Portatori chimici dell’informazione genetica della cellula

1. GLI ACIDI NUCLEICI Portatori chimici dell’informazione genetica della cellula

2. Il Dna Cinquanta anni fa James Watson e Francis Crick chiarivano la natura del Dna, la sostanza chimica che porta l'informazione genetica. Le istruzioni per vivere e per riprodursi sono scritte nel DNA e caratterizzate da una propria sequenza di quattro lettere (A, G, C e T) e sono contenute in una lunga molecola lineare avvolta su se stessa. Oggi sappiamo che con queste quattro lettere si possono comporre i messaggi più diversi e che ogni specie biologica possiede il suo Dna, contenente la sua propria sequenza di unità elementari.

3. Struttura Fosfato Nucleotide Zucchero Nucleoside Nucleotide Base Azotata Acido Nucleico Nucleotide Nucleotide Nucleotide

4. Ci sono due tipi di acidi nucleici, l'acido Desossiribonucleico (DNA) e l'acido Ribonucleico (RNA). Entrambi sono degli eteropolimeri. I monomeri del DNA si chiamano desossiribonucleotidi mentre quelli dell'RNA si chiamano ribonucleotidi. Entrambi sono costituiti dai seguenti gruppi. Come sono composti gli acidi nucleici • Basi Le basi puriniche adenosina e guanina si ritrovano sia nel DNA che RNA Le basi pirimidiniche Citosina e Timina si ritrovano nel DNA, mentre nell'RNA troviamo citosina e Uracile

5. Basi Azotate Pirimidina Citosina Uracile (RNA) Timina (DNA) Adenina Purina Guanina

6. Zuccheri DNA RNA 2-Desossiribosio Ribosio

7. Zucchero. Il DNA contiene il D-2-desossiribosio RNA contiene il D-ribosio • Gruppi Fosfato

8. Nucleoside Zucchero Nucleoside BaseAzotata Legame dell’N1 della Base Azotata con il C1’ dello Zucchero

9. Nucleotide Fosfato Nucleotide Nucleoside Legame estereo dell’Acido Fosforico con l’ossidrile in C5’ dello Zucchero

10. Base azotata Fosfato Zucchero Lo zucchero (un pentoso) è: Il Desossiribosio nel DNA Il Ribosio nel RNA • Gruppo fosfato • Zucchero pentoso • Base azotata Ciascun nucleotide è formato da tre molecole I diversi nucleotidi sono legati tra loro attraverso il gruppo fosfato Acidi Nucleici

11. Desossiribonucleotidi 2’-Deossiadenosina 5’-fosfato 2’-Deossiguanosina 5’-fosfato 2’-Deossicitidina 5’-fosfato 2’-Deossitimidina 5’-fosfato

12. Ribonucleotidi Adenosina 5’-fosfato Guanosina 5’-fosfato Citidina 5’-fosfato Uridina 5’-fosfato

13. Acido Nucleico Legame Estereo tra il Fosfato di un Nucleotide e l’ossidrile in C3’ dello Zucchero di un altro Nucleotide C 5’ C 1’ C 3’ C 5’ C 1’ C 3’

14. Struttura primaria degli acidi nucleici • Come per le proteine, gli acidi nucleici hanno una struttura primaria, costituita dalla sequenza di basi e una direzionalità che presenta un’ estremità 5' libera da un lato ed una 3' libera dall'altro. • Per convenzione le sequenze degli acidi nucleici sono scritte a partire dalla 5' finendo alla 3'. Secondo questa convenzione i legami fosfodiesteri vanno dal 3' al 5'

15. Adenosina (Base Azotata) Timina (Base Azotata) Citosina (Base Azotata) Fosfato Zucchero Fosfato Zucchero Fosfato Zucchero Fosfato Sequenza Si descrive attraverso l’ordine delle Basi Azotate partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’ -A-T-C-

16. La struttura secondaria del DNA • Studi ai raggi X • Sistema regolare che si ripeteva con una certa periodicità • Le quantità di A e di T erano sempre uguali e che le quantità di G e C erano uguali La doppia elica

17. Struttura secondaria del DNA La struttura secondaria non è casuale ma è dovuta ai legami ad idrogeno che si formano tra le basi

