Il processo di mutazione genica

Sia gli organismi cellulari più semplici, costituiti da un’unica cellula (es. i batteri) chiamati procarioti, che quelli più complessi, chiamati eucarioti, presentano al loro interno il genoma. Il genoma è l’intero patrimonio genetico di un organismo vivente. Si può paragonare ad un’enorme libretto di istruzioni in cui sono contenute le informazioni che regolano lo sviluppo e il funzionamento dell’organismo. Il genoma è ereditato, si tramanda cioè da generazione a generazione. Il DNA (abbreviazione di DeoxyriboNucleic Acid, acido deossiribonucleico) è la sostanza che costituisce il patrimonio genetico. è formato da due filamenti disposti a spirale a formare una doppia elica. Ciascun filamento è formato dalla successione di 4 diversi elementi chiamati basi nucleotidiche: Adenina, Guanina, Citosina, Timina (abbreviate A, G, C e T). Queste quattro basi sono le lettere che formano l’alfabeto della vita. Così come tutte le frasi scritte in questa pagina sono formate dalla successione di sole 26 lettere dell’alfabeto, il nostro patrimonio genetico è formato dalla successione delle quattro lettere A, G, C e T. Nel genoma umano queste quattro lettere si succedono per ben 3,2 miliardi di volte e contengono le informazioni per costruire l'intero organismo in tutta la sua complessità.Si stima che nel genoma umano esistano 30-40 mila geni. Curiosamente, i geni rappresentano solo il 2 per cento circa di tutto il DNA umano ed il DNA è impacchettato in strutture detti "cromosomi". La maggior parte del DNA non codifica per alcuna proteina, e la sua funzione non è ancora del tutto chiara. Il numero dei geni nell’uomo è stimato fra 25mila e 40 mila. Sembrano pochi, rispetto alle stime precedenti (circa 100mila) e rispetto al genoma di altri organismi più semplici: la pianta Arabidopis Thaliana ne possiede 25.000 la Drosophila (il comune moscerino da frutta) 13.600. 

Da qui deriva che ogni noxa che possa determinare la perdita della normale sequenza genomica e, dunque, alterazione nel patrimonio genetico, sarà altrettanto in grado di causare danneggiamento nella molecola della vita ed alterazione nelle strutture dell'organismo stesso. In particolare alcuni fattori, siano chimici, fisici o biologici, sono in grado di danneggiare il DNA e di determinare un processo mutageno ed infine, se non riparato il danno, anche una neoplasia.

Ora noi sappiamo anche che ogni individuo ha un corredo genetico diploide, cioè doppio, poichè in realtà deriva dalla fusione del materiale genetico dei suoi genitori (gameti). La fusione dei due gameti aploidi da cui si origina poi una singola cellula diploide, lo zigote, viene chiamata riproduzione sessuale. Il significato biologico principale della riproduzione sessuale è la ricombinazione genetica cioè la formazione di combinazioni genetiche differenti da quelle dei genitori, momento questo, però, assai delicato, poichè in tale fase possiamo avere mutazione nel materiale ottenuto dalla fusione dei gameti. La ricombinazione genetica avviene durante un processo, la meiosi. Meiosi è il termine utilizzato per indicare le due divisioni in successione di un nucleo diploide, durante le quali le coppie di cromosomi vengono separate dando origine alle cellule sessuali (gameti) aploidi. L’evento più importante  di questo processo è il crossingover, il processo di scambio di materiale genetico tra un cromosoma ed il suo omologo. Le alterazioni del DNA possono avvenire ad opera di agenti mutageni che sono in grado di colpire il DNA e creare un danno nella seguenza genetica.

Riparazione del danno

Dopo aver subito una mutazione una cellula può: a) riparare il danno e ricostruire la molecola del DNA come se la mutazione non fosse avvenuta; b) riparare il danno al DNA ma non nella forma originale. Possono in tal modo verificarsi errori. c) morire prima che avvenga la replicazione, così la mutazione viene eliminata (apoptosi). Alterazioni e/o modifiche del DNA avvengono regolarmente ma le cellule possiedono diversi sistemi di riparazione dei danni del DNA. Alcuni di questi sistemi correggono direttamente la lesione mutazionale, mentre altri prima tagliano la lesione, eliminando un tratto di elica, poi sintetizzano nuovo DNA per riparare la regione mancante.

Agenti mutageni

Gli agenti mutageni possono essere distinti in:
-Fisici
-Chimici
-Biologici

Agenti fisici

Una radiazione è un trasferimento di energia da un punto all’altro dello spazio. I fenomeni conseguenti possono dare origine a radiazioni:

•Eccitanti: l’eccitazione è lo spostamento di un elettrone da un’orbita più interna ad una più esterna, con trasferimento di energia, senza espulsione dall’orbita. Un esempio di radiazioni eccitanti sono i raggi UV. Nella patologia, l’effetto di una radiazione eccitante è rappresentato dall’eritema, cioè l’arrossamento, dalla iperpigmentazione , dai melanomi.
•Ionizzanti: la ionizzazione è l’espulsione di un elettrone dall’orbita e le radiazioni ionizzanti sono a loro volta distinte in:
▪Elettromagnetiche, come i raggi x e γ
▪Corpuscolate(neutroni, elettroni, protoni)

