Appunti Biologia molecolare

BIOLOGIA

MOLECOLARE

2020/2021 – Prof: Guescini

Sommario

INTRODUZIONE DI BIOLOGIA MOLECOLARE ..................................................................................................... 2

ACIDI NUCLEICI .................................................................................................................................................. 3

STRUTTURA DEL DNA ........................................................................................................................................ 5

GENOMI ............................................................................................................................................................. 8

IL GENOMA EUCARIOTICO ............................................................................................................................. 8

IL CILCLO CELLULARE ....................................................................................................................................... 12

GENOMA DEL MITOCONDRIO ......................................................................................................................... 13

GENOMI A RNA ................................................................................................................................................ 15

RETROVIRUS ................................................................................................................................................ 15

BASI MODIFICATE CHE POSSONO TROVARSI NEL DNA ................................................................................... 15

PROGETTO GENOMA UMANO .................................................................................................................... 18

EVOLUZIONE DEI GENOMI ........................................................................................................................... 19

STRUTTURA MOLECOLE DELL’RNA .................................................................................................................. 22

STRUTTURA DELL’RNA ................................................................................................................................. 22

MUSCOLO SCHELETRICO – GENESI, MODULAZIONE E RIGENERAZIONE ........................................................ 27

CELLULE SATELLITE ...................................................................................................................................... 27

FUNZIONE DELLA CELLULA SATELLITE ......................................................................................................... 28

PERCORSO DI DIFFERENZIAMENTO MIOGENICO ........................................................................................ 29

DNA POLIMERASI EUCARIOTICHE ................................................................................................................ 31

LA RIPARAZIONE DEL DNA - MUTAZIONI......................................................................................................... 47

ESPRESSIONE GENICA ...................................................................................................................................... 51

MODIFICAZIONI POST-TRASCRIZIONALI: MATURAZIONE DELL’mRNA ....................................................... 62

SPLICING RNA MESSAGGERO ...................................................................................................................... 63

TRADUZIONE DELL’ m-RNA

.............................................................................................................................. 68

SINTESI DELLE PROTEINE ............................................................................................................................. 71

PARTE 2 ........................................................................................................................................................ 77

“BIOLOGIA MOLECOLARE APPLICATA ALL’ESERCIZIO FISICO” ........................................................................ 77

ADATTAMENTO AEROBICO ......................................................................................................................... 83

ALLENAMENTO FORZA – ESERCIZIO CONTRO RESISTENZA ......................................................................... 96

INTERFERENZA TRA ESERCIZIO AEROBICO E ANAEROBICO ........................................................................ 99

ESERCIZIO COMBINATO ............................................................................................................................. 100

PREVENZIONE DELLE MALATTIE METABOLICHE MEDIANTE L’ESERCIZIO ..................................................... 102

DIABETE MELLITO DI TIPO 2 ...................................................................................................................... 104

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INTRODUZIONE DI BIOLOGIA MOLECOLARE

La BIOLOGIA MOLECOLARE applicata all’esercizio fisico ci permette di entrare nella cellula e capire cosa

fanno le molecole all’interno delle cellule, studiare quindi l’adattamento ponendo l’attenzione sulle attività

delle molecole coinvolte.

A che tipologia appartengono le molecole che ci interessano? PROTEINE e ACIDI NUCLEICI.

PADRI FONDATORI DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE

• Jonas Bergström nel 1960 quando introdusse l’utilizzo della biopsia muscolare per studiare il tipo di

fibre in modo da capire da che proteine e acidici nucleici è composto.

• Successivamente dal 1970 ad oggi non possiamo non ricordare gli importanti contributi apportati in

questo campo da: Phillip D. Gollnick, Bengt Saltin, Frank W. Booth, John O. Holloszy, David L. Costill

e S. Schiaffino.

Gli studi hanno permesso di mostrare alcune delle proprietà delle fibre muscolari, come la presenza dei

mitocondri, delle proteine contrattili, degli enzimi glicolitici… e questo ha successivamente permesso di

dimostrare che esistono fibre con caratteristiche diverse.

RELAZIONE TRA EREDITÀ, GENI E DNA.

EREDITÀ: Sono quei caratteri che noi abbiamo e che sono determinati dalla presenza di alcuni geni (che

riceviamo dai genitori) e questi geni sono delle unità di informazioni.

GENE: è una unità di informazioni che può portare ad avere una certa proteina o un certo RNA funzionale.

