Biologia Molecolare: Struttura del DNA 2018-2019

Insegnamento di Chimica Biologica e Biologia Molecolare, modulo di Biologia Molecolare, A.A. 2018-2019

• Il corso copre la struttura del DNA.
• I libri di testo consigliati sono: "Biologia Molecolare del Gene" di Watson et al., "Genomi 3" di Brown TA, "Il Gene" di Lewin B., e "Principi di Biochimica di Lehninger" di Nelson e Cox.

Genoma

• Il genoma è l'insieme di tutte le sequenze che costituiscono il materiale genetico di un organismo.
• Include le informazioni ereditarie di un organismo, sia sul DNA cromosomico che su quello degli organelli (mitocondri e cloroplasti).
• Il genoma è fisicamente diviso in molecole di acido nucleico (cromosomi).
• È funzionalmente diviso in geni, che specificano la produzione di proteine o RNA funzionali.
• Il genoma nucleare umano contiene circa 35.000 geni disposti in 46 cromosomi (2N), con 6x10⁹ paia di basi.
• Il genoma mitocondriale umano è una molecola di DNA circolare con 16.569 coppie di basi e 37 geni, presente in più copie (oltre 1000) per cellula, rappresentando lo 0.1-1% del DNA totale.

Tappe della scoperta della funzione e della struttura del DNA

• 1869: Miescher isolò la nucleina (cromatina) dal nucleo delle cellule di sangue.
• 1928: Griffith dimostrò la trasformazione di batteri non virulenti in virulenti attraverso un principio trasformante.
• 1944: Avery, MacLeod, e McCarty identificarono l'acido deossiribonucleico (DNA) come principio trasformante.
• 1952: Hershey e Chase confermarono che il DNA è il materiale genetico.
• 1953: Watson e Crick proposero il modello a doppia elica del DNA.

Diffrazione ai raggi X: Wilkins e Franklin

• Rosalind Franklin e Maurice Wilkins utilizzarono la cristallografia a raggi X per studiare la struttura del DNA.
• I loro dati sull'immagine a raggi X furono fondamentali per Watson e Crick.

La doppia elica di Watson e Crick

• Il DNA è costituito da due catene avvolte a spirale in una doppia elica.
• Le catene sono complementari, con basi azotate appaiate (adenina con timina e guanina con citosina).
• L'ossatura dello zucchero-fosfato forma l'esterno dell'elica e le basi interne.
• Le basi sono unite da legami a idrogeno.

La regola di Chargaff

• Erwin Chargaff stabilì che il numero di basi adenina (A) è uguale al numero di basi timina (T) e il numero di basi guanina (G) è uguale al numero di basi citosina (C) nel DNA.
• Questo rapporto A=T e G=C (regola di Chargaff) è costante in tutte le specie di organismi.

Basi puriniche e pirimidiniche

• Le basi puriniche sono adenina (A) e guanina (G).
• Le basi pirimidiniche sono timina (T), citosina (C) e uracile (U).

L'RNA e DNA

• L'RNA differisce dal DNA per lo zucchero ribosio, invece del desossiribosio, e per la sostituzione della timina con l'uracile.

Legami covalenti nei nucleotidi

• I legami fosfodiesterici collegano i nucleotidi nella catena del DNA e dell'RNA.
• Il gruppo fosforico è unito al carbonio 3' del nucleotide adiacente nella catena.

La struttura del DNA

• Il DNA ha una forma ad elica regolare con un diametro di 20 Å e un passo di 34 Å.
• I legami idrogeno fra le basi appaiate rappresentano la stabilità termodinamica.
• L'impilamento delle basi azotate è determinato dalle interazioni idrofobiche.
• Le basi azotate sono ruotate di 36 gradi rispetto al nucleotide precedente.
• Due solchi sono presenti nell'elica: il solco maggiore (22Å) e il solco minore (12Å)
• L'avvolgimento dell'elica è destrogiro.

Organizzazione strutturale del DNA

• Il DNA è una doppia elica formata da due catene polinucleotidiche antiparallele e complementari.
• Questi filamenti si avvolgono attorno ad un asse e formano l'elica.
• La distanza tra le basi adiacenti lungo l'elica è 3.4 Å e il giro completo 34 Å.
• Le unità costitutive del DNA sono i nucleotidi.
• I legami fosfodiesterici connettono i nucleotidi consecutivamente lungo le catene del DNA e RNA.
• Tutti i legami hanno lo stesso orientamento lungo la catena definendo una polarità (5'-3').

DNA e variabilità

• Il DNA è variabile tra specie diverse ma costante fra individui della stessa specie.
• È in grado di contenere le informazioni genetiche necessarie per caratterizzare una specie.
• Può duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare.
• Può subire mutazioni, che apportano variabilità genetica e consentono l'evoluzione.

Strutture insolite del DNA

• I palindromi sono sequenze di DNA che sono identiche quando lette in entrambe le direzioni lungo i filamenti.
• Possono formare appaiamenti intracatena producendo strutture come forcine, gemme e cruciformi.

RNA codificante e RNA non codificante

• L'RNA messaggero (mRNA) trasporta le informazioni genetiche per la sintesi proteica dal DNA al ribosoma.
• L'RNA ribosomiale (rRNA) è un componente dei ribosomi.
• L'RNA transfer (tRNA) trasferisce gli amminoacidi ai ribosomi.
• Esistono inoltre altri RNA non codificanti: piccoli RNA nucleari (snRNA), piccoli RNA nucleolari (snoRNA), microRNA (miRNA) e RNA interferenti (siRNA).

Caratteristiche della doppia elica di RNA

• Le sequenze complementari dell'RNA possono formare strutture come forcina, gemma e anse.
• L'appaiamento di basi nell'RNA può verificarsi anche tra sequenze non adiacenti, formando strutture complesse.

Fattori di stabilizzazione della doppia elica

• I legami idrogeno fra le basi complementari sono responsabili della stabilità termodinamica.
• Le interazioni di impilamento fra le basi azotate contribuiscono alla stabilità strutturale.

Torsione elica delle basi azotate

• Le basi azotate, nonostante costituiscano una coppia, ruotano l'una rispetto all'altra come le pale di un'elica.
• I legami idrogeno determinano posizioni e legami tra le basi

Questo quiz tratta del modulo di Biologia Molecolare del corso di Chimica Biologica per l'anno accademico 2018-2019. Esploreremo la struttura del DNA e il concetto di genoma, comprendendo le sue componenti e l'importanza per gli organismi viventi. Utilizzeremo i testi consigliati per approfondire le conoscenze in merito.