Gli effetti che queste radiazioni hanno sul DNA sono di natura:
▪Biofisica: rottura dei filamenti di DNA, distruzione delle basi azotate
▪Biochimica: inibizione della sintesi del DNA
▪Citogenetica: anomalie cromosomiche

Meccanismi di interazione chimica sul DNA

 E' possibile avere sostanze chimiche analoghi di basi: sono sostanze chimiche che hanno una struttura molecolare estremamente simile a quella delle normali basi che si trovano nel DNA. Questi analoghi di basi vengono incorporati nel DNA; altre volte si tratta di agenti che modificano le basi: sono sostanze chimiche che agiscono come mutageni modificando direttamente la struttura chimica e le proprietà delle basi. Tre tipi di mutageni agiscono in questo modo:

agenti deaminanti: hanno la capacità di modificare la struttura chimica e le proprietà delle basi;

agenti idrossilanti: reagiscono con le basi modificandole per aggiunta di un gruppo OH;

agenti alchilanti: produttori di addotti. agenti intercalanti: sono sostanze chimiche capaci di inserirsi, più o meno stabilmente, tra due coppie di basi in una o entrambe le eliche del DNA.

Gli agenti chimici sono rappresentati da:
Analoghi delle basi (5-bromo-uracile e 2-amino-purina)
Acido nitroso
Agenti alchilanti
Acridine (sostanze intercalanti)
Analoghi delle basi
Nel 5-bromo-uracile, in posizione 5, un atomo di bromo sostituisce il gruppo metilico (rispetto alla timina). Il 5-bromo-uracile è un analogo della timina, quindi si lega all’adenina. Nel raro stato enolico c’è un salto dell’H dall’N1 al C6, questo indurrà la formazione di un terzo ponte e quindi il legame con la guanina. Gli analoghi delle basi possono agire con 2 meccanismi:
Errore di incorporazione: partendo da G≡C, si inserisce il 5-bromo-uracile che richiama l’adenina, che richiama la timina. Siamo partiti con G≡C e ci siamo ritrovati A=T
Errore di replicazione: partiamo da A=T, si inserisce 5-bromo-uracile che si lega con la guanina che richiama la citosina (alla fine avremo G≡C) La 2-amino-purinaè un isomero dell’adenina, lega la timina. Nel raro stato imminico lega la citosina.
Errore di incorporazione: ho G≡C, si inserisce 2-amino-purina che lega la timina che richiama adenina
Errore di replicazione: partiamo da A=T, si inserisce la 2-amino-purina che lega la citosina che richiama la guanina
Acido nitroso
è un agente ossidante capace di deaminare composti con gruppi aminici liberi, trasformandoli in cheto e idrossi derivati. l’adeninasi trasforma in ipoxantina, la guaninain xantina, la citosinain uracile.
 

Processo di mutagenesi

 Attraverso il fenomeno di ricombinazione genetica, durante il processo di meiosi (crossing over), avviene un cambiamento identificabile nel materiale genetico. Ma esiste anche un altro fenomeno, la mutazione, attraverso il quale si possono verificare variazioni all’interno del materiale genetico. Mutazioni che avvengono naturalmente vengono definite mutazioni endogene, mentre mutazioni indotte da agenti esterni vengono definite esogene. Le mutazioni endogene possono risultare da un certo numero di eventi che includono:

- errori nella replicazione del DNA;

- cambiamenti chimici spontanei nel DNA.

Le mutazioni possono avvenire a livello del cromosoma e vengono chiamate aberrazioni cromosomiche o a livello del gene, in tal caso vengono definite mutazioni geniche

Variazioni della struttura:

 • Delezioni: comportano un cambiamento nella quantità di materiale genetico di un cromosoma e provocano, come conseguenza, la perdita di un tratto di materiale genetico

 • Duplicazioni: comportano un cambiamento nella quantità di materiale genetico di un cromosoma per raddoppiamento di un tratto di esso. Le duplicazioni possono essere o non essere letali per un individuo.

Inversioni: comportano cambiamenti dell’ordine dei geni sul cromosoma. Si verifica quando un segmento cromosomico viene tagliato e poi reintegrato nel cromosoma dopo rotazione di 180° rispetto all’orientamento originale.

Traslocazioni: (trasposizioni) implicano un cambiamento nella localizzazione di un segmento cromosomico. La traslocazione può essere intracromosomica o intercromosomica.

Mutazioni geniche

 Le mutazioni geniche che alterano una singola coppia di basi nel DNA vengono chiamate mutazioni puntiformi.

