Appunti di Biochimica generale

DNA.

- Impilamento delle basi: una coppia di basi è parzialmente impilata con la successiva ruotata di 36°. Gli

anelli sono impilati l’uno sull’altro in modo sfalsato, dando origine a interazioni elettrostatiche di tipo

quadrupolo-quadrupolo.

- Interazioni idrofobiche: i due filamenti di DNA sono altamente solvatati, ma quando si riconoscono in

maniera antiparallela, si ha espulsione di acqua con l’aumento dell’entropia dell’acqua e la diminuzione

dell’entropia conformazionale del DNA a singolo filamento, che sfavorisce il processo di naturazione.

- Interazioni ioniche lo scheletro zucchero – fosfato è carico negativamente, di conseguenza, fra un legame

fosfodiesterico e quello successivo, è presente una repulsione elettrostatica. Si ha che nel DNA a doppia

elica, le due cariche negative saranno più vicine rispetto a quelle presenti nel DNA a singolo filamento.

Aumentando la concentrazione degli ioni Li+, Na+ e K+, questi entrano nel guscio di solvatazione e

stabilizzano il DNA a doppia elica perchè le cariche negative sono più vicine fra loro, mascherandole in

maniera non specifica.

- Effetto degli ioni bivalenti: gli ioni Mg++ e Mn++ hanno un forte effetto stabilizzante perchè vanno a formare

dei complessi cin gli ossigeni dei legami fosfodiesterici consecutivi, si tratta di un mascheramento

specifico delle cariche negative del DNA; mentre agli estremi di pH si ha la destabilizzazione della

molecola di DNA perchè si ha un indebolimento dei ponti idrogeno all’interno del filamento.

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- Cooperatività: l’appaiamento delle basi su filamenti diversi favorisce l’appaiamento delle basi successive.

La cooperatività stabilizza il DNA a doppia elica e determina l’impossibilità di rinaturare il DNA totalmente

srotolato, in quanto occorre che si formi l’appaiamento iniziale giusto.

La struttura terziaria del DNA è caratterizzata da superavvolgimenti. Nei procarioti, il DNA è circolare e può

esistere sia in forma rilassata, senza avvolgimenti, oppure in forma superavvolta, sia in senso positivo sia in senso

negativo.

Il DNA ha due diversi tipi di isomeri, detti topoisomeri che si creano in seguito a nodi o avvolgimenti sbagliati della

molecola:

- Topoisomeri equivalenti: possono essere convertiti l’uno nell’altro in maniera abbastanza equivalente

senza rompere o formare legami fosfodiesterei

- Topoisomeri non equivalenti: per passare da uno all’altro si deve rompere e riformare almeno un legame

fosfodiesterico.

La conversione da un topoisomero all’altro avviene grazie all’azione di enzimi, le topoisomerasi di tipo 1 che

tagliano un solo filamento DNA e non usano ATP; e di tipo 2 che tagliano 2 filamenti di DNA e usano una molecola

di ATP per catalizzare le varie reazione (nei batteri si chiamano girasi).

In questo modo, si srotola il DNA di un giro d’elica perchè gli enzimi catalizzano lo srotolamento dell’elica, ma

anche l’avvolgimento. L’enzima agisce su un DNA dove alcuni giri sono stati srotolati, fa passare il filamento intatto

attraverso il sito di taglio e poi ricuce il filamento iniziale, riarrotolando l’elica. Il grado di riavvolgimento può essere

modificato da intercalatori (etidio bromuro), che possono posizionarsi tra una coppia di basi e la successiva; per

esempio, se normalmente si hanno 10 coppie di basi per turn, con gli intercalatori si arriva ad averne 36. In questo

modo, si altera il riconoscimento della sequenza per gli enzimi che devono agire su quest’ultima .

La struttura quaternaria del DNA assume forme diverse in base al tipo di organismo:

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- Procarioti: il DNA ha una forma circolare quando è rilassato, per questo il suo diametro deve essere

inferiore rispetto a quello della cellula, mentre quando è superavvolto le dimensioni efficaci sono molto

diverse. Nei batteri, per esempio, il fattore di compattazione (rapporto fra DNA completamente esteso e

DNA compatto dentro la cellula) è di 750 volte e si formano dei nucleoidi, complessi formati da DNA e

proteine simili agli istoni.

- Eucarioti: il diametro di una cellula eucariote è pari a circa 20 μm, mentre il nucleo ha diametro di circa 5

μm. Il genoma umano è formato da 23 coppie di cromosomi, ciascuno dei quali ha 1,3*10 coppie di basi

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distanziate fra loro di 3,4 A, ottenendo 43mm di lunghezza per cromosoma, ripetuti per 46 cromosomi. Si ha

una lunghezza totale di 2 m circa e, per questo, il DNA deve essere necessariamente impaccato tramite un

fattore di 4*10 .

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Si ottiene che il grado di compattazione del DNA è molto elevato, grazie alle proteine istoniche (basiche a pH

fisiologico), che, interagendo, formano dei complessi molto compatti in modo che tutta la molecola di DNA riesca

ad essere contenuta all’interno del nucleo.

Infatti, il DNA a doppia elica si avvolge in senso sinistrorso:

1. a un nucleo istonico (nucleo proteico)

2. si formano delle fibre con un diametro di circa 10 nm

3. si avvolgono ulteriormente in delle fibre con un diametro di circa 30 nm

4. si formano dei loop (anse) con 75.000 coppie di basi

5. 6 loop formano una rosetta

6. 30 rosette formano un gomitolo

7. 10 gomitoli formano un cromatide

8. i due cromatidi si uniscono e formano un cromosoma

L’avvolgimento del DNA è possibile grazie a 4 coppie di istoni che formano il nucleosoma (ottamero) a cui il DNA

si avvolge, insieme all’istone H1 che sigilla il nucleosoma, formato da circa 200 coppie di basi. Gli istoni hanno un

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punto isoelettrico molto elevato, superiore a 11/11,5 e sono estremamente ricchi in arginine e lisine, quindi sono

ricchi di proteine estremamente basiche.

