo caso, le cellule mancano di capsula e producono colonie opache ruvide (R).

La presenza o l'assenza di capsula è nota per essere determinata geneticamente.

Entrambi i ceppi S e R si trovano in diversi tipi e sono noti come SI, S-II, S-III ecc. E rispettivamente RI, R-II e R-III ecc.

Le mutazioni da lisce a ruvide si verificano spontaneamente con una frequenza di circa una cella in 10 ⁷, tuttavia, il contrario è molto meno frequente.

Griffith ha eseguito il suo esperimento iniettando i suddetti batteri nei topi e ha trovato i seguenti risultati:

(un) I batteri S-III (virulenti) sono stati iniettati nei topi; i topi hanno sviluppato polmonite e alla fine sono morti.

(B) I batteri R-II (non virulenti) sono stati iniettati nei topi; i topi non hanno sofferto di malattie perché il ceppo R-II non era patogeno.

(C) Quando Griffith iniettò il calore uccise i batteri S-III nei topi, non soffrirono di polmonite e sopravvissero così.

(D) Una miscela di R-II (non virulente) e batteri S-III uccisi dal calore sono stati iniettati nei topi; i topi hanno sviluppato polmonite e sono morti. Postmortando i topi morti, si è notato che il loro sangue del cuore aveva sia ceppi di batteri R-II che S-III.

Così un certo fattore genetico da cellule morte S-III convertì le cellule R-II vive in cellule S-III vive e quest'ultima produsse la malattia. In breve, le cellule viventi R-II sono state in qualche modo trasformate. Quindi l'effetto di Griffith divenne gradualmente noto come trasformazione e si rivelò essere il primo passo nell'identificazione del materiale genetico.

Caratterizzazione biochimica del principio di trasformazione:

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Identificazione di trasformazione di sostanza genetica:

Nel 1944, sedici anni dopo l'esperimento di Griffith, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty (1933-1944) riportarono con successo la ripetizione della trasformazione batterica, ma in vitro. Sono stati in grado di identificare il materiale genetico in trasformazione. Hanno testato le frazioni di cellule uccise dal calore per trasformare l'abilità. Le loro scoperte erano come sotto.

Le loro scoperte erano:

(i) Il solo DNA dei batteri S ha causato la trasformazione dei batteri R.

(ii) Hanno scoperto che le proteasi (enzimi di digestione delle proteine) e RNAse (enzimi di digestione dell'RNA) non hanno influenzato la trasformazione.

(iii) La digestione con DNAase ha inibito la trasformazione.

Così hanno concluso che il DNA è il materiale ereditario.

Pertanto, è ora al di là di ogni ragionevole dubbio che il DNA è il materiale ereditario.

2. Infezione da batteriofagi:

L'agente infettante virale è il DNA. Utilizzando traccianti radioattivi, Alferd Hershey e Maratha Chase (1952) hanno dimostrato che il DNA è il materiale ereditario in alcuni batteriofagi (virus batterici).

Struttura del batteriofago T ₂ :

Questo virus batterico contiene un guscio proteico non genetico esterno e un nucleo interno di materiale genetico (DNA). I fagi di T ₂ sono di forma di girino differenziati nella regione della testa e della coda. La testa è una struttura allungata, bipiramidale, a sei lati composta da diverse proteine.

All'interno della testa (figura 6.13) è una molecola di DNA chiusa e non terminante. Le dimensioni della testa sono tali da essere in grado di racchiudere strettamente la molecola di DNA al suo interno. La coda è un cilindro cavo. La coda porta 24 striature elicoidali.

Sei fibre di coda compaiono da una piastra esagonale all'estremità distale della piastra. La coda è formata solo da proteine. Il guscio esterno proteico contiene zolfo (S) ma non fosforo (P), mentre il DNA contiene fosforo ma non zolfo.

Hershey e Chase (1952) hanno condotto il loro esperimento sul fago T ₂ che attacca il batterio Escherichia coli.

Le particelle di fago sono state preparate utilizzando isotopi radio di ³⁵ S e ³² P nei seguenti passaggi:

(i) Pochi batteriofagi erano cresciuti in batteri contenenti ³⁵ S.Questo radioattivo era ³⁵ S incorporato nella cisteina e metionina aminoacidi delle proteine ​​e quindi questi amminoacidi con ³⁵ S formavano le proteine ​​del fago.

