Acidi Nucleici PDF

Docente Sara Baldelli Lezione Acidi Nucleici  Sara Baldelli Acidi nucleici Gli acidi nucleici sono le grandi molecole biologiche DNA e RNA, la cui presenza e il buon funzionamento, all'interno...

Docente Sara Baldelli Lezione Acidi Nucleici  Sara Baldelli Acidi nucleici Gli acidi nucleici sono le grandi molecole biologiche DNA e RNA, la cui presenza e il buon funzionamento, all'interno delle cellule viventi, sono fondamentali per la sopravvivenza di quest'ultime. Gli acidi nucleici contengono, trasportano, decifrano ed esprimono in proteine l'informazione genetica. Un generico acido nucleico deriva dall'unione, in catene lineari, di un numero elevato di nucleotidi. Acidi Nucleici 2 di 39  Sara Baldelli Acido desossiribonucleico (DNA) Il DNA, o acido desossiribonucleico, è il patrimonio genetico di moltissimi organismi viventi, essere umano compreso. Contenuto nel nucleo delle cellule ed equiparabile a una lunga catena, il DNA appartiene alla categoria degli acidi nucleici, cioè grandi molecole biologiche (macromolecole) formate da unità molecolari più piccole che prendono il nome di nucleotidi. Acidi Nucleici 3 di 39  Sara Baldelli Acido ribonucleico (RNA) L'RNA, o acido ribonucleico, è una macromolecola biologica, appartenente alla categoria degli acidi nucleici, che ricopre un ruolo centrale nella generazione delle proteine a partire dal DNA. La generazione delle proteine (anche loro delle macromolecole biologiche) comprende una serie di processi cellulari che, nel loro insieme, prendono il nome di sintesi proteica. Acidi Nucleici 4 di 39  Sara Baldelli Sia il DNA che l’RNA sono polimeri lineari le cui subunità fondamentali sono i nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da: una base organica azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio, un gruppo fosfato. Acidi Nucleici 5 di 39  Sara Baldelli Nucleotide NUCLEOTIDE: unità costitutiva di una molecola di acido nucleico Acidi Nucleici 6 di 39  Sara Baldelli Zucchero Lo zucchero del DNA è il 2-deossiribosio (2-deossi significa che sul carbonio 2 manca l’atomo di ossigeno). L’RNA ha la stessa composizione del DNA con sole 2 differenze: 1. Lo zucchero è un ribosio; 2. ……… Acidi Nucleici 7 di 39  Sara Baldelli Basi azotate PURINE: Adenina e Guanina PIRIMIDINE: Citosina e Timina (DNA), Uracile (RNA) ZUCCHERO + BASE AZOTATA: NUCLEOSIDE L’RNA ha la stessa composizione del DNA con sole 2 differenze: 1. Lo zucchero è un ribosio; 2. La base è l’Uracile, Acidi Nucleici 8 di 39  Sara Baldelli Riepilogo Acidi Nucleici 9 di 39  Sara Baldelli Doppia elica Nel 1953 J. Watson e F. Crick, di Cambridge, proposero la struttura a doppia elica per il DNA Acidi Nucleici 10 di 39  Sara Baldelli Doppia elica La doppia elica consiste di due filamenti appaiati di DNA che formano una lunga scala a chiocciola i cui gradini sono le quattro basi A, G, C e T. L’RNA è invece costituito da un singolo filamento. Acidi Nucleici 11 di 39  Sara Baldelli Doppia elica Le forze attrattive che tengono appaiati i due filamenti sono prevalemtemente legami a idrogeno tra le basi azotate dei due rami. L’adenina si lega solo con la timina (A·····T) e la guanina soltanto con la citosina (G·····C). Acidi Nucleici 12 di 39  Sara Baldelli Doppia elica Acidi Nucleici 13 di 39  Sara Baldelli Doppia elica Acidi Nucleici 14 di 39  Sara Baldelli Complementarietà Quindi la sequenza di basi lungo un filamento determina la sequenza di basi sull’altro filamento. Si dice che le basi organiche degli acidi nucleici sono “complementari”. Acidi Nucleici 15 di 39  Sara Baldelli Complementarietà Ad esempio, se la sequenza di basi su un filamento è: l’altro filamento deve essere: Acidi Nucleici 16 di 39  Sara Baldelli Legami idrogeno I due filamenti sono uniti da legami a idrogeno fra le basi puriniche e pirimidiniche: Acidi Nucleici 17 di 39  Sara Baldelli Doppia elica di DNA DNA composto da due catene elicoidali antiparallele avvolte intorno allo stesso asse per formare una doppia elica destrorsa rigida. Scheletro (ribosio e ac. fosforico) esterno in contatto con l’ambiente, basi