Elementi di genetica A cura della prof.ssa Maria Colecchia

La genetica è una branca delle scienze che studia la trasmissione dei caratteri ereditari. Il fondatore della genetica fu Gregor Johann Mendel.

Mendel nacque nel 1822 da una famiglia di agricoltori: il padre Anton, la mamma Rosina,

due sorelle prima di lui, Veronica e poi Teresa.

Seguì il padre nel lavoro dei campi. Anton era un uomo attivo e industrioso, dedito in quel periodo alla coltivazione di nuove varietà di alberi da frutta e all’apicoltura. Anton morì nel 1857, seguito cinque anni dopo da Rosina. Primo maestro di scuola di Mendel fu Tommaso Makitta, che riteneva Johann uno dei suoi migliori alunni. Gregor Mendel ,appassionato di scienze naturali, entrò nel 1842 come monaco novizio nel convento agostiniano di Brno, dedicato a San Tommaso dove si spense, domenica 6 gennaio 1884 per morbo di Bright, amato e stimato dai suoi Confratelli che tuttavia non ne intuirono il genio, senza alcuna notorietà nel mondo scientifico contemporaneo. Il 9 gennaio venne sepolto nel cimitero principale di Brno.Il convento di San Tommaso è sovrastato da un castello-carcere ben noto ai patrioti dei vari paesi che reclamano l'indipendenza dall'impero austroungarico. Non è un convento come gli altri. Il suo abate Cyrill Napp lo ha trasformato in un centro ricerche per il miglioramento delle condizioni di vita dei contadini. Ha una serra, un laboratorio, una distilleria e una grande biblioteca.L'idea di scoprire come si trasmettono i caratteri ereditari nacque tra le mura del convento di Brno.Padre Klàcel, custode del giardino, dimostrò con i suoi semplici esperimenti che i caratteri acquisiti non sono ereditari. Mendel allevò 28.000 piante di piselli e scoprì che i caratteri si trasmettono obbedendo a leggi precise.

Identificò così le particelle che oggi chiamiamo "geni".

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Mendel comunicò la sua scoperta ai maggiori studiosi suoi contemporanei, ma nessuno trovò interessante suo lavoro. Solo nel 1900, sedici anni dopo la sua morte, tre scienziati lo riscoprirono contemporaneamente.

Nel libro di Luca Novelli,Gregorio Mendel incontrò e sognò alcune creature che ai suoi tempi potevano essere solo immaginarie. Sono gli Ogm, gli Organismi geneticamente modificati.

Oggi sono più diffusi di quanto si pensi. Più della metà della popolazione mondiale mangia spesso senza saperlo creature Ogm. Molti indispensabili medicinali vengono oggi prodotti da microbi Ogm, così pure molti prodotti di uso industriale. Mendel era un ecologo nelle parole e nei fatti. Gli ecologi sulla diffusione degli Ogm nell'ambiente hanno non pochi fondati timori.

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La casa di Mendel

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Gli studi e gli esperimenti di Mendel si concentrarono su quegli elementi dei piselli che apparivano molto ben definiti, come il colore, (giallo o verde) e l’aspetto ( liscio o rugoso).

Arrivò così a formulare le tre leggi fondamentali dell’ereditarietà.   

   PRIMA LEGGE O DELLA DOMINANZA DEI CARATTERI

Incrociando tra loro individui omozigoti per un carattere ma con alleli diversi (dominante in uno e recessivo nell’altro), si ottiene una prima generazione di individui tutti eterozigoti che presentano il carattere dominante:

AA = omozigote dominante ( giallo )

aa = omozigote recessivo ( verde )

Aa = eterozigote dominante ( giallo)

generazione parentale P AA x aa

gameti di P A A a a

Generazione filiale F1 Aa  Aa  aA  aA

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SECONDA LEGGE O DELLA SEPARAZIONE DEI CARATTERI

Dall’incrocio di due individui eterozigoti si ottiene una generazione per cui i caratteri si separano secondo percentuali ben precise: il 50% degli individui sarà eterozigote con carattere dominante( giallo); il 25% sarà omozigote

dominante ( giallo ) e l’altro 25% sarà omozigote recessivo (verde).