(ii) Alcuni altri batteriofagi sono stati coltivati ​​in batteri con ³² P. Questo radioattivo ³² P era limitato al DNA di particelle di fago.

Questi due preparati fagici radioattivi (uno con proteine ​​radioattive e un altro con DNA radioattivo) sono stati autorizzati a infettare la coltura di E. coli. Le proteine ​​sono state separate dalle pareti cellulari batteriche mediante agitazione e centrifugazione.

Le cellule batteriche infette più pesanti durante la centrifugazione sono state compresse verso il basso (Fig. 6.14). Il surnatante aveva le particelle più leggere dei fagi e altri componenti che non riuscivano a infettare i batteri.

È stato osservato che i batteriofagi con DNA radioattivo hanno dato origine a pellet radioattivi con ³² P di DNA. Tuttavia nelle particelle fagiche con proteina radioattiva (con ³⁵ S) i granuli batterici hanno radioattività quasi nulla indicando che le proteine ​​non sono riuscite a migrare nella cellula batterica.

Quindi, si può concludere con sicurezza che durante l'infezione da batteriofago T ₂, è stato il DNA che è entrato nei batteri. È stato seguito da un periodo di eclissi durante il quale il DNA fagico si replica numerose volte all'interno della cellula batterica (Fig. 6.15).

Verso la fine del periodo dell'eclisse, il DNA dei phage dirige la produzione di assemblaggi di mani proteiche di particelle di fago appena formate. Il lisozima (un enzima) provoca la lisi della cellula ospite e rilascia i batteriofagi appena formati.

L'esperimento sopra riportato suggerisce chiaramente che si tratta di DNA fagico e non di proteine ​​che contiene le informazioni genetiche per la produzione di nuovi batteriofagi. Tuttavia, in alcuni virus delle piante (come la TMV), l'RNA agisce come materiale ereditario (essendo il DNA assente).

B. Proprietà del materiale genetico (DNA versus RNA):

Il DNA è il materiale genetico L'RNA è stato trovato per essere materiale genetico in TMV (virus del mosaico del tabacco), ф β batteriofago ecc. Il DNA è il materiale ereditario principale nella maggior parte degli organismi. RNA svolge principalmente le funzioni di messenger e adattatore. Ciò è dovuto principalmente alle differenze tra la struttura chimica del DNA e l'RNA.

Proprietà richieste di materiale genetico:

1. Replica:

Questo si riferisce alla duplicazione del suo materiale genetico mediante una fedele replica che è mostrata sia dal DNA che dall'RNA. Le proteine ​​e altre molecole presenti nell'essere vivente non mostrano questa proprietà.

2. Stabilità:

La stabilità del materiale genetico dovrebbe esistere. Non dovrebbe cambiare la sua struttura facilmente con le diverse fasi della vita, l'età della fisiologia degli esseri viventi. Anche nell'esperimento di Griffith del "principio trasformante", il DNA è sopravvissuto in batteri uccisi dal calore. Entrambi i fili del DNA che sono complementari possono essere separati.

L'RNA è responsabile e facilmente degradabile a causa della presenza del gruppo 2'-OH presente in ciascun nucleotide. Poiché l'RNA è catalitico, è diventato reattivo. Poiché il DNA è più stabile dell'RNA, si dice che sia un materiale genetico migliore. La presenza di timina invece di uracile è un'altra ragione che porta alla stabilità del DNA.

3. Mutazione:

Il materiale genetico dovrebbe essere in grado di subire una mutazione e tale cambiamento dovrebbe essere stabilmente ereditato. Entrambi gli acidi nucleici DNA e RNA hanno la capacità di mutare. L'RNA muta a una velocità maggiore rispetto al DNA. Il virus con genoma dell'RNA mostra la mutazione e l'evoluzione ad un ritmo più veloce e quindi ha una durata di vita più breve.

Tabella 6.6. Tipi di acidi nucleici:

4. Espressione genetica:

L'RNA esprime facilmente i caratteri sotto forma di proteine. Il DNA richiede RNA per la formazione di proteine. Essendo il DNA più stabile è considerato migliore dell'RNA per la memorizzazione di informazioni genetiche. Tuttavia, per la trasmissione di caratteri genetici, l'RNA dà risultati migliori.