18. Struttura secondaria DNA • La struttura secondaria del DNA è la ben conosciuta doppia elica. Fu dedotta dall'analisi degli spettri di diffrazione di fibre di DNA Gli spettri di diffrazione delle fibre non contenevano le informazioni molecolari trovate negli spettri di diffrazione del singolo cristallo, ciononostante sia gli spettri di diffrazione che nelle proprietà delle fibre fornirono informazioni essenziali per dedurre la struttura della doppia elica - Gli spettri mostravano la presenza di un'elica - la spaziatura tra le macchie mostravano che c'erano 10 basi per giro d'elica - la densità delle fibre indicava la presenza di due molecole per elica. • Watson e Crick proposero che la doppia elica fosse stabilizzata dalla formazione di legami ad idrogeno tra le basi presenti sui filamenti opposti secondo lo schema A-T e G-C • Secondo il loro modello, lo scheletro idrofilo costituito dalla sequenza zucchero-fosfato si trovavano all'esterno a contatto con l'acqua, mentre le basi di carattere idrofobico erano impacchettate perpendicolarmente all'asse dell'elica nell'interno. • I due filamenti di DNA sono complementari e si sviluppano in direzione opposta, sono perciò antiparalleli. • Benchè le basi si trovino all'interno, esse possono interagire con altre molecole attraverso le due spirali profonde chiamate solco minore e solco maggiore. Questo modello teneva conto del fatto che nella composizione delle basi del DNA si verificava che in percentuale A=T e G=C.

19. Modello di Watson e Crick • Il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche a elica avvolte intorno a un asse comune. • Le eliche sono destrogire e i due filamenti si sviluppano in direzioni opposte, con riferimento alle loro estremità 3' e 5'.

20. Le basi puriniche e pirimidiniche si trovano all'interno dell'elica, su piani che sono perpendicolari all'asse dell'elica, mentre i gruppi deossiribosio e fosfato formano la parte esterna dell'elica. • Le due catene sono tenute insieme da coppie di basi puriniche-pirimidiniche, legate con legami idrogeno. L'adenina (A) è sempre accoppiata conla timina (T) e la guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).

21. L'adenina (A) è accoppiata conla timina (T) con due legami ad idrogeno • La guanina (G) è accoppiata con la citosina (C) con tre legami ad idrogeno.

22. DNA • Il DNA è simile per struttura all’ RNA ma: • Al posto dell’uracile c’è la timina • Il DNA è costituito da un doppio filamento Tra le basi dei due filamenti si formano legami idrogeno che li tengono uniti Nel DNA le basi appartenenti ai due filamenti sono appaiate in modo caratteristico ( timina con adenina, guanina con citosina)

23. Conoscendo la sequenza di un filamento …..

24. ….. si può desumere la sequenza del filamento complementare

26. Il risultato è una lunga molecola di DNA

27. Il diametro dell'elica è di 20 Å. Le coppie di basi adiacenti sono separate di 3,4 Å e si succedono ad ogni avanzamento dell'elica di 36º. Ci sono perciò 10 coppie di basi per ogni giro completo dell'elica (360º) e la struttura si ripete ogni 34 Å. • Non c'è nessuna limitazione alla sequenza di basi lungo una catena polinucleotidica. Dalla sequenza esatta però dipende l'informazione genetica.

28. Stabilità della doppia elica • La formazione della doppia elica è favorita da Interazioni idrofobiche derivanti dall'impaccamento delle basi dalla formazione di legami ad Idrogeno tra le coppie di basi. • La formazione della doppia elica è sfavorita da: Repulsione elettrostatica dei fosfati che si trovano sullo scheletro dei filamenti Dall'entropia conformazionale Formazione di legami ad Idrogeno con l'acqua. • Le Possibili strutture della doppia elica Il modello di doppia elica proposto da Watson e Crick rappresenta la struttura del BDNA. La struttura ai raggi X confermò essenzialmente il modello proposto, ma mostrava come essa fosse in realtà una semplificazione in quanto la struttura molecolare mostrava molte variazioni e distorsioni locali rispetto alla struttura ideale E' importante comprendere che la struttura secondaria del DNA non è rigida ma flessibile e dipende dalla esatta sequenza dei nucleotidi e può essere modificata in seguito ad interazioni con proteine ed altre molecole. Sotto altre condizioni è possibile che si produca un altro modello di elica ADNA. Recentemente è stata descritta una ZDNA, destrosa, il cui significato biologico è sconosciuto. QUI c'è un confronto tra i diversi modelli di elica. La forma A è la conformazione ad elica adottata dal DNA e RNA, ARNA, in quanto l'ossidrile in posizione 2' del ribosio impedisce stericamente la formazione della conformazione B. • La maggior parte del DNA della maggior parte dei microrganismi è una doppia elica nella sua forma B