Sostituzioni: quando una coppia di basi nel DNA è sostituita da un’altra coppia;

Inserzioni: consistono nell’acquisizione di una o più coppie di basi;

Delezioni: consistono nella perdita di una o più coppie di basi


Una mutazione è, cioè,  un cambiamento nella sequenza del DNA. Una mutazione si definisce "puntiforme", se è una mutazione che coinvolge un singolo nucleotide. Le radiazioni ionizzanti hanno effetti prevalenti sul nucleo o sul citoplasma.
Sul nucleo: sono condizioni date soprattutto a livello delle cellule labili. Possono provocare variazioni sul numero delle mitosi, con l’effetto principale indotto dalla appiccicosità nucleare (stickiness). In cariocinesi le conseguenze possono essere le rotture, l’irregolarità dei cromosomi, ma soprattutto l’appiccicosità dei cromosomi, che è il fenomeno principale conseguente all’effetto radiante. I cromosomi, conseguentemente all’appiccicosità, in mitosi non possono staccarsi e disporsi ai poli, quello che in anafase era considerato "cromosomi in ascesa polare". Noi distinguiamo anafase A e B, l’anafase A è quella che impropriamente definiamo "cromosomi in ascesa polare", è quella in cui, in realtà, si costituisce il cinetocore, quel disco appiattito su cui i microtubuli del fuso vanno a sbattere e ad essere riflessi. Il cinetocore si sposta muovendosi sui microtubuli KMT (del cinetocore) che si differenziano dagli IMT (che sono gli interpolari). Dunque l’evento cardine conseguente alla radiazione è l’azione diretta sui cromosomi, a livello molecolare questo fenomeno implica un arresto della trascrizione del DNA, dal punto di vista citologico i fenomeni conseguenti saranno rappresentati da una vacuolizzazione nucleare (carioressi e cariolisi).
Sul citoplasma: sono condizioni date a livello delle cellule perenni. l’organulo principalmente implicato è il mitocondrio, che è formato da due membrane, una esterna e una interna, che vanno a delimitare 2 camere, esterna e interna. La membrana interna si ntroflette nelle caratteristiche creste delimitanti la camera interna. Il mitocondrio costituisce la via intrinseca dell’apoptosi con il rapporto che assume con il fenomeno dell’oncogenicità. Le radiazioni ionizzanti causano rigonfiamento della membrana mitocondriale con conseguente lisi soprattutto a livello delle creste, a livello delle quali abbiamo la funzione espletata dal mitocondrio attraverso l’esistenza delle particelle F1mitocondriali, per ogni e. che viene indotto lungo questa particella F1, sono 3 le molecole di ATP sintetizzate [parte copiata dalle slide: se abbiamo la rottura delle creste avremo la dissociazione dall’ossidazione della fosforilazione e alla fine otterremo un rigonfiamento torbido della cellula equindi necrosi]. L’altro organulo implicato è il lisosoma, che ha delle caratteristiche azioni che danneggiano la cellula, avrà infatti gli enzimi idrolitici che una volta liberati in circolo provocano la lisi cellulare. Ultimo organulo è il reticolo-endoplasmatico rugoso, chiamato così per i polisomi che sono adesi sulla superficie, una loro difficoltà funzionale induce una diminuzione della sintesi proteica, così come la frammentazione delle membrane, la disaggregazione, a causa del distacco dei polisomi indurrà la frammentazione terminale del reticolo. Radiazioni eccitanti sono rappresentate dai raggi UV.

Essi agiscono esclusivamente sulle basi pirimidiniche del DNA inducendo:
-Dimerizzazione: soprattutto dimeri di timina
-Idratazione: citosina idratata, timina idratata
-Legame incrociato(cross-linking) Legame incrociato

La struttura del DNA sembra una scala, i cui pioli sono rappresentati dalle coppie di basi azotate (A=T, G≡C) poi c’è il ribosio e l’acido ortofosforico. Noi sappiamo che il punto più debole dove agiscono gli agenti mutageni sono i ponti a idrogeno; questi si rompono e si genera un legame covalente tra la base pirimidinica superiore ed inferiore, la molecola, dunque, non si può despiralizzare e non può avvenire l’apertura e quindi la trascrizione del DNA.

Dimerizzazione

Si forma un dimero di timina. Abbiamo due tipi di riparazione:
•Riparazione alla luce e foto riattivazione mediata dalla fotoliasi. La fotoliasi lega la regione del dimero e con assorbimento di un fotone di luce rompe il dimero, quindi impedisce la distorsione, allunga le 2 catene, stabilendo la riparazione del DNA.

•Riparazione per glicosilazione, è un sistema a catena di enzimi che intervengono nel procedimento. Abbiamo un nucleotide con la base danneggiata, interviene una N-glicosilasiche riconosce il punto danneggiato, poi avviene il taglio del legame tra la base coinvolta e lo zucchero ad opera di una endonucleasi AP, ovvero apurinica e apirimidinica, che, appunto, viene a tagliare il legame fosfodiesterico vicino alla base mancante. A questo punto interviene una escisso-nucleasi che escinde il punto danneggiato, il taglio è molto ampio. Quindi interviene la DNA polimerasi I o II(abbiamo una DNA polimerasi III detta replicasi) che riparano i pezzi mancanti. Infine una ligasi va a legare da punto a punto il tratto mancante, la ligasi perché possa agire ha bisogno di 2 condizioni:
▪che la catena complementare sia perfettamente integra
▪che le estremità 5’P e 3’OH siano perfettamente accostate[c’è la possibilità che venga scissa solo la base danneggiata e sostituita da una insertasi,
 

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