Esame Biologia: parte di genetica

Cenni storici

Fino a metà del 900 si pensava che l’informazione genetica fosse nelle proteine. La svolta si ha nel 1952 con l’esperimento sui batteriofagi di Hershey e Chase. La struttura a doppia elica del DNA fu scoperta da Watson e Crick.

Acidi nucleici

• Sono acido desossiribonucleico e ribonucleico — catene lineari di nucleotidi.
• Monomero = nucleotide

Nucleotide (desossi- o ribo-)

Struttura: È costituito da uno zucchero pentoso che ha il C1 legato a una base azotata (che può essere purinica: adenina e guanina o pirimidinica cioè citosina e timina/uracile), e il C5 legato a un gruppo fosfato (il quale a sua volta potrebbe legarsi a uno o più gruppi fosfato ⇒ nucleotidi monofosforilati, difosforilati, trifosforilati) es: ribo-adenosin-monofosfato rAMP, rATP adenintrifosfato. Desossiribo-adenosin-difosfato d-ADP.

Tra i gruppi fosfato si instaura un legame anidridico molto energetico che è la principale fonte energetica delle cellule ⇒ i nucleotidi trifosfato sono i più energetici es: ATP, GTP (per ricavare energia serve defosforilazione con liberazione di pirofosfato e conseguente trasformazione in AMP).

Sintesi: fosforilazione del nucleoside (base + zucchero) = nucleoside + gruppo fosfato: è reazione di esterificazione tra acido fosforico e il gruppo ossidrile/alcolico legato al carbonio 5’ ⇒ il legame tra il fosfato e il C5’ è un legame estere.

Dalla fosforilazione si forma un legame fosfodiestere (diestere perchè gruppo fosfato ha già un altro legame estere con il C5’) tra il gruppo ossidrile OH legato al C3’ dello zucchero e il gruppo fosfato legato al C5’ dello zucchero (le estremità reattive 3’ e 5’ sono chiamate “mani chimiche”).

In conseguenza al legame fosfodiestere la catena nucleotidica avrà sempre direzione dal terminale 5’ (estremità con fosfato) al terminale 3’ (OH libero).

Non hanno solo ruoli strutturali ed energetici ma cAMP e cGMP sono anche importanti nei processi di trasduzione del segnale come secondi messaggeri.

Legame fosfodiestere

Come tutti i legami delle biomolecole è covalente (permette a molecola di rimanere integra nonostante l’agitazione termica).

Come si forma? 2 fasi: nella prima fase si parte da un nucleotide trifosforilato che deve essere defosforilato (taglio dei gruppi fosfato) per ottenere energia (ciò comporta la liberazione di pirofosfato (fosfato beta e gamma) e la trasformazione in un nucleotide monofosfato). Fase 2: A questo punto si ha l’energia necessaria per la formazione del legame tra il fosfato del carbonio 5 e l’ossidrile del carbonio 3 → formatosi legame tra 2 nucleotidi si avrà che questi sono separati dall’acido fosforico: il gruppo fosfato fa da ponte tra due nucleotidi ai quali è legato attraverso 2 legami estere (uno era già presente; quello tra fosfato e carbonio 5’).

DNA

Modello Watson e Crick del 93 ne determina la struttura.

Struttura DNA

La struttura primaria è data dalla sequenza delle basi es. ATC. La struttura tridimensionale consiste in 2 filamenti polinucleotidici antiparalleli (uno ha il terminale 5’ a monte e il 3’ a valle, viceversa l’altro) che si avvolgono tra loro formando una doppia elica con avvitamento destrorso.

Metafora scala a pioli: i montanti sono costituiti dall’alternarsi di zuccheri e gruppi fosfato legati da legami estere. Le scale sono le basi azotate che sono disposte ortogonalmente all’ossatura zucchero-fosfato e si appaiano tra loro (tra purina e pirimidina): Adenina e timina formano 2 legami H, citosina e guaina formano 3 legami H ⇒ l’appaiamento delle basi azotate fa sì che i due filamenti di DNA siano complementari tra loro. Anche se legame H è debole, la struttura è salda perché ci sono tante basi e sono protette da ossatura/scrigno zucchero-fosfato.