impilate all’interno perpendicolarmente all’asse longitudinale. La relazione spaziale crea un solco maggiore ed uno minore. La doppia elica o duplex viene tenuta unita da legami a H tra coppie di basi complementari e interazioni tra basi impilate (forze di van der Waals e dipolo- dipolo) Acidi Nucleici 18 di 39  Sara Baldelli Catena polinucleotidica Le unità monomeriche (nucleotidi) si legano una all’altra in sequenza lineare (costituendo la catena Legame fosfodiestere polinucleotidica) e tale sequenza è detta struttura primaria dell’acido nucleico considerato. I legami tra i nucleotidi lunga la catena sono legami fosfodiestere e si instaurano tra un residuo di fosfato attaccato all’ossidrile del carbonio 5’ di un nucleotide e il gruppo 3’ ossidrilico del nucleotide successivo. Acidi Nucleici 19 di 39  Sara Baldelli Catena polinucleotidica Nel DNA le due catene polinucleotidiche sono appaiate in maniera antiparallela (una in un verso e l’altra in direzione opposta). L’impilamento delle basi azotate lungo la stessa catena polinucleotidica è stabilizzato anche dalle forze idrofobiche. Acidi Nucleici 20 di 39  Sara Baldelli Appaiamento delle basi E’ attuato mediante legami ad idrogeno che si formano sempre tra una base purinica ed una base pirimidinica. Si ha, in particolare: A:T (2 legami ad H) C:G (3 legami ad H) Acidi Nucleici 21 di 39  Sara Baldelli Appaiamento tra le basi Acidi Nucleici 22 di 39  Sara Baldelli Acidi Nucleici 23 di 39  Sara Baldelli Acido ribonucleico (RNA) rRNA (RNA ribosomiale) RNA scoperti di recente RNA mRNA (RNA messagero) tRNA (RNA transfer) snRNA (piccoli RNA nucleari) miRNA (micro RNA) siRNA (piccoli RNA interferenti) rRNA (RNA ribosomiale) L’rRNA rappresenta circa il 75-80 % dell’RNA totale. La sua funzione è verosimilmente quella di impalcatura per le proteine ribosomiali per costituire i ribosomi, “macchine sopramolecolari” deputate alla sintesi proteica. Acidi Nucleici 24 di 39  Sara Baldelli mRNA 5-10 % dell’RNA totale; (500 - 100.000 nucleotidi di lunghezza). E’ lo stampo necessario per la sintesi proteica, trasferendo l’informazione genetica dal nucleo al citoplasma. Amplifica l’informazione genetica. Svolge un ruolo addizionale nella regolazione dei processi cellulari. E’ sintetizzato secondo i bisogni della cellula e viene rapidamente degradato dopo aver svolto la sua funzione. Acidi Nucleici 25 di 39  Sara Baldelli tRNA 10 – 15 % dell’RNA totale. Trasportano amminoacidi fungendo da adattatori nella traduzione del codice genetico in proteine. Sono costituiti da 74 – 93 nucleotidi. Presentano una tripletta (anticodone) complementare ad una tripletta (codone) dell’mRNA. Ogni tRNA è specifico per un amminoacido; esistono più tRNA per un amminoacido. Acidi Nucleici 26 di 39  Sara Baldelli RNA scoperti di recente snRNA (piccoli RNA nucleari) Si trovano nel nucleo delle cellule eucariotiche; sono complessati con proteine a formare le ribonucleoproteine nucleari (“snurps”) che miRNA (micro RNA) sono coinvolte nei processi di maturazione Piccoli molecole di RNA (20-22 nucleotidi); dell’RNA messagero (splicing). I ribozimi essenziali nella crescita e nello sviluppo sono la parte costituita dall’RNA (parte non dell’organismo condizionando l’espressione proteica) delle “snurps” necessari al genica. Sono in grado di inibire la traduzione meccanismo catalitico presente nello splicing dell’mRNA in proteine favorendo la degradazione dell’mRNA. In alcuni casi al contrario, possono stimolare la produzione di proteine. Acidi Nucleici 27 di 39  Sara Baldelli RNA scoperti di recente siRNA (piccoli RNA interferenti) Piccoli molecole di RNA (20-22 nucleotidi); possono esercitare un notevole controllo sull’espressione genica, rappresentando un meccanismo di protezione, in quanto possono sopprimere l’espressione indesiderata di geni, ad esempio quelli responsabili di una proliferazione indesiderata. La loro azione consiste nel degradare specifiche molecole di mRNA. Acidi Nucleici 28 di 39  Sara Baldelli Duplicazione del DNA Esistevano diverse teorie circa il metodo di duplicazione del DNA. I