Biologia Molecolare: Struttura del DNA e RNA

Struttura degli Acidi Nucleici: DNA e RNA

• Differenze principali tra DNA e RNA:

  • DNA è una molecola lunga e a doppio filamento, mentre RNA è più breve e a singolo filamento.
  • RNA contiene uracile, mentre il DNA ha timina.
  • Gli zuccheri differiscono: DNA ha deossiribosio e RNA ha ribosio.

• DNA presenta una struttura a doppia elica con un solco maggiore (2.2 nm) e uno minore (1.2 nm) dove avvengono interazioni con le proteine.

• I nucleotidi sono composti da un gruppo fosfato, zucchero pentoso e base azotata; i legami covalenti uniscono il gruppo fosfato allo zucchero e lo zucchero alla base.

• Appaiamento delle basi azotate avviene tramite legami idrogeno:

  • A-T forma due legami idrogeno.
  • C-G forma tre legami idrogeno, conferendo maggiore stabilità.

• I filamenti di DNA sono antiparalleli, con estremità designate come 3’ (con OH libero) e 5’ (legato a un fosfato).

Stabilità e Interazioni del DNA

• La stabilità della doppia elica è garantita da legami H e stacking delle basi, derivanti da interazioni idrofobiche e di Van der Waals.

• La maggiore stabilità del DNA a temperature elevate è associata a una maggiore presenza di legami C-G.

• Differenti conformazioni del DNA includono le strutture A, B e Z:

  • DNA B è la forma più comune descritta da Watson e Crick.
  • DNA A è presente in condizioni di disidratazione, mentre DNA Z è sinistrorso e spesso si trova in soluzione.

Ruolo dell'RNA

• RNA, rispetto al DNA, ha un'emivita più breve ed è coinvolto nel materiale genetico di alcuni virus.

• Struttura secondaria dell'RNA comprende varie configurazioni, come single strand e loop; è capace di formare strutture complesse e stabilizzanti.

• La deaminazione del RNA porta alla conversione di alcune basi in altri composti (es. citosina in uracile), influenzando l'integrità del genoma.

Propriometri Fisico-Chimici degli Acidi Nucleici

• Denaturazione dei legami H si può ottenere con calore e agenti chimici; processo reversibile nel DNA ma non nell’RNA a causa della sua struttura.

• Rinaturazione è il processo inverso alla denaturazione, mentre ibridazione riguarda l'accoppiamento di filamenti di acidi nucleici differenti.

• La temperatura di melting (Tm) è la temperatura a cui il DNA esiste al 50% come filamento singolo; correlata alla composizione delle basi.

Topologia del DNA

• La topologia studia le proprietà geometriche inseparabili dalle deformazioni dell’oggetto senza interruzioni.

• Superavvolgimento è l'avvolgimento a spirale della molecola di DNA, frequentemente presente a causa della necessità di organizzazione all'interno delle cellule.

• Il DNA batterico ha domini topologici indipendenti, con una struttura chiusa in vivo.### DNA Circolare e Superavvolgimento

• Nel 1963, osservazioni su DNA circolare del virus polioma evidenziano due forme: rilassata e superavvolta.

• Lasso di linking (L) si esprime come L = T + W, dove T è il numero di avvolgimenti dell'elica e W i superavvolgimenti.

• In condizioni rilassate, L0 = N / 10.5 (N numero di coppie di basi).

• Per variare L, è necessario rompere il legame del DNA: L diminuisce quando il DNA è superavvolto negativamente e aumenta quando superavvolto positivamente.

• Sequenze ricche di A-T sono più predisposte alla denaturazione in DNA superavvolti negativamente.

Tipi di Superavvolgimento

• Superavvolgimento plectonemico: DNA che si avvolge su se stesso, comune nel DNA batterico.
• Superavvolgimento toroidale: DNA si avvolge attorno a complessi proteici, prevalente nel DNA eucariotico.

Topoisomerasi

• Enzimi che introducono e rimuovono superavvolgimenti nel DNA, agrippando legami fosfodiesterici.
• Topoisomerasi di tipo I: rompono un solo filamento (ΔL = ±1), eliminano superavvolgimenti negativi.
• Topoisomerasi di tipo II: rompono entrambi i filamenti (ΔL = ±2), aggiungono superavvolgimenti negativi.
• Topoisomerasi IV: decatenano cromosomi circolari duplicati.

Cromatina e Nucleosomi

• Il genoma è impacchettato per protezione e trasmissione, riducendo tuttavia l'accessibilità.
• Nucleosoma è una struttura fondamentale, formata da otto proteine istoniche (due copie di ciascun tipo di istone).
• Interazioni tra istoni e DNA avvengono principalmente a livello del solco minore, stabilizzando la struttura.