29. Le eliche del DNA (Tutte le molecole qui illustrate contengono dodici coppie di basi )

30. RNA L’RNA è costituito da un singolo filamento I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per la base • Ci sono 4 differenti tipi di basi: • Adenina • Citosina • Guanina • Uracile L’informazione contenuta negli acidi nucleici è codificata nella sequenza di basi che compongono il filamento (un alfabeto di 4 lettere)

31. RNA: struttura secondaria e terziaria • L'RNA esiste sottoforma di tre maggiori tipi: tRNA o RNAtransfer, rRNA o RNA ribosomiale, mRNA o RNA messaggero. Altre forme meno importanti servono nello splicing dell'RNA e nella sintesi dei telomeri. • RNAtransfer (tRNA) sono costituiti da 73-90 nucleotidi e servono nella sintesi delle proteine. DNA e RNA a singolo filamento tendono ad assumere una conformazione randomcoil. Comunque tali molecole a filamento singolo contengono regioni con sequenze auto complementari (tRNA)dove la molecola può formare zone a doppio filamento tRNA contiene basi modificate. • RNA Ribosomiale (rRNA) Il ribosoma è un organello cellulare coinvolto nella sintesi proteica e consiste di due subunità, una piccola ed una grande, dove rRNA è parte integrante. La struttura a scala è costituita da coppie di basi legate da legami ad idrogeno. rRNA contiene basi modificate. - RNA messaggero  (mRNA) Il mRNA è una copia-stampo per la sintesi delle proteine. Viene assunta una struttura del tipo A o a singolo filamento. mRNA non contiene basi modificate.

32. Differenza tra DNA e RNA • Nel DNA, le basi sono legate al 2'desossiribosio con un legame N1'glicosidico a formare un desossinucleotide • Nell' RNA, le basi sono legate al ribosio per formare un nucleotide con un legame N1'glicosidico • I desossiribonucleotidi sono degli esteri fosforici in posizione 5' dei desossinucleosidi • I ribonucleotidi sono dei monoesteri fosforici dei nucleosidi Gli acidi nucleici sono polimeri dei fosfati dei nucleotidi. I polimeri DNA e RNA sono formati da legami fosfodiestere tra gli OH 5' di un nucleotide e il 3' di un idrossile seguente. I nucleotidi sono acidi forti in quanto i due pKa del fosfodiestere sono tra 0.7 ed 1 e 6.1 e 6.3.Di conseguenza lo scheletro dell'RNA e DNA sono normalmente carichi negativamente. Le basi assorbono attorno a 260 nm.I legami fosfodiesteri sono termodinamicamente instabili in quanto il ΔG di idrolisi è circa -25 kJ/mol, ma a causa della cinetica molto lenta in mancanza di un enzima o di un catalizzatore i polimeri sono stabili.

33. La struttura terziaria del DNA A causa dell'estrema lunghezza del DNA, la sua struttura terziaria è molto complessa. Comunque si possono discutere alcune strutture. • Superavvolgimento Il DNA di batteri, mitocondri, plastidi e alcuni virus è costituito da un anello chiuso. Il DNA circolare può assumere un aspetto incurvato o avvolto come dalle seguenti immagini al microscopio.

34. LA DUPLICAZIONE DEL DNA • La duplicazione del DNA è l'evento portante della duplicazione cromosomica. Essa inizia a partire da una specifica sequenza nucleotidica, detta punto di origine della duplicazione. In tale punto sono presenti particolari enzimi endonucleari (endonucleasi), che spezzano i legami ad idrogeno tra  le basi azotate complementari, aprendo così la doppia elica. I due filamenti si separano e ciascuno di essi funziona da stampo per la selezione di nucleotidi liberi e la costruzione del filamento complementare, pertanto la duplicazione del DNA è detta semiconservativa. La duplicazione procede in entrambe le direzioni, per mezzo delle due forcelle di duplicazione che si spostano nei due versi opposti. L'effettiva sintesi dei nuovi filamenti, antiparalleli a quelli della molecola originaria, è catalizzata da un gruppo di enzimi noti come DNA-polimerasi. Questi lavorano in un verso soltanto, cosicchè uno dei due nuovi filamenti cresce molto rapidamente ed in maniera continua, mentre l'altro, grazie a particolari siti di innesco (RNAprimer) che inducono un'inversione del senso di marcia delle DNA-polimerasi, viene costruito in brevi segmenti consecutivi (segmenti di Okazaki) che devono poi essere saldati fra loro da un altro enzima, chiamato DNA-ligasi. • Durante la duplicazione del DNA avviene l'azione PROOFREADING (correzione della lettura), operata dalle stesse DNA-polimerasi che rimuovono i nucleotidi che non si sono appaiati nella maniera dovuta a quelli del filamento stampo.