risultati sperimentali dimostrarono che la duplicazione è semiconservativa. Acidi Nucleici 29 di 39  Sara Baldelli Watson e Crick Dopo la scoperta della struttura del DNA, Watson e Crick ipotizzarono che il doppio filamento del DNA potesse replicarsi utilizzando un meccanismo 'a stampo'. Il modello di duplicazione proposto è detto modello semiconservativo in quanto prevede che ognuno dei due filamenti serva da stampo per il filamento complementare, ottenendo alla fine due DNA identici (modello detto semiconservativo, perchè i due DNA finali avranno entrambi un filamento del 'vecchio' DNA e uno del nuovo). Acidi Nucleici 30 di 39  Sara Baldelli Duplicazione del DNA La duplicazione del DNA richiede precise condizioni e si svolge in due fasi: 1. separazione dei due filamenti del DNA stampo grazie a specifici enzimi; 2. allungamento di ciascun filamento per aggiunta di nucleotidi all’estremità 3’ grazie alla DNA polimerasi. Acidi Nucleici 31 di 39  Sara Baldelli Duplicazione del DNA Perché il DNA subisca il processo di replicazione sono necessari: + DNA Elicasi Acidi Nucleici 32 di 39  Sara Baldelli DNA elicasi Aprono la doppia elica del DNA davanti alla forcella di replicazione ad una velocità di crca 1000 nucleotidi al secondo. L'elicasi è una proteina in grado di rompere la doppia elica utilizzando energia, sotto forma di una molecola di ATP ogni giro di elica tagliato. Per evitare che, a seguito del taglio, i due filamenti si riappaiano, intervengono le proteine destabilizzatrici dell'elica, che mantengono distaccati i due filamenti. Acidi Nucleici 33 di 39  Sara Baldelli Topoisomerasi 1 e 2 Questo tuttavia comporta una torsione, data la particolare struttura della doppia elica, che aumenta all'avanzare dell'azione dell'elicasi. Intervengono allora degli enzimi, le Topoisomerasi I e II, che tagliano rispettivamente 1 e 2 volte (su un o entrambi i filamenti) che saranno poi da esse ricucitidopo che il filamento di DNA si sarà ruotato su sè stesso in modo da rimuovere le torsioni (superavvolgimenti) che si creano a valle del taglio dell'elicasi. Acidi Nucleici 34 di 39  Sara Baldelli Forcella di replicazione e innesco Si forma così la cosiddetta forcella di replicazione, ossia un primo tratto di DNA coi due filamenti separati e rilassati (senza superavvolgimenti). Interviene a questo punto il cosiddetto innesco (o primer), un piccolo frammento di filamento di RNA costituito da una decina di nucleotidi che si lega tramite legami a idrogeno al filamento di DNA, in modo da fornire un estremità 3'-OH libera su cui si attaccherà l'enzima DNA polimerasi III. Acidi Nucleici 35 di 39  Sara Baldelli DNA polimerasi III Questo enzima attacca i vari desossiribonucleosidi-trifosfati, in modo che la polimerizzazione avvenga sempre in direzione 5'-->3'. L'enzima assicura la formazione dei legami fosfodiesterici (con perdita del pirofosfato P-P) mano a mano che il filamento nuovo viene ricreato. Acidi Nucleici 36 di 39  Sara Baldelli Frammenti di Okazaki Poichè l'elicasi svolge il DNA in una direzione sola, un filamento (il filamento 3'-->5') sarà replicato a partire dall'innesco in modo continuativo, invece sull'altro filamento stampo (il 5'-->3') si porteranno varie primasi mano a mano che la forcella di replicazione si apre: da ognuna di queste primasi partirà l'azione delle DNA polimerasi III, che formeranno tanti frammenti di DNA (frammenti di Okazaki) complementari al filamento stampo, sempre in direzione 5'-->3'. Acidi Nucleici 37 di 39  Sara Baldelli DNA polimerasi I e II All'avanzare della sintesi dei filamenti complementari avviene anche l'azione delle DNA polimerasi I e II che rimuovono i frammenti di innesco di RNA sostituendoli con analoghi di DNA, e le interruzioni tra i frammenti dei pezzi di DNA sostituiti e il resto del filamento, così come tra i vari frammenti di Okazaki, saranno saldate da un altro enzima detto ligasi. Acidi Nucleici 38 di 39  Sara Baldelli Conclusioni In questa lezione abbiamo trattato di: DNA RNA Doppia elica e complementarietà Duplicazione del DNA (Tutte le fasi) Acidi Nucleici 39 di 39