Lezione 1: Struttura del DNA - Corso di laurea in Scienze Ambientali PDF

Corso di laurea in Scienze Ambientali Insegnamento di CHIMICA BIOLOGICA E BIOLOGIA MOLECOLARE modulo di Biologia Molecolare A.A. 2018-2019 Struttura del DNA Prof. Grazia Maria Liuzzi...

Corso di laurea in Scienze Ambientali Insegnamento di CHIMICA BIOLOGICA E BIOLOGIA MOLECOLARE modulo di Biologia Molecolare A.A. 2018-2019 Struttura del DNA Prof. Grazia Maria Liuzzi Lezione 1 Libri di testo Watson J. et al. BIOLOGIA MOLECOLARE DEL GENE Zanichelli editore Brown TA GENOMI 3 EdiSES Lewin B. IL GENE. Edizione compatta Zanichelli editore Nelson e Cox I PRINCIPI DI BIOCHIMICA di LENINGHER Zanichelli editore  Genoma Insieme delle sequenze che costituiscono il materiale genetico di un organismo. Contiene la serie completa di informazioni ereditarie di ciascun organismo. DNA cromosomico e DNA degli organelli (mitocondri e cloroplasti), quando presenti. Fisicamente può essere diviso in un certo numero di molecole di acido nucleico (cromosomi) Funzionalmente può essere diviso in geni. Gene= segmento di DNA che specifica un prodotto: proteina o RNA funzionale. Nell’uomo: genoma nucleare – 6x109 paia di basi organizzate in 46 cromosomi (2N), circa 35.000 geni genoma mitocondriale – molecola di DNA circolare. 16.569 pb, 37 geni. >1000 copie di mtDNA/cellula. 0.1-1% del DNA totale.  Le tappe della scoperta della funzione e della struttura del DNA 1869 Miescher isola da nuclei di cellule del sangue una sostanza fosforescente, detta nucleina, costituita da acido deossiribonucleico e proteine (l’odierna cromatina) 1928 Griffith dimostra che si possono trasformare stabilmente batteri non virulenti in virulenti con l’aggiunta di un principio trasformante. 1944 Avery-McLoad-McCarthy dimostrano che il principio trasformante è l’acido deossiribonucleico. 1952 Hershey e Chase dimostrano che infettando cellule batteriche con fagi T2, nei quali il DNA era marcato con 32P e le proteine con 35S nella progenie fagica veniva ritrovata la radioattività del 32P ma non quella dell’ 35S. 1953 Watson e Crick deducono che il DNA ha una struttura a doppia elica  Diffrazione ai raggi X: Wilkins e Franklin James Watson e Francis Crick costruirono il primo modello tridimensionale del DNA basandosi sui risultati dei lavori di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, che avevano studiato la struttura del DNA usando la cristallografia a raggi X.  La doppia elica di Watson and Crick L’appaiamento complementare delle basi azotate suggerisce che il DNA è una molecola a doppio filamento, simile a una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dallo scheletro zucchero-fosfato, e i pioli dalle basi accoppiate unite da legami idrogeno. La doppia elica di Watson and Crick  Modello suggerito da Watson e Crick per la replicazione del DNA Le catene “progenitrici” vengono separate e ognuna diventa lo stampo per la biosintesi di una catena “figlia” complementare La regola di Chargaff  La struttura degli acidi nucleici La struttura del DNA A doppia elica ma anche singola elica Alcune molecole sono circolari La doppia elica ha un avvolgimento destrogiro Alcune sequenze permettono l’avvolgimento levogiro Struttura terziaria: superavvolgimento La struttura dell’RNA Molecola a singolo filamento ma con tratti a doppia elica Capace di ripiegarsi in modo tale da formare differenti strutture terziarie Alcune molecole di RNA presentano attività enzimatica La struttura degli acidi nucleici  Struttura generale dei nucleotidi e dei nucleosidi Base + zucchero: nucleoside Base + zucchero + fosfato: nucleotide Basi puriniche e pirimidiniche Basi puriniche e pirimidiniche  Le basi azotate del DNA L’adenina (A) e la guanina (G) sono caratterizzate da un doppio anello e sono chiamate purine. La timina (T) e la citosina (C) sono caratterizzate da un anello singolo e sono chiamate pirimidine.  L’RNA e DNA L’RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA per il tipo di zucchero C5 che contiene, il ribosio, e perché al posto della base azotata timina contiene un’altra pirimidina, l’uracile (U). Legami covalenti nei nucleotidi Legame estere Legame N-b glicosidico  La struttura del DNA Concetti chiave: Il DNA ha una forma ad elica regolare, diametro 20Å, passo 34Å Legami idrogeno tra le basi L’impilamento delle basi è determinato da interazioni idrofobiche Ogni coppia è ruotata di 36° Solchi maggiore (22Å) e minore (12Å) Avvolgimento in senso orario (elica destrorsa)  Organizzazione strutturale del DNA Il DNA è una doppia elica costituita da due catene polinucleotidiche Successione di avvolte a spirale e unità costitutive antiparallele. che si chiamano nucleotidi 3’ 5’ 5’ 3’  La struttura del DNA I legami fosfodiesterici uniscono le unità nucleotidiche in successione. Il gruppo fosforico 5’ di una unità nucleotidica è unito al gruppo ossidrilico 3’ di quella adiacente. Tutti i legami hanno lo stesso orientamento lungo la catena determinando una specifica polarità (5’-3’). La struttura del DNA La struttura del DNA  La struttura del DNA La complementarietà delle basi è la proprietà più importante e la chiave per capire come il DNA si replica, trasmette e immagazzina l’informazione genetica  L’appaiamento