35. Il DNA Nucleo cellula Cellula La maggior parte delle cellule contiene istruzioni complete per costruire un essere umano, il Dna è in gran parte nel nucleo, ma ce n’è dell’altro nei mitocondri delle cellule. Mitocondri Dna in coppia di cromosomi Cromosomi Nel nucleo,il Dna è disposto in 23 coppie di “pacchetti” a forma di bastoncino, chiamati cromosomi (una serie proviene della madre, l’altra dal padre). Ogni cromosoma contiene un filamento di Dna. Se venisse svolto, il Dna di una cellula sarebbe lungo più di 2,04 metri Un gene (una serie di coppie di nucleotidi in un particolare punto su un cromosoma) contiene la ricetta per una proteina Coppie di nucleotidi Una coppia di nucleotidi che varia da individuo ad individuo viene chiamata Snp o “snip”

36. Science Museum Dna “La molecola della vita”

37. Monosaccaridi I monosaccaridi pentosi sono importanti costituenti degli acidi nucleici, RNA e DNA Ribosio e desossiribosio Il più noto è il glucosio I monosaccaridi esosi (fruttosio, galattosio, glucosio ecc.) sono implicati nel metabolismo energetico. Essi sono anche i costituenti di disaccaridi e polisaccaridi Sono molecole a 5 o a 6 atomi di carbonio di regola a forma di anello Glucidi

38. Il glucosio è al centro dei processi del metabolismo energetico della cellula. Esso esiste sia in forma ciclica che in forma lineare con la possibilità di passare da una forma all’altra Glucidi

39. Disaccaridi Il Maltosio è un disaccaride formato da due molecole di Glucosio(α- e β-Glucosio sono due isomeri della stessa molecola) Formazione di un Legameglicosidico Il Saccarosio (lo zucchero da cucina) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Fruttosio Il lattosio (lo zucchero del latte) è un disaccaride formato da una molecola di Glucosio e una di Galattosio

40. Il meccanismo di replicazione del DNA Se vi è un filamento di DNA, un enzima, la DNA polimerasi, è in grado di aggiungere un nucleotide alla volta allungando una catena polinucleotidica e utilizzando il filamento esistente come stampo I nucleotidi vengono sempre aggiunti all’estremità 3’, quella in cui l’ultimo desossiribosio del filamento di DNA presenta un gruppo –OH libero

41. Fin tanto che i due filamenti sono strettamente associati tuttavia la DNA polimerasi, non può agire. C’è un altro enzima che si chiama Elicasi e che (come suggerisce il nome) riesce a rompere i legami idrogeno tra le basi azotate e separare le due eliche per un tratto (richiede energia sotto forma di ATP) Si forma così un struttura chiamata forcella direplicazione. All’interno della forcella l’aggiunta di basi avviene in direzione opposta sui due filamenti. Data la lunghezza del DNA, negli eucarioti si formano diverse forcelle contemporaneamente. Il DNA quindi non viene replicato come una cerniera che si apre, ma piuttosto come una cerniera che si sia rotta e aperta in vari punti della sua lunghezza.

42. Meccanismi di riparazione del DNA La DNA polimerasi compie diversi errori durante la replicazione scambiando una base con un’altra. Se non venissero corretti ad ogni replicazione alcune centinaia di geni verrebbero modificati. Esiste un altro enzima la DNA polimerasi I (la precedente si chiama DNA polimerasi III ed è leggermente diversa) in grado di fungere da correttore di bozze, ripassando i filamenti e correggendo tutti gli errori tipografici Il meccanismo di riparazione è in grado di distinguere quale dei due filamenti della doppia elica è quello neo-sintetizzato e quindi, in caso di incongruenza tra le basi, correggere l’errore sul nuovo filamento I meccanismi di riparazione non agiscono solo in questo caso ma sono sempre attivi nella cellula per scoprire eventuali alterazioni dell’appaiamento delle basi causati da altri fattori ad esempio per intervento di agenti chimici o fisici

43. Nonostante i meccanismi di riparo, una volta ogni tanto (un caso su milioni di volte) la base sbagliata rimane al suo posto. Cosa accade quando per errore viene assemblata una base sbagliata (G al posto di A)? Alla generazione successiva a G viene correttamente appaiata C e il cambiamento rimane permanentemente nei discendenti di quella linea Questo evento si chiama MUTAZIONE