Acidi nucleici - 3Acidi nucleici - 3

presentazione del prof. Ciro Formica

Struttura dei nucleotidi; Le basi azotate; Il criterio di complementarietà delle basi azotate; L'antiparallelismo delle due catene polinucleotidiche di una molecola di DNA.Il modello a doppia elica di Watson e Crick: correlare la sua struttura con le sue funzioni. Le caratteristiche degli Acidi nucleici. L’organizzazione del DNA nella cellula eucariote. Gli istoni

Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org

I legami chimici nella doppia elica del DNAI legami chimici nella doppia elica del DNA

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Basi azotate: purine e pirimidineBasi azotate: purine e pirimidine

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Numerazione della base azotata: nelle purine (2 anelli) in senso

antiorario da 1 a 9

Numerazione della base azotata: nelle pirimidine in senso antiorario da 1 a 6 nel singolo anello

PURINE: 2 anelli eterociclici

PIRIMIDINE: 1 anello eterociclico

Purine: ADENINA, GUANINAPurine: ADENINA, GUANINA

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ADENINAIn posizione 6: NH2

GUANINAIn posizione 2: NH2

In posizione 6: C=O

Pirimidine: CITOSINA, TIMINA, Pirimidine: CITOSINA, TIMINA, URACILEURACILE

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CITOSINAIn posizione 6: NH2

In posizione 4: C=O

TIMINAIn posizione 1: CH3

In posizione 4 e 6: C=O

URACILEIn posizione 4 e 6: C=O

I NUCLEOSIDI I NUCLEOSIDI

Composti organici formati da una base purinica o pirimidinica e un pentoso (ribosio o desossiribosio), uniti con legame N-glicosidico. I nucleosidi vengono prodotti per idrolisi parziale dei nucleotidi. I principali nucleosidi sono l'adenosina, la guanosina, la citidina, l'uridina, la timidina e l'inosina.

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Esempio di nucleosideEsempio di nucleoside

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ADENOSINA: ADENINAGUANOSINA: GUANINA

CITIDINA: CITOSINATIMIDINA: TIMINA

Quando al posto del RIBOSIO c’è il DEOSSIRIBOSIO, il nome

è preceduto da deossi:

DEOSSIADENOSINADEOSSIGUANOSINA

DEOSSICITIDINADEOSSITIMIDINA

I NUCLEOTIDIEsteri fosforici di un nucleoside formati dalla funzione alcolica –OH di un pentoso (ribosio o deossiribosio) esterificata con una o più molecole di acido fosforico + legame N-glicosidico con una base azotata (purina o pirimidina).Il termine “estere” viene in genere usato per indicare gli esterialcol+acidi organici, ma si estende anche agli esterialcol+ acidi inorganici

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Esempi Prodotto finale

Acido+ Base forte Sale CH3-COOH + NaOH CH3-COO-Na Acetato di sodio

Acido organico+ alcol

Estere organico CH3-COOH + CH3CH2-OH CH3-COO-CH2CH3

Acetato di etile

Acido inorganico+ alcol

Estere inorganico Acido fosforico + etanolo Fostato di etile

Viene eliminata una molecola di H2O come nelle condensazioni

Zuccheri: ribosio e deossiribosio

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Numerazione degli zuccheri: in senso orario da 1’ a 5’, I primi 4 carboni sull’anello, il 5 fuori dall’anello.

Nel DEOSSIRIBOSIO manca un atomo di OSSIGENO in posizione 2’

Formula molecolare

1 H3PO4

Formula di struttura

O-

I HO-P=O

I OH

Monofosfato

Gruppi fosfatoGruppi fosfato

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Formula molecolare

2 H3PO4

Formula di struttura

O- O-

I IHO-P-O-P=O

I I OH OH

difosfato

Formula molecolare

3 H3PO4

Formula di struttura O- O- O-

I I IHO-P-O-P-O-P=O

I I I OH OH OH

trifosfato

Ciascun gruppo fosfato acquista una carica negativa quando cede un idrogeno; altri atomi di idrogeno vengono eliminati a causa dei legami dell’ossigeno.

L’esempio più noto di nucleotide: L’esempio più noto di nucleotide: l’ATP (adenosintrifosfato)l’ATP (adenosintrifosfato)

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Il legame tra il ribosio C5’ e il fosfato è un processo di ESTERIFICAZIONE, che avviene tra un gruppo acido (fosfato) e un ossidrile (del ribosio), con eliminazione di una molecola di H2O. Il legame tra ribosio C1’ e base azotata avviene con l’azoto N9.

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La molecola dell’ATP in 3DLa molecola dell’ATP in 3D

L’immagine riproduce la struttura tridimensionale dell’ATP ricavata dai dati contenuti in Protein Data Bank del NCBI. Sono rispettati i raggi di Van der Waals

Legenda: carbonio – grigio, azoto – blu, fosforo – giallo, ossigeno – rosso [per concessione di Sung Choe]

Tratto da: Darnell, Lodish et al. “Molecular cell biology - W.H.Freeman and Co cap 2- fig NN

Altre basi azotate: caffeina, acido urico, acido Altre basi azotate: caffeina, acido urico, acido orotico orotico

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CAFFEINAIn posizione 2 e 6: C=O

ACIDO URICOIn posizione 2, 6 e 8:

C=O

Inoltre: INOSINA e PSEUDOURIDINA basi anomale del tRNA

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Le bp (basi appaiate) si trovano su piani perpendicolari all’asse della DE, che è stabilizzata anche dalle interazioni idrofobiche tra le basi azotate