generazione parentale F1 Aa x Aa

gameti di P1 A a A a

Generazione filiale F1 AA Aa Aa aa

TERZA LEGGE O DELL’INDIPENDENZA DEI CARATTERI7

Dall’incrocio di due individui con più caratteri distinti si ottiene una generazione di individui in cui i caratteri si trasmettono in modo indipendente l’uno dall’altro.

 

Da Mendel alla genetica

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Le scoperte di Mendel trovarono un’ulteriore conferma alcuni anni dopo portando alla nascita di una

nuova scienza ,la genetica.

Verso la metà del 1900 gli scienziati scoprirono,usando il microscopio elettronico,che nel nucleo

delle cellule esistevano particolari bastoncelli colorati,i cromosomi .

Microscopio elettronico

I cromosomi sono presenti nelle cellule di ogni organismo in numero costante e tipico per ogni

specie ,nell’uomo ad esempio esistono 46 cromosomi.

Nelle cellule sessuali il numero dei cromosomi è dimezzato rispetto a quello delle cellule

somatiche(cellule del corpo): nello spermatozoo e nell’ovulo umano esistono infatti solo 23 cromosomi.

Proprio all’interno dei cromosomi si trovano i fattori responsabili delle informazioni ereditarie

trasmesse da una cellula madre a una cellula figlia..

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I cromosomi delle cellule somatiche sono a due a due simili tra loro,formano una coppia e vengono

chiamati cromosomi omologhi.

In ogni coppia di omologhi, un cromosoma è di origine paterna e uno di origine materna;

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essi contengono fattori corrispondenti ,la cui azione combinata determina i vari tipi di caratteri.

Ogni cellula sessuale contiene solo uno dei due cromosomi per ogni coppia e perciò solo un fattore

per ogni carattere.

Gli scienziati chiamarono geni la coppia di fattori già individuati da Mendel; i geni sono localizzati

sui cromosomi e ognuno di essi determina generalmente un tipo di carattere ,ad esempio “il colore

del seme” nel pisello.

Ognuno dei due fattori che costituiscono il gene è chiamato allele. Sono gli alleli ad esempio il

fattore G per il “colore giallo” o quello g per il “colore verde. Gli alleli sono localizzati rispettivamente

su due cromosomi omologhi in zone corrispondenti.

L’insieme di tutti i caratteri ereditari indicati dai geni viene detto genotipo .

Il genotipo dà le istruzioni per determinare le caratteristiche fisiche di ogni individuo,cioè il suo

fenotipo.

La genetica e l’uomo

Nella specie umana,come in ogni altra specie valgono le leggi della genetica.

Tra i caratteri umani determinati da una coppia di alleli c’è anche una malattia del sangue chiamata

TALASSEMIA (o ANEMIA MEDITERRANEA o MORBO di COOLEY) , il cui allele responsabile è

recessivo (m ), tale malattia si manifesta nella forma grave ,MORBO di COOLEY, solo negli

omozigoti recessivi. (mm )

La talassemia (o anemia mediterranea o microcitemia) è una malattia ereditaria caratterizzata da un

difetto nella sintesi dell'emoglobina, la proteina contenuta nei globuli rossi del sangue, che ha il

compito di trasportare l'ossigeno alle diverse cellule del corpo e di eliminare l'anidride carbonica.

La sintesi dell’emoglobina è regolata da due geni che si trovano in due cromosomi omologhi, uno di

origine paterna e uno di origine materna.

Si possono avere due casi principali:

1) L'individuo possiede un solo gene difettoso (forma eterozigote cioè Mm). In tal caso si parla di

portatore sano .La maggior parte d questi soggetti non presenta alcun sintomo di rilievo, tanto che

molte persone ignorano di essere affetti da tale disfunzione.

