L’Espressione del Gene

Introduzione: Tutti sanno che i geni sono parti del DNA che servono a creare proteine. Ma sapete come procedere in pratica se vi viene dato un pezzo di DNA contenente 3 diversi geni?

Cose da fare: Scaricate l’applet in versione italiana cliccando su Run now nella riga sotto che si riferisce alla versione italiana. L’applet ha 3 “linguette”: cominciate con la liguetta  cellule multiple. Cliccando ora su Mostra cellule multiple potete vedere una foto di un gruppo di cellule reali simili a quelle che saranno simulate. La proteina prodotta e’ la GFP (Green Fluorescent Proteine) responsabile della fluorescenza delle singole cellule. Piu’ proteina e’ prodotta , piu’ la cellula e’ luminosa. Ora cancellate la figura e cercate di vedere come varia la produzione sia di una o piu’ cellule variando alcuni parametri. Cercate di capire l’effetto dei vari fattori.

Poi attivate la linguetta Espressione genica cellulare. Qui potete vedere gli “attori principali” del processo sotto forma di segmento di DNA contenente un singolo gene e una scatola di strumenti biomolecolari.

Selezionando  Insegnante/Riduci potete avere un’idea della dimensione effettiva del gene all’interno delle cellule viste prima.

Dopo essere tornati alla schermata iniziale , cercate di far partire la sintesi della proteina collegata al gene  muovendo gli strumenti biomolecolari nella zona intorno o sopra il DNA. Ogni volta che afferrate e muovete uno strumento   compare un suggerimento su dove disporlo.  Le proteine prodotte possono essere poi raccolte nella scatola la tua collezione di proteine.  Procedete allo stesso modo con le altre 2 proteine cliccando su “gene successivo”.  Cercate di capire la funzione dei vari “strumenti”.
E’ possibile produrre proteine in maniera continua? E’ possibile bloccare il processo  di produzione? Come ci si sbarazza dei prodotti che dopo la creazione non servono piu’?
Adesso selezionate Produzione di RNA Messaggero . Qui vedete una riproduzione piu’ realistica del processo di trascrizione e di come questo processo viene controllato nella cellula variando la concentrazione e l’affinita’ chimica di alcuni degli attori prima visti . Riuscite a capire meglio come questi fattori agiscono sulla produzione di proteine?

Cosa succede: L’espressione del gene e’ un processo complesso che ancora non e’ completamente capito anche se si conosce bene il meccanismo di base. Questo applet non riproduce certo tutti i dettagli del processo reale ma vi aiuta a capire alcuni aspetti che rendono il processo reale cosi’ complesso.
Per cominciare considera solo cellule senza nucleo (procariote) come quelle di Escherichia coli riprodotte nell’immagine. L’Escherichia coli e’ un batterio che si trova nel nostro intestino e che aiuta a digerire il cibo. Si possono vedere le due fasi principali del processo: la  trascrizione o copiatura del gene fatta per mezzo dell’RNA polimerasi che produce l’RNA messaggero. E la sintesi proteica  vera e propria nel Ribosoma che assembla le proteine usando l’RNA come stampo.

La fase di trascrizione consiste in una semplice copiatura del gene in una molecola di mRNA ( RNA messaggero). In particolare viene copiato solo uno dei due filamenti della doppia elica.

La parte iniziale del gene contiene la cosiddetta zona regolatrice che non viene copiata ma e’ usata come un interuttore che permette di attivare o disattivare la trascrizione e quindi la produzione della proteina corrispondente.Ad attivare o disattivare il gene provvedono i fattori di trascrizione positivo e negativo che si fissano proprio in questa zona del gene.

Come vi siete resi conto nell’usare la simulazione , in effetti non c’e’ nessuno che sposta le varie biomolecole strumento dove servono. Ma queste si muovono a caso all’interno della cellula. Percio’ tutto avviene come in una normale reazione chimica. La trascrizione  dipende quindi dalla concentrazione della biomolecola  fattore positivo e   dalla affinita’ del fattore positivo e della polimerasi con il gene. Nella sintesi   ha importanza anche la concentrazione della biomolecola mRNA demolitore e la maggiore o minore degradazione della proteina prodotta.

La sintesi proteica   avviene nel Ribosoma un organello della cellula che funziona da “fabbrica” di proteine. Qui l’RNA , che come il DNA e’ creato con un “linguaggio” di 4 lettere (A, G, C, T o U), deve essere interpretato come un codice che descrive la struttura delle proteine che a loro volta sono scritte con un linguaggio di 20 lettere/aminoacidi. La proteina non e’ altro che una sequenza di aminoacidi e viene assemblata aggiungendo gli aminoacidi uno a uno.  Le lettere dell’RNA vengono prese tre a tre e per ognuna delle combinazioni   si aggiunge l’aminoacido corrispondente alla proteina in produzione. Ad esempio alla sequenza AAA corrisponde l’aminoacido lisina.

L’espressione del gene varia nel tempo ed e’ influenzata da vari fattori. Tipicamente essa e’ influenzata dai livelli di luce durante il giorno e segue i ritmi circadiani. In questo caso e’ l’ipotalamo a funzionare da regolatore. Se avete sofferto qualche volta di jet lag potete capire come funziona questa regolazione e come il suo malfunzionamento produca grande malessere. In apparenza anche la depressione sembra essere legata a un malfunzionamento dei ritmi circadiani delle cellule cerebrali. Infatti i depressi cronici dormono troppo o troppo poco.

L’espressione dei geni e’ anche influenzata da tecniche di rilassamento come la meditazione o viceversa da condizioni che producono stress.

Commenti:  Sostanzialmente un batterio come l’Escherichia coli puo’ essere considerato come uno stabilimento chimico programmabile in grado di generare innumerevoli sostanze come la GFP. Una notizia interessante di questi giorni e’ che si e’ riusciti  a fargli produrre gasolio! In futuro gireremo forse con auto alimentate da combustibile prodotto da questi comunissimi batteri ?

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Il materiale ha come indirizzo http://phet.colorado.edu/en/simulation/gene-expression-basics e fa parte della raccolta PhET – The Physics Education Technology Project : alcune delle simulazioni sono tradotte in italiano.

Autore:
© Colorado University – phethelp@colorado.edu

Titolo in inglese : Gene Expression – The Basics

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