Caratteristiche della doppia elica

doppia elica e basi doppia elica e basi complementaricomplementari

I due filamenti sono antiparalleli perché decorrono entrambi in direzione 5’3’

Appaiamento delle basi del DNAAppaiamento delle basi del DNA

A = T

G C

T = A

A = T

C G

T

C

CA

G

GT

A

G C

T = A

T = A

C G

A = T

A = TG

C

5’

3’

5’

3’

5’ 3’

3’ 5’denatured

strands

hybridizedstrands

Hydrogen bonds

C G C

G

G C

Phosphate-sugar backbone

Youtube: Corso citologia-DNA e cromosomi

http://www.youtube.com/watch?v=el81jTUdl7s

Riassumiamo i dati sul DNARiassumiamo i dati sul DNA

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Percentuale di basi azotate nei DNA di varie specie

Negli acidi nucleici solo radioattività da 32P

Dati di Franklin

Dati di Chargaff

Dati di Pauling

Distanza tra 2 eliche 2 nm

In caso di legame purina-purina

> 2 nm i filamenti formano una spirale , come per le proteine

In caso di legame pirimidina-pirimidina

< 2 nm

appaiamento A-T (31%)G-C (19%)

A G C T A/T G/C A+G/C+T

%G+C

Uomo 31,0 19,1 18,4 31,5 0,98 1,04 1,00 37,5

Topo 28,6 21,4 21,7 28,4 1,01 0,99 1,00 43,1

Drosophila 27,3 22,5 22,5 27,6 0,99 1,00 0,99 45,0

Mais 25,6 24,5 24,6 25,3 1,01 1,00 1,00 49,9

E. coli 26,0 24,9 25,2 23,9 1,09 0,99 1,04 50,1

Riassunto animato del DNARiassunto animato del DNA

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http://www.dnaftb.org/19/animation.html

Le 3 forme di DNA eucarioteLe 3 forme di DNA eucariote

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Parametro DNA A DNA B DNA Z

Bp/giro 11 10 12

Diametro (nm) 2.6 1.9 1.8

Orientamento elica Destrorso Destrorso Sinistrorso

Distanza tra le coppie di

basi (nm)

2,6 3,32 3.7

Inclinazione basi rispetto

all'asse della doppia elica

20° 6° 7°

Coppie di basi per giro 11 10,5 12

bp = base pairs (coppie di basi)nm = nanometri 10-9 m

Notare l’andamento sinistrorso della forma Z, di minore diametro, rispetto a quello destrorso di A e B.

La forma B è la più comune tra gli eucarioti

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Com’è organizzato il DNA nella Com’è organizzato il DNA nella cellula eucariote: il nucleosoma e cellula eucariote: il nucleosoma e

gli istonigli istoniOltre l’80% di DNA nelle cellule eucariotiche è organizzato sotto forma di nucleosomi ripetuti ognuno dei quali consiste di 200 bp di DNA associate ad un ottametro definito “core” istonico (H2A, H2B, H3, H4) ed un istone “linker” H1.L’ottamero è organizzato in:tetramero H32-H42 posto al centro del NUCLEOSOMA+ 2 eterodimeri H2A, H2B attorno al tetramero.Gli istoni hanno p.m. 11-16 kD, H3 e H4 sono molto conservati dall’evoluzione.Il DNA è organizzato intorno agli istoni con superelica sinistrorsa, 1,65 giri e 10-11 bp.

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Nucleosoma e istoniNucleosoma e istoni

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A livello molecolare le interazioni del DNA con le proteine istoniche sono dovute a vari tipi di legami: - legami idrogeno che si instaurano tra gruppi fosfato del DNA e i residui amminici degli istoni, - interazioni elettrostatiche con la catena basica laterale.Linker H1-caratteristiche:Si trova negli eucarioti superioristabilizza strutture cromatiniche superiori mediante neutralizzazione delle cariche elettrostatiche del DNA di unione, attraverso il suo dominio C-terminale molto ricco di residui amminoacidici carichi positivamente.

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Dalla doppia elica al cromosomaDalla doppia elica al cromosoma

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Dalla doppia elica al cromosomaDalla doppia elica al cromosoma

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RNA e trascrizione

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RNA e trascrizione

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Il nuovo mondo degli RNAIl nuovo mondo degli RNA

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RNA non è solo:mRNA – veicola le informazioni dal DNA ai ribosomi per la biosintesi proteicatRNA – trasporta gli amminoacidi ai ribosomi rRNA – componente strutturale e funzionale basilare del ribosoma ma anche:Spliceosomal RNAs – parte del macchinario che stacca l’RNA non-codificante (introni)Small nucleolar RNAs (snoRNAs) –modifica l’rRNA del nucleolo. MicroRNAs (miRNAs) – brevi (21 nucleotidi) RNA che inibiscono la traduzione dei mRNA : sono oltre 250 e regolano più di 10.000 geni Small interfering RNAs (siRNAs) – simili ai precedenti ma innescano la distruzione dei mRNAs.Inoltre esistono degli mRNA non codificanti:da pseudogeni, 20.000 geni non più funzionanti che accumulano mutazioniantisenso, 9%: prodotti durante la trascrizione in senso opposto a quello normaleRNA implicati nell’inattivazione genica di uno dei 2 cromosomi sessuali della femmina XX