2) Se un individuo possiede entrambi i geni difettosi (forma omozigote cioè mm), ci troviamo di

fronte a quella che viene chiamato morbo di Cooley. Questa forma si manifesta nei bambini subito 11

dopo la nascita con un notevole pallore della pelle, sintomo che rivela la presenza di una gravissima

anemia: i globuli rossi sono in numero ridotto, con una scarsa quantità di emoglobina.

Come si può osservare nella tabella due genitori portatori sani (eterozigoti) hanno la probabilità del 25%

di avere figli malati del morbo di Cooley.

Gameti M m

M MM Mm

m Mm mm

L'albinismo è una malattia in cui la pelle non produce la melanina.

Gli albini sono individui con peli e pelle molto chiari perché il gene malato non permette la

sintesi della melanina (dal greco mela = nero),la proteina normalmente presente nelle cellule

della pelle che la rende scura. Senza quest'ultima, che normalmente filtra le radiazioni solari, la

pelle è soggetta a un più alto rischio di cancro e a un rapido invecchiamento.

Il gene dell'albinismo è recessivo, perciò questa anomalia si manifesta solo negli individui

omozigoti, mentre l'eterozigote è un portatore sano.

Osserviamo le possibili combinazioni tra i diversi genotipi:

1. AA (genitore sano) x aa (genitore albino) = 100% Aa portatori sano

♂ ♀

A A

a Aa Aa a Aa Aa

2. Aa (portatore sano) x Aa (portatore sano) = 25% AA sani; 25% aa albini; 50% Aa portatori sani

♂ ♀

A a

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A AA Aa a Aa aa

3. AA (genitore sano) x Aa (portatore sano) =50% AA sani; 50% Aa portatori sani

♂ ♀

A A

A AA AA a Aa Aa

Anche la determinazione del sesso segue le leggi della genetica .

Il corredo cromosomico umano è costituito da 46 cromosomi,di cui 44 determinano le caratteristiche

del corpo e sono detti cromosomi somatici.

Gli altri due ,sono i responsabili del sesso e sono perciò chiamati cromosomi sessuali.

Questi cromosomi hanno un aspetto che ricorda vagamente le lettere X e Y.

Nella donna sono presenti due X e nell’uomo sono presenti un cromosoma X e un cromosoma Y.

Perciò tutti i gameti femminili presentano un cromosoma X , mentre i gameti maschili possono avere

o il cromosoma X o quello Y.

Nel momento della fecondazione si possono verificare i casi illustrati in tabella:

GametiX Y

X XX XY

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X XX XY

Come si vede la probabilità che nasca un individuo di sesso maschile è del 50%; la stessa

probabilità si ha per un individuo di sesso femminile.

Due malattie legate al cromosoma X

Il daltonismo consiste in una cecità ai colori, ovvero nell'inabilità a percepire i colori (del tutto o in

parte). È un difetto di natura prevalentemente genetica. Tuttavia, può insorgere anche in seguito a

danni agli occhi, ai nervi o al cervello e persino in seguito all'esposizione ad alcuni composti chimici.

Fu il chimico inglese John Dalton a dare, nel 1794, una descrizione scientifica del daltonismo,

pubblicando l'articolo intitolato "Extraordinary facts relating to the vision of colours" ("Fatti

straordinari legati alla visione dei colori"), dopo essersi reso conto della propria cecità cromatica.

Test sulla visione dei colori: alcuni daltonici non riescono a distinguere il numero che le persone non

affette da daltonismo riescono invece a riconoscere nell'immagine. Il test visto sullo schermo di un

computer potrebbe dare risultati diversi dipendenti dal tipo di schermo.

Benché venga generalmente considerata una disabilità, in alcune situazioni il daltonismo può

rivelarsi vantaggioso; un cacciatore daltonico, ad esempio, può riuscire a distinguere meglio una

preda mimetizzata su uno sfondo caotico.