Questa informazione è presente sulla molecola del DNA.

Quindi noi abbiamo delle caratteristiche che assomigliano ai nostri genitori perché questi ci hanno

trasmesso un certo quantitativo di geni 50% mamma e 50% papà. Quelli che noi individuiamo come

caratteri hanno una corrispondenza che è rappresentata dal DNA di cui noi siamo fatti e che è presente

all’interno delle nostre cellule.

DNA: è una molecola formata da acidi nucleici, e la molecola del DNA ha una caratteristica molto

importante e dobbiamo immaginarla come composta da tante lettere e parole in cui queste informazioni

prendono il nome di geni. Quindi il DNA presenta delle info che sono strutturate in geni.

Quindi 1 gene porta ad 1 carattere.

Perché ognuno risponde in maniera diversa? Perché anche se più persone hanno lo stesso gene, questo

può essere trascritto in maniera leggermente diversa da individuo a individuo, delle varianti, cioè la

sequenza dei nucleotidi che compongono il DNA è leggermente diversa.

1 gene contiene l’informazione per arrivare ad una proteina. Ad esempio la Miosina, (proteina contrattile

del muscolo), tutti gli individui hanno il gene-miosina, però le informazioni sono leggermente diverse, la

differenza quindi non c’è dal punto di vista della funzione, ma la differenza può essere che una miosina ha

caratteristiche meno efficienti rispetto ad altri.

MENDEL

Mendel è stato il primo a rendersi conto della presenza dei caratteri, utilizzando lo studio sulla forma del

seme del pisello.

Mendel era riuscito ad isolare una variante di piantine di pisello che produceva solo semini lisci, allo stesso

modo aveva altre piantine che producevano semini solo rugosi.

Questo perché il genoma dei semini lisci aveva solo l’info dei semi lisci, mentre il genoma dei semi rugosi

aveva l’info solo dei semi rugosi. Mendel li incrociava, ottenendo popolazioni miste perché incrociava le

molecole del DNA, quindi a quel carattere seme rugoso, seme liscio corrispondeva la variante genica.

Questo ha permesso di capire che quel carattere visibile cioè il FENOTIPO (colore occhi, capelli...) a quel

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fenotipo corrisponde un GENOTIPO che è dato dalla variante dalle sequenze di info contenute nelle sue

cellule. Questo ha permesso a Mendel di dire che ci sono caratteri visibili, forniti da altri caratteri presenti

nella piantina e quando vengono incrociati vengono mescolati.

Quindi le molecole, cioè gli acidi nucleici all’interno della cellula che contengono le info per i geni sono

quelle depositarie dell’informazione.

ACIDI NUCLEICI

• DNA (acido deossiribonucleico) molecola depositaria dell’informazione.

• RNA (acido ribonucleico) utilizzate nel funzionamento delle informazioni, sono più dinamiche e labili.

Sono principalmente coinvolte nell’utilizzo dell’info del DNA.

Questi NUCLEOTIDI sono composti da 3 strutture: Zucchero - Base azotata - Gruppo fosfato.

ZUCCHERO

Zucchero con struttura a 5 atomi di carbonio che una volta ciclizzato forma delle molecole ad anello, forma

una figura a pentagono dove contiamo i 5 C. Ogni atomo di carbonio ha delle caratteristiche peculiari, ad

esempio nella molecola di DNA a livello dell’atomo di carbonio numero 2, questo lega un solo atomo di

HIDROGENO mentre nel RIBOSIO (RNA) troviamo legato un gruppo OH (OSSIDRILE), quindi la molecola del

ribosio dell’RNA è leggermente diversa dal ribosio presente sul DNA, è sempre uno zucchero a 5 atomi di

carbonio, ma quello del Ribosio presenta un gruppo OSSIDRILE, mentre quello del DNA presenta solo

l’atomo di HIDROGENO infatti lo zucchero del DNA si chiama DEOSSIRIBOSIO cioè RIBOSIO SENZA GRUPPO

OSSIDRILE. Gli enzimi che costituiscono le nostre cellule sono in grado di riconoscere il ribosio dal

deossiribosio e anche grazie a queste caratteristiche si può riconoscere il DNA dall’RNA.

L’atomo del CARBONIO 1 si legherà sempre la BASE AZOTATA, che costituisce gli acidi nucleici, mentre il

CARBONIO 5 legherà il GRUPPO FOSFATO.