delle basi implica la formazione di legami idrogeno H citosina N H N N O sugar H N O N H guanina CH3 N N N timina O H sugar H H N N N H sugar N O N N adenina N sugar Legami H tra basi complementari  Torsione ad elica delle basi azotate TORSIONE A ELICA: le basi che costituiscono una coppia nel DNA spesso non giacciono sullo stesso piano ma sono ruotate l’una rispetto all’altra come le pale di un’elica di aereo. Torsioneancorate Proteine ad elica delle basi a lipidi azotate e glicolipidi  Fattori che Proteine stabilizzano ancorate a lipidilaedoppia elica glicolipidi I legami idrogeno fra le basi complementari: stabilità termodinamica dell’elica e specificità delle coppie di basi. Una molecola organica in un solvente acquoso ha tutti i siti che possono formare legami H impegnati con le molecole d’acqua circostanti. Per ogni legame H che si forma fra le coppie di basi deve essere eliminato un preesistente legame H con una molecola di acqua: aumento globale del disordine del sistema e un conseguente aumento dell’entropia che stabilizza la doppia elica. Interazioni di impilamento fra le basi: le basi hanno una struttura planare e sono relativamente insolubili in acqua. Tendono a impilarsi l’una sull’altra perpendicolarmente all’asse longitudinale della doppia elica. Le interazioni tra le nuvole elettroniche (p-p) contribuiscono alla stabilità della doppia elica  La doppia Proteine elica haaun ancorate andamento lipidi destrogiro e glicolipidi PERIODICITA’DEL DNA: CIASCUN PAIO DI BASI E’ RUOTATO RISPETTO AL PRECEDENTE DI CIRCA 36°. Sono necessarie circa 10 coppie di basi perchè l’elica compia un giro completo: PASSO DELL’ELICA..  Organizzazione Proteine ancoratestrutturale del DNA a lipidi e glicolipidi Distanza tra le coppie di basi: 3.4 Å: Giro d’elica completo: 34Å. Il modello originale proponeva che vi fossero 10 coppie di basi per ogni giro d’elica. Misure successive hanno dimostrato che vi sono 10.5 coppie di basi per ogni giro d’elica. Organizzazione Proteine ancoratestrutturale del DNA a lipidi e glicolipidi Organizzazione Proteine ancoratestrutturale del DNA a lipidi e glicolipidi  Rotazione Proteine della base ancorate o base a lipidi flipping e glicolipidi Le basi possono ruotare all’esterno della doppia elica: Rotazione della base o base flipping Enzimi che metilano le basi (metilasi) o rimuovono basi danneggiate (glicosilasi) provocano questo fenomeno di rotazione per poter alloggiare la base nel sito catalitico.  Modelli di Proteine struttura ancorate del DNA a lipidi e glicolipidi DNA B: è la forma del DNA che normalmente si trova nella cellula ed è caratterizzate da 10.5 paia di basi ogni giro d’elica. Le basi formano con l’asse dell’elica un angolo di circa 90°. DNA A: forma piu’ compatta del DNA. 11 paia di basi per giro d’elica. Le coppie di basi sono piu’ inclinate rispetto all’asse longitudinale della molecola. Nella forma A è presente un foro centrale. Conformazione adottata nelle eliche formate da RNA-DNA e RNA-RNA poiché l’OH del ribosio impedisce la forma B. DNA Z: elica levogira ed ha una impalcatura a zig-zag. Modelli di Proteine struttura ancorate del DNA a lipidi e glicolipidi  Struttureancorate Proteine insolite del DNAe glicolipidi a lipidi Sequenza con simmetria doppia Un palindromo è una sequenza che se letta su entrambi i filamenti nella stessa direzione è identica. Sequenza con simmetria su ogni elica Le sequenze palindromiche possono formare Proteine ancorate appaiamenti a lipidi e glicolipidi intracatena Le sequenze palindromiche possono formare Proteine ancorate appaiamenti a lipidi e glicolipidi intracatena  Il DNA ha i requisiti adatti per funzionare come materiale genetico Il DNA è variabile tra le diverse specie. Il DNA è in grado di custodire le informazioni che fanno una specie diversa dall’altra. Il DNA è costante all’interno di una stessa specie. Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare. Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo. RNA ancorate a lipidi e glicolipidi Proteine  RNA ancorate a lipidi e glicolipidi Proteine RNA codificante: mRNA: trascritti dei geni codificanti per proteine. Nel loro insieme costituiscono il trascrittoma. 4% dell’RNA totale. RNA non codificante o RNA funzionale: non viene tradotto in proteine RNA ribosomiale (rRNA). 80% dell’RNA totale RNA transfer (tRNA). Molecole adattatrici: trasportano gli aminoacidi sui ribosomi. Piccoli RNA nucleari (small nuclear RNA o U-RNA). Splicing dei mRNA Piccoli RNA nucleolari (small nucleolar RNA o snoRNA). Modificazione chimica degli rRNA MicroRNA (miRNA) e brevi RNA interferenti (si RNA: short interfering RNA). Piccoli RNA che regolano l’espressione di alcuni geni  Le caratteristiche Proteine ancorate adella doppia lipidi elica di RNA e glicolipidi In una molecola di RNA avente tratti con sequenze complementari, le sequenze inframmezzate (non complementari) formano le strutture mostrate in figura: (a) struttura a forcina per capelli, (b) gemma (c ) ansa  RNA ancorate a lipidi e glicolipidi Proteine L’appaiamento di basi può anche avvenire fra sequenze che non sono contigue formando strutture molto complesse, dette pseudo-nodi: strutture formate da appaiamento di basi fra sequenze complementari non contigue