Cause del daltonismo

Esistono diversi tipi di daltonismo. I più diffusi sono dovuti ad alterazioni ereditarie dei fotorecettori, i

coni, ma è anche possibile diventare daltonici in seguito ad un danneggiamento della retina, del 14

nervo ottico o di determinate aree della corteccia cerebrale. Tale daltonismo è spesso diverso da

quello di origine genetica; ad esempio, può manifestarsi solo in una parte del campo visivo. Alcune

forme di daltonismo acquisito sono reversibili. Alcune forme temporanee di daltonismo affliggono

raramente chi soffre di emicrania.

Daltonismo genetico

Il daltonismo genetico è normalmente legato da mutazioni del cromosoma X.

Questo tipo di daltonismo colpisce circa il 5-8% degli uomini, ma meno dell'1% delle donne.

La maggior probabilità degli uomini di ereditare una mutazione legata al cromosoma X è dovuta al

fatto che i maschi hanno un solo cromosoma X, mentre le donne ne hanno due; se le donne

ereditano un cromosoma X normale oltre a quello mutato, non mostreranno la mutazione, mentre gli

uomini non hanno cromosomi X "di scorta" che contrastino il cromosoma X mutato.

Cure

Non sono ancora note cure per le varie forme di daltonismo.

Nella tabella è illustrato il caso di un padre affetto da daltonismo e di una madre “portatrice sana”

( X* è il cromosoma che presenta l’allele recessivo per la malattia) .

Gameti X* Y

X* X* X* X*Y

X X*X XY

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La probabilità di avere figli malati è del 50% ( X* X* = femmina malata; X*Y = maschio malato); la

probabilità di avere una figlia “portatrice sana” è del 25%,come la probabilità di avere un figlio sano

( XY ).

Emofilia

Vi sono vari tipi di emofilia, a seconda di quale fattore coinvolto nella coagulazione del sangue viene a mancare.

Emofilia A

Il tipo più comune e più grave di emofilia è l'emofilia A detta anche emofilia regale, in quanto è stata evidenziata nella famiglia reale della regina Vittoria di Inghilterra.

L'emofilia A è dovuta all'assenza o alla ridotta attività di un fattore della coagulazione, il quale può essere del tutto assente o avere un'attività non sufficiente (la condizione patologica subentra quando la percentuale di attività del fattore è inferiore circa al 25%).

Il gene per il fattore si trova all'estremità del braccio lungo del cromosoma X.

Emofilia B

L'emofilia B è causa dall'assenza o scarsa attività di un altro fattore della coagulazione.

Anche esso si trova sul cromosoma X

Trasmissione

La trasmissione dell'emofilia è spiegabile ammettendo che il gene si trovi sul cromosoma X, quello della determinazione del sesso.

In questo caso, infatti, per i maschi non esistono alleli dominanti o recessivi, essendo essi emizigoti, ossia possedendo un solo gene per quei caratteri. Inoltre l'unico X dei maschi è di origine materna. Una donna portatrice sana (eterozigote) dell'emofilia, quindi, avrà una probabilità 1/2 di generare un maschio ammalato mentre, se il padre è sano, le figlie femmine saranno al massimo portatrici come la madre.

Manifestazioni

Le manifestazioni sono emorragie violente anche per piccole ferite.

Sindrome di Down

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Gli individui affetti della sindrome di Down hanno 47 cromosomi invece di dei normali 46, perché possiedono una triplice copia del cromosoma 21 (trisomia del 21). Questa condizione è la conseguenza della mancata disgiunzione, durante la meiosi, dei cromosomi 21 in una cellula destinata a formare i gameti. L'anomalia può verificarsi sia nel maschio che nella femmina, anche se in quest'ultima è più frequente con l'aumento dell'età. Il gamete anomalo possiede due cromosomi 21( in tutto 24 cromosomi), invece del normale numero apolide 23) che unendosi alla fecondazione con il gamete normale del partner (con 23 cromosomi), forma uno zigote con 47 cromosomi.