Fattori che favoriscono la trascrizione

Il DNA è il depositario dei caratteri genetici che si trasmettono da una generazione a quella successiva. All’interno

del DNA è contenuta sia l’informazione genetica, che passa tramite la duplicazione cellulare, sia quella

epigenetica che passa da una generazione a quella successiva; questa non è codificata dal DNA ma si realizza

attraverso delle modifiche chimiche sul DNA.

Per far in modo che un gene venga trascritto, è necessario che quel gene sia il più possibile accessibile, in

particolare alla RNA polimerasi, per sintetizzare il filamento stampo di mRNA che poi va dai ribosomi per la sintesi

proteica. Per rendere accessibile un gene, bisogna srotolare quella specifica regione di DNA, ma delle modifiche

agli istoni possono permetter lo srotolamento in maniera più o meno facile per un gene. Infatti, più probabile è la

reazione di trascrizione, maggiore sarà il numero di copie di RNA messaggero corrispondente a quel gene che

verranno prodotte e, più copie di mRNA ci sono, maggiore sarà il numero di copie di quella proteina che verranno

prodotte e quel gene verrà espresso di più.

Esistono, quindi, dei fattori che favoriscono o non favoriscono la trascrizione dei geni:

- Metilazione su lisine e arginine:sfavoriscono la trascrizione perchè i gruppi metilici sono elettrondonatori,

rendendo l’azoto metilato più basico, aumentando l’interazione elettrostatica fra l’istone e il DNA.

- Fosforilazione delle serine: questo processo forma un fosfoestere, introducendo una carica negativa. Di

conseguenza, si ha la repulsione elettrostatica fra la carica negativa del DNA e del fosfoestere, favorendo

l’esposizione del gene.

- Acetilazione delle lisine: favorisce la trascrizione. Se si acetila il gruppo amminico, scompare la carica

positiva e l’ammina diventa un ammide, che non è basica. Quindi, la forza di interazione fra istoni e DNA

sarà minore perchè l’istone è meno carico negativamente perchè l’acetilazione destabilizza il complesso

istone – DNA rendendo più facile l’esposizione di quella regione che poi viene trascritta.

- Metilazione delle citosine: favorisce la trascrizione perchè la stabilizza la forma Z del DNA, inducendo una

modifica conformazionale associata alla destabilizzazione del complesso istone - DNA

- Più l’istone è carico positivamente, maggiore è la forza elettrostatica fra gli istoni positivi e il DNA negativo

e, di conseguenza, il DNA diventa meno esposto alle macchine molecolari che procedono con la

trascrizione (mRNA) e quindi la trascrizione di quel gene avviene meno.

Tutte le modifiche che avvengono vengono dette codice istonico. Per questo, si possono avere cellule con lo stesso

genoma, ma con il proteoma diverso, ossia l’insieme delle proteine che vengono prodotte base alle funzioni che la

cellula specializzata deve svolgere.

RNA

Avendo lo zucchero con un OH in più, l’RNA non può avere una struttura a doppia elica perchè presenta un

ingombro sterico fra l’OH in posizione C2’ del ribosio e il metile in posizione C5’ del ribonucleotide successivo

(tranne nell’RNA transfer). Si tratta, inoltre, di una molecola poco stabile in acqua a pH fisiologico e a temperatura

fisiologica rispetto al DNA; ma per le funzioni che deve svolgere, in quanto copia una piccola porzione di DNA per la

trascrizione e la traduzione per produrre le proteina. Dopo che la proteina è stata prodotta, la presenza dell’RNA

messaggero all’interno della cellula è inutile e, quindi, viene facilmente smantellato.

L’RNA si idrolizza facilmente attraverso una catalisi basica e rimane la forma O- che va ad attaccare il fosforo,

rompendo il legame fosfodiesterico e formando una struttura ciclica con il fosfato in posizione C2’ o C3’, perchè

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l’OH richiama densità elettronica dal fosforo per effetto induttivo. La forma ciclica si può aprire grazie all’attacco di

una molecola d’acqua.

Esistono diversi tipi di RNA:

RNA messaggero

Negli eucarioti, nel DNA i geni sono monocistronici, ossia viene prodotto un solo RNA messaggero che codifica per

una sola proteina. Mentre nei procarioti, i geni sono policistronici, la cui trascrizione genererà un RNA messaggero

con all’interno più geni che codificano per più proteine.

RNA transfer

I tRNA sono a forma di L, con una regione a doppia elica e nell’estremità 3’ una regione a singolo filamento molto

flessibile. Servono per trasportare l’amminoacido corrispondente al ribosoma, dopo che ha letto la sequenza

dell’RNA messaggero, reclutando l’amminoacid-t-RNA corrispondente a ogni colon. Quindi, ogni amminoacido ha

il suo specifico t-RNA.

La catena si svolge dall’estremità 5’ fino a 3’ che termina con la CCA, una tripletta caratteristica. L’amminoacido

viene legato con un legame estereo fra il gruppo carbossilico dell’amminoacido e l’OH in C2’ o C3’ del ribosio nella

parte terminale. Presenta lo stelo-accettore nella subunità maggiore del ribosoma, me