BASI AZOTATE

BASI AZOTATE perché hanno un comportamento basico conferito dalla grande quantità di atomi di azoto(N)

che costituiscono gli anelli di basi azotate.

Possiamo avere delle BASI AZOTATE dove i 2 anelli sono fusi tra loro (PURINE), oppure la molecola è

formata da 1 singoli anello (PIRIMIDINE).

PURINE: ADENINA e GUANINA

PIRIMIDINE: CITOSINA(DNA-RNA), TIMINA(DNA) e URACILE (RNA) (nell’RNA l’URACILE sostituisce la TIMINA

del DNA). 3

Nel DNA le quantità delle basi G è sempre uguale a quella di C e la quantità di A è sempre uguale a quella di

T, la quantità delle basi puriniche è uguale a quella delle basi pirimidiniche. La composizione in basi del

DNA, definita come percentuale G+C differisce nelle varie specie (dal 22 al 73%) ma è costante in tutte le

cellule di un organismo.

GRUPPO FOSFATO

Gruppo che costituisce il Nucleotide, formato da 1 atomo di FOSFORO al centro legato a 4 molecole di

OSSIGENO. Il GRUPPO FOSFATO ha tante cariche negative che conferiscono al gruppo fosfato cariche

negative nette.

NUCLEOTIDE COMPLETO

Formato dallo ZUCCHERO, in questo caso deossiribosio(DNA), sul C1 abbiamo legata la BASE AZOTATA, in

questo caso la CITOSINA e sul C5 abbiamo legato i GRUPPI FOSFATO. Una caratteristica peculiare dei

nucleotidi è che possiamo trovare 1(alfa),2(beta)e 3(gamma) fosfati.

Il nucleotide completo quindi può essere:

NUCLEOSIDE: Zucchero + base azotata.

NUCLEOSIDE MONOFOSFATO: Zucchero + base azotata + 1 fosfato(alfa)

NUCLEOSIDE DIFOSFATO: Zucchero + base azotata + fosfato alfa + beta

NUCLEOSIDE TRIFOSFATO: Zucchero + base azotata+ fosfato alfa + beta + gamma.

A seconda del numero dei gruppi fosfato la molecola può avere più o meno energia, la massima energia

l’abbiamo quando abbiamo tutti e 3 i gruppi fosfato. (trifosfato)

Ad esempio l’ATP, che può avere una funzione sia energetica che strutturale. Per sintetizzare il DNA, si

utilizzeranno i nucleotidi con molta energia, quindi trifosfati

NOMENCLATURA 4

STRUTTURA DEL DNA

Il DNA è formato da 2 catene che si avvolgono su se stesse a formare un a-elica. CATENA POLINUCLEATA.

Il nucleotide come è legato per formare una catena?

I nucleotidi possiamo immaginare DEPOLIMERIZZATI o POLIMERALIZZATI.

DEPOLIMERIZZATO: Quando il nucleotide è da solo.

POLIMERALIZZATA: Quando i nucleotidi sono uniti tra loro (come delle perle), andando a formare una

struttura allungata, quindi è prevista la formazione di un legame molto forte tra i 2 nucleotidi questo

avviene grazie ad un legame covalente FOSFODIESTERE (per formare il legame fosfodiestere è necessario il

nucleotide trifosfato)

Quando polimerizzo, l’aggiunta del nuovo nucleotide va verso una sola direzione. Nel caso del DNA che è

composto da un doppio filamento in cui i nucleotidi sono associati tra di loro, troverò un filamento

complementare(opposto), perché i 2 filamenti che interagiscono non sono strutturati a caso, perché al

nucleotide GUANINA sul filamento corrisponde il nucleotide CITOSINA (quindi questi si riconoscono).

Il filamento complementare è orientato in direzione opposta rispetto al filamento +.

Caratteristiche DNA:

- I 2 filamenti nascono dalla polimerizzazione dei nucleotidi per formazione dei legami fosfosdiestere

- I 2 filamenti sono tra loro complementari, a un certo nucleotide su un filamento corrisponde sempre e

solo un nucleotide sull’altro filamento.

- I 2 filamenti sono tra loro antiparalleli cioè orientati in direzione opposta, cioè l’estemità della molecola

dove possiamo aggiungere 1 nucleotide guardano in direzione opposta.