Molte sono le cause della sindrome di Down.

La sindrome di Down ha una notevole incidenza sociale, poiché si calcola che nasca un bambino Down ogni 700 bambini; hanno parecchi caratteri tipici, tra cui la bocca piccola tenuta parzialmente aperta, perché il bambino non riesce a posizionare bene la lingua, occhi orientaleggianti, palpebre di forma caratteristica e hanno un più o meno deficit intellettivo.

La struttura del DNA

DNA - Google Video

YouTube - Creazione del DNA

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Il DNA è la più grande molecola naturale presente negli esseri viventi ed è formato dalla ripetizione di quattro diverse unità più piccole chiamate nucleotidi. Un’unica molecola di DNA comprende migliaia di nucleotidi, ognuno di essi è diviso in tre da parti: una molecola di acido fosforico, una molecola di zucchero (desossiribosio) e una base azotata. Le basi azotate sono: adenina (A), timina (T), guanina (G), citosina (C); perciò nel DNA vi sono solo quattro tipi di nucleotidi, che differiscono tra loro unicamente per le diverse basi azotate. La molecola del DNA è costituita da due lunghi filamenti avvolti a formare una doppia elica, che viene in genere paragonata a una scala a chiocciola. Lungo ciascuna ringhiera di questa scala si alternano regolarmente molecole di acido fosforico e molecole di desossiribosio. I gradini sono invece formati dall’unione della base azotata di un filamento con la base azotata dell’altro. L’adenina è sempre unita alla timina e la guanina alla citosina. Pertanto, lungo la doppia elica si possono trovare solo coppie A-T e C-G, queste basi che formano legami tra loro si chiamano basi complementari. Il DNA contiene il patrimonio ereditario della specie ed esso: - è capace di replicarsi, cioè di costruire una copia di se stesso che viene trasferita alla discendenza con la riproduzione; - contiene le informazioni per la sintesi delle proteine, degli enzimi e di tutte le sostanze che costituiscono la cellula.

Il codice genetico mappa dei cromosomi della specie umana

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Si può considerare una molecola di DNA come un lungo filamento nel quale le basi azotate sono ordinate secondo una precisa sequenza. Una molecola di DNA differisce da un’altra della stessa lunghezza per la sequenza delle basi, se l’ordine delle basi non è identico sono due molecole diverse.Il patrimonio ereditario di una specie è scritto proprio nella specifica sequenza delle basi, per questo essa è fondamentale, perché cambiare l’ordine significa cambiare anche l’informazione genetica. Una delle funzioni più importanti del DNA è quella di contenere le informazioni, scritte in un linguaggio particolare chiamato codice genetico, per la sintesi delle proteine. L’alfabeto di tale codice è formato dai nucleotidi che, ordinati a tre a tre, formano le triplette, ognuna delle quali corrisponde a un aminoacido. Ogni aminoacido forma una particolare proteina, che è responsabile di un determinato carattere di un individuo. Cambiando l’ordine delle basi cambia l’ordine dei nucleotidi e perciò la proteina, questo può far sì che l’individuo manifesti un certo carattere che dipende da quell’ aminoacido. La duplicazione del DNAYouTube - Creazione del DNA

Il DNA è capace di costruire una copia esatta di se stesso con la stessa sequenza di nucleotidi. Tale fenomeno si chiama duplicazione ed è reso possibile dal fatto che le basi azotate dei due filamenti sono unite secondo la regola A-T e G - C. Questo processo di duplicazione inizia con la separazione delle basi appaiate: il doppio filamento si apre come una cerniera lampo in un punto e la separazione prosegue. Man mano che la separazione prosegue, un enzima, chiamato DNA-polimerasi, unisce a ciascun filamento i nucleotidi adatti, secondo la regola di appaiamento, prelevandoli dal nucleo della cellula. In questo modo ogni filamento viene completato con un altro costituito dalle basi complementari e si formano due molecole di DNA identiche: così la quantità di DNA si è raddoppiata. La duplicazione avviene nella fase che precede la mitosi, così ogni cellula figlia potrà ricevere una copia di DNA. SINTESI PROTEICAYouTube - sintesi delle proteine