Assemblaggio del Nucleosoma

• L'assemblaggio avviene in fasi: formazione del tetramero H3-H4 seguito dall'associazione con i dimeri H2A-H2B.
• La stabilizzazione della struttura nucleosomale avviene tramite interazioni elettrostatiche tra istoni e DNA.

Struttura Cromosomica

• La cromatina ha una struttura dinamica, modificazioni post-traduzionali sugli istoni influenzano la condensazione del DNA.
• La formazione della struttura di 30 nm (solenoide) avviene tramite l'assemblaggio di nucleosomi.

Struttura delle Proteine

• Le proteine seguono una struttura gerarchica: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.
• La struttura primaria è la sequenza di amminoacidi, la secondaria include α-eliche e β-foglietti.
• La struttura terziaria è l'architettura globale di una singola catena polipeptidica, mentre la quaternaria riguarda interazioni tra catene polipeptidiche.

Funzioni Enzimatiche delle Proteine

• Le proteine fungono da enzimi, aumentando la vicinanza degli atomi reattivi per abbassare l'energia di attivazione (ΔG).
• La stabilizzazione degli stadi di transizione avviene attraverso interazioni con catene laterali di amminoacidi.
• Coenzimi, come le vitamine, assistono l'attività enzimatiche.

Importanza della Struttura Tridimensionale

• La sequenza primaria determina la struttura tridimensionale delle proteine.
• Le proteine possono ripiegarsi spontaneamente in condizioni fisiologiche, guidate da interazioni elettrostatiche, legami H e effetti idrofobici.### Folding delle Proteine
• Il folding è un processo cooperativo e gerarchico che permette a catene polipeptidiche di assumere la loro struttura nativa in uno spazio tridimensionale.
• Il passaggio da una struttura ad alta energia a una struttura più compatta e a bassa energia risulta in un’energia libera inferiore.
• Le proteine hanno bassa stabilità conformazionale, rendendole suscettibili alla denaturazione tramite variazioni di temperatura e pH.

Denaturazione

• La denaturazione è la perdita della struttura terziaria, causando un passaggio da uno stato ordinato e stabile a uno meno stabile.
• Questo processo è reversibile rimuovendo l'agente denaturante.
• Nello studio dell'RNasi, è stato dimostrato che le proteine possono tornare alla loro forma nativa dopo denaturazione.

Paradosso di Levinthal

• Una proteina dovrebbe esplorare tutte le configurazioni possibili per trovare la sua forma nativa, ma ciò è impossibile a causa del numero elevato di angoli di torsione.
• Una proteina di 100 residui impiegherebbe un tempo superiore all'età dell'universo per esplorare tutte le conformazioni.

Processo di Folding

• Fasi del folding:
  • Fase veloce (ms): formazione di segmenti di struttura secondaria.
  • Collasso idrofobico.
  • Formazione di globuli con prevalenza di struttura secondaria.
  • Stabilizzazione delle strutture secondarie e proto-domini.
  • Stabilizzazione della struttura terziaria e formazione di legami idrogeno.

Teoria dell'Imbuto di Ripiegamento

• Il processo di folding segue un'energia libera in diminuzione, aumentando le interazioni e riducendo le conformazioni ammesse.
• Le proteine evolvono per avere vie di ripiegamento efficienti e forme native stabili.

Proteine Isomerasi e Stress Proteico

• PDI (disulfide isomerasi) catalizza lo scambio dei ponti disolfuro, prevenendo formazioni non corrette durante il folding.
• Le chaperoni molecolari si legano a proteine parzialmente ripiegate, impedendo interazioni errate.

Chaperoni Molecolari

• Due classi di chaperoni:
  • Chaperoni veri (Hsp70, Hsp90) che assistono il folding.
  • Chaperonine (GroEL/GroES negli procarioti e Hsp60/Hsp10 negli eucarioti) che intrappolano proteine in una cavità per facilitare il processo di folding.

Motivi Strutturali e Funzionali

• La disposizione degli elementi di struttura secondaria produce motivi, che possono essere strutturali o funzionali.
• Le proteine possono essere catalogate in base a residui, siti, motivi, domini, famiglie e super famiglie.

Interazioni Proteina-Acidi Nucleici

• Interazioni non specifiche avvengono tramite polimerasi e istoni; interazioni specifiche avvengono tramite fattori di trascrizione e endonucleasi.
• Specificità di sequenza è insistita nel legame delle proteine al DNA attraverso gruppi esposti nel solco maggiore.

Struttura Quaternaria delle Proteine

• La struttura quaternaria si forma dall'organizzazione di più catene polipeptidiche, produce stabilità attraverso interazioni idrofobiche e ioniche tra le subunità.
• Le subunità possono essere identiche o diverse e la stabilità aumenta con la superficie delle interazioni.

Variabilità degli Assemblaggi

• Le subunità si assemblano tramite rotazione lungo assi tridimensionali, portando a diverse configurazioni e stabilità della struttura proteica.