- I nucleotidi che si trovano sui filamenti interagiscono, con una interazione formata da ponti HIDROGENO,

quindi con un legame debole ed è possibile separare i 2 filamenti rompendo questi legami.

TIMINA-ADENINA 2 legami H mentere CITOSINA- GUANINA 3 legami H

Come si forma il legame FOSFODIESTERE?

Prima della formazione del legame tutti e tre i gruppi fosfato sono legati al nucleotide che dobbiamo

polimerizzare. Per formare il le game fosfodiestere, si viene a formare un legame tra il gruppo ossidrile

presente in posizione 3 sull’estremità della catena del DNA già preesistente.

Immaginiamo di avere una collana al quale vogliamo aggiungere una perla(NUCLEOTIDE), l’aggiungiamo

dove è presente il gruppo OH in posizione 3, che si lega formando un legame covalente con il fosfato alfa,

quando questo avviene i 2 gruppi fosfato beta e gamma si staccano e vengono rimossi e questi due

prendono il nome di PIROFOSFATO (PPi).

Si chiama fosfo-diestere perché ci sono 2 legami esteri e tra questi 2 legami troviamo il gruppo fosfato alfa.

Il PIROFOSFATO liberato, successivamente viene idrolizzato(staccato) dalle esterasi in fosfato inorganico

(gruppo fosfato da solo), liberando ulteriore energia, ed è per questo anche che possono essere aggiunti

solo nucleotidi trifosfato. 5

Watson e Crick, per primi hanno capito che le 2 molecole del DNA erano disposte in maniera

complementare ed antiparallela a formare un a-elica destrorsa (verso destra).

3’ e 5’ corrispondono ai carboni e alla direzione di scrittura del filamento del DNA.

Nella struttura del DNA troviamo un solco maggiore e un solco minore. Nel solco maggiore troviamo

maggiore accessibilità per le proteine, mentre nel solco minore abbiamo minore accessibilità.

Perché la TIMINA si lega all’ADENINA e la CITOSINA alla GUANINA?

Abbiamo sempre il legame tra una PIRAMINDINA (2 anelli fusi) e una PURINA (1 anello).

Ecco perché il DNA ha sempre un diametro regolare, per via del legame tra PIRIMIDINA

e PURINA.

Le basi azotate le troviamo nella parte centrale della molecola del DNA, esternamente invece troviamo il

deossiribosio e i gruppi fosfato, difatti esternamente la molecola è carica negativamente. Quindi è al suo

interno che cambia le caratteristiche ed è meno accessibile.

Le interazioni delle basi azotate sono deboli e in determinati casi come ad esempio calore, formammide ed

enzimi (ELICASI) possono essere dissociati/separati. Questa capacità di dissociarsi di conseguenza permette

di associarsi al suo partner interagendo con una sequenza complementare e questo guida il processo di

replicazione e trascrizione del DNA.

Quindi posso separare i 2 filamenti (MELTING), successivamente questi filamenti posso riassociarsi. Il ri-

appaiamento può creare molecole ibride. (VARIANTI) 6

VARIANTE: Quando l’info contenuta nel suo genoma (RNA o DNA) è cambiata, viene sostituito una base

azotata del nucleotide con un’altra, quindi la struttura di base è la stessa però cambia l’informazione che

può portare alla produzione di proteine differenti.

Il vaccino Pfizer contro il Covid-19, all’interno di una sfera fosfolipidica che può entrare nella cellula, ci

mette una sequenza di RNA scritta da loro, prendendo un pezzo del virus e mettendo all’interno delle

nostre cellule un info dell’RNA di questo virus, e questa informazione all’interno delle nostre cellule porterà

alla formazione di proteine che il nostro sistema immunitario riconoscerà e produrrà anticorpi contro quella

proteina.

L’info nelle nostre cellule è conservata sotto forma di DNA. La selezione naturale ha selezionato il DNA e

non RNA perché è la molecola più stabile! L’RNA è più labile con una vita breve.

La struttura tridimensionale della molecola del DNA può cambiare in altre conformazioni: DNA A-B-Z. Il DNA

B (quello con un solco maggiore e minore) è quello che siamo soliti a vedere.

Nella conformazione DNA A, la struttura è più compatta con il solco maggiore più piccolo quindi è meno

accessibile alle proteine. Presente nell’RNA a doppio filamento.

DNA con conformazione A- B sono ruotate ve