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La trascrizione La trascrizione è il processo che porta alla formazione dell'RNA messaggero, una molecola formata sul modello del DNA, è il passaggio dell'informazione dal DNA all'RNA. L'RNA è formato da nucleotidi con alcune differenze rispetto al DNA: - lo zucchero è il ribosio; - la molecola è costituita da un singolo filamento invece di due; - le basi azotate sono quattro: adenina, guanina, citosina e uracile. Il DNA non provvede direttamente alla sintesi delle proteine, ma utilizza per questo scopo una molecola di RNA, in un processo che può essere sintetizzato così: " il DNA fa da stampo all'RNA e l'RNA provvede alla sintesi del proteine. L'informazione genetica per la sintesi delle proteine passa dal DNA all'RNA messaggero, così detto perché passa il messaggio dal nucleo al citoplasma, dove si trovano i ribosomi. La trascrizione, come la duplicazione, si svolge nel nucleo.

La traduzione La traduzione è l'ultimo passaggio di quel meccanismo, che porta dal codice genetico alla formazione delle proteine, ed è compiuto da altre molecole di RNA. L'RNAm esce dal nucleo, raggiunge il citoplasma e si fissa nei ribosomi che, leggendo l'ordine delle basi azotate dell'RNAm, richiamano gli amminoacidi corrispondenti. Il messaggio dell'RNAm, che era scritto come una sequenza di triplette, viene "tradotto" in una sequenza di amminoacidi, cioè una proteina. Si può dire allora che "il DNA forma l'RNA e l'RNA forma le proteine". YouTube - Mitosi & MeiosiEstrazione del DNAYouTube - estrazione del DNA

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Esercizi

1) Qual è la percentuale di probabilità che una donna il cui padre è affetto da emofilia (carattere recessivo

legato al cromosoma X)

sia portatrice dell'allele patologico?

2) Una donna eterozigote per il gene che controlla il carattere "mascella asburgica" (carattere autosomico

dominante)

sposa un uomo anch'egli eterozigote per lo stesso gene;

con quale probabilità (in percentuale) nascono figli che manifestano il carattere?

3) Una donna omozigote per il gene che controlla il carattere "mascella asburgica" (carattere autosomico

dominante) sposa un uomo che non presenta questo carattere;

con quale probabilità (in percentuale) nascono figli che manifestano il carattere?

4) Con quale probabilità (in percentuale) nascono figli albini da due genitori entrambi eterozigoti per il gene

dell'albinismo (carattere autosomico recessivo)?

5) Un genitore albino e l'altro portatore sano dell'allele per l'albinismo hanno già avuto 7 figli normali.

Con quale probabilità l'ottavo figlio manifesterà l'albinismo (carattere autosomico recessivo)?

6) Un uomo con daltonismo sposa una donna portatrice sana del gene per il daltonismo (carattere recessivo

legato al cromosoma X).

Che probabilità (in percentuale) ha una figlia femmina di questa coppia di essere daltonica?

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Che probabilità (in percentuale) ha un figlio maschio di questa coppia di essere daltonico?

7) Una donna con i capelli rossi (carattere autosomico recessivo) sposa un uomo che non presenta questo carattere

ed è eterozigote per l'allele relativo; con quale probabilità (in percentuale) nascono figli con i capelli rossi?

8) Una donna eterozigote per il gene che controlla il carattere "capelli rossi" (carattere autosomico recessivo)

sposa un uomo anch'egli eterozigote per lo stesso gene; con quale probabilità (in percentuale) nascono figli che non

hanno i capelli rossi?

9) Qual è la percentuale di probabilità che un figlio maschio il cui padre è affetto da emofilia abbia questa malattia,

che è un carattere recessivo legato al cromosoma X?

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