Proprietà del DNA (derivano da struttura)

• Doppia elica ha diametro costante in ogni punto: dovuto a complementarità basi che si legano sempre purina-pirimidina.
• La doppia elica presenta due solchi: solco minore e solco maggiore che permettono ad alcune proteine di riconoscere le basi azotate da fuori senza dover aprire la doppia elica. Es: fattori di trascrizione (sporge di più dove ci sono purine perché sono più grandi).
• Il DNA è ACIDO perché nella formazione del legame diestere il gruppo fosfato rimane con un gruppo acido (OH) libero che può ionizzarsi ⇒ la presenza di questo elevato numero di cariche conferisce al DNA un alto grado di idrofilia che rende la molecola molto solubile nell’ambiente acquoso del nucleo.
• Seppure il DNA sia idrofilo all’esterno, all’interno le basi azotate sono idrofobiche: ciò mantiene le basi azotate (inf. genetica) protette da molecole aggressive idrofile.
• Nel nucleo si trova sotto forma di cromosomi (grosse molecole lineari di DNA): nella nostra specie sono 46.
• Oltre a tipica struttura di tipo B il DNA può assumere diverse conformazioni: conformazione Z di tipo sinistrorso, o struttura a 4 filamenti che si osserva nei telomeri (estremità del cromosoma).

Replicazione/duplicazione del DNA

• Avviene nel nucleo dove il DNA è legato a istoni (proteine) e insieme formano la cromatina.
• Deve essere accurato perché con errori nella sequenza nucleotidica si può incorrere in mutazioni ⇒ DNA polimerasi ha funzione Proof Reading.
• Deve essere completo perché da esso dipende la duplicazione cellulare.
• È di tipo semiconservativo. Perché? Quando una molecola di DNA è REPLICATA si ottengono due molecole figlie, ciascuna delle quali ha 1° filamento direttamente ereditato, mentre il 2° è sintetizzato de novo.
• Avviene nella fase S del ciclo cellulare (è la 2 fase dell’interfase cioè dell’intervallo tra una mitosi e l’altra).
• È processo complesso che si può dividere in 5 momenti: inizia da specifici punti del cromosoma/specifiche sequenze geniche dette siti di origine della replicazione dove c’è un primer cioè una breve sequenza nucleotidica di RNA che funge da innesco per la DNA polimerasi.

Rimozione del primer: Il primer è sintetizzato dalla DNA primasi: deve essere sostituito poi con DNA. Prima interviene la RNAsi H che è un enzima che rimuove l’RNA ibridato al DNA stampo tranne l’ultimo nucleotide che viene rimosso da una 5’-esonucleasi. Il gap che si forma crea un complesso innesco-stampo perché verrà riempito dalla DNA-polimerasi. Alla fine del processo di sintesi il nick (discontinuità) fra il terminale 3’ del frammento neosintetizzato e il 5’ dello stampo preesistente viene saldato dalla DNA-ligasi utilizzando ATP. La sintesi finirà quando tutti i primer saranno rimossi e tutti i nick saranno saldati. (questo avviene più volte nel lagging strand).

Fasi della replicazione

1. Inizia la denaturazione del DNA: come avviene? Servono fattori di replicazione, che vanno a rompere i legami H tra le basi azotate separando i due filamenti antiparalleli palindromi e quindi denaturando la molecola iniziale.
2. A questo punto entrano in gioco altri fattori di regolazione quali proteine che tengono separati i 2 filamenti nucleotidici: così facendo si forma una forca di replicazione (ce ne sono diverse in un solo filamento): ora i filamenti scissi sono filamenti stampo.
3. I filamenti stampo sotto la spinta dell’agitazione termica urtano casualmente i nucleotidi trifosfato presenti nel nucleo: ciascun nucleotide del filamento stampo legherà quello con la base azotata corrispondente ⇒ inizialmente si forma un legame H tra basi, dopo un po’ agisce la DNA polimerasi che unisce i nucleotidi complementari tra loro creando legami fosfodiestere con il rilascio di pirofosfato (polimerizza i nucleotidi sintetizzando filamento complementare!). La DNA-polimerasi però ha un LIMITE!!! cioè può sintetizzare filamenti complementari solo in direzione 5’->3’ (con 5’ a monte) perciò la polimerizzazione continua può avvenire solo su uno dei due filamenti della forca di replicazione (quello che ha direzione 5’3’): su tale filamento detto filamento guida la DNA-polimerasi si muove in modo continuo verso la forca di replicazione (quindi continua a separare e sintetizzare a valle verso 3’) ⇒ la DNA-polimerasi ha anche funzione Proof Reading perché oltre a sintetizzare in direzione 5’3’ può anche fare un passo indietro facendo attività esonucleasica in direzione 3’5’ (rimuove nucleotide sbagliato e risintetizza il giusto).
4. Per quanto riguarda l’altro filamento che va da 3’ a 5’ detto filamento tardivo/in ritardo la sintesi del filamento complementare poiché deve avvenire comunque da 5’ a 3’, è discontinua ⇒ si ottengono alla fine brevi sequenze di nucleotidi fondamentali chiamati frammenti di Okazaki (composti da 100 a 400 basi) che vengono poi uniti tra loro.