Appunti di Biologia animale e vegetale

MAJOR GROOVE E MINOR GROOVE

In questa struttura si possono individuare dei solchi, che si chiamano major groove e minor groove, in italiano

solco maggiore e solco minore.

- Il minor groove, solco minore: lo possiamo concepire come quella specie di spazio che si crea quando

un’elica gira da un lato e l’altra gira dall’altro lato e formano questa specie di X.

Questi solchi sono il punto importantissimo in cui il DNA interagisce con le altre molecole, soprattutto con le

proteine: sono i siti di legame per le proteine, perché il DNA è una struttura che non troviamo quasi mai

libera, ma interagisce con le proteine, quindi l’interazione avviene a livello dei solchi. Con che proteine

interagisce? Ci sono due funzioni diverse:

- Struttura della cromatina: cioè il DNA interagisce con delle proteine che facilitano l’avvolgimento di

questa molecola complessa. Avvolgimento significa che deve occupare meno spazio possibile, quindi

deve essere ripiegata su se stessa, ma questo avvolgimento non può essere spontaneo, ma deve

essere guidato da proteine che interagiscono con il DNA.

- Regolazione dell’espressione genetica: ovunque prendiamo le cellule

nel nostro corpo, queste avranno lo stesso DNA, ma poi si differenziano

e danno funzioni e aspetti diversi. Questo si ottiene perché in un

tessuto, organo, distretto vengono prodotte alcune proteine, in un altro

distretto ne verranno prodotte delle altre, ma i DNA restano uguali.

Tutto ciò è possibile regolando l’espressione genica, cioè facendo sì che

il processo di trascrizione e traduzione avvenga per determinate

proteine in un organo e per altre proteine in un altro organo. È

necessario che il DNA interagisca con dei fattori di regolazione che

bloccano il DNA dal fare la sintesi proteica oppure che lo stimolano;

siccome si tratta di proteine, queste devono interagire con il DNA e lo

fanno sempre all’interno di questi solchi.

Quindi da un lato i solchi sono essenziali per l’interazione di

superavvolgimento, ma molto importante anche la regolazione

dell’espressione genetica, cioè il processo che parte dal genoma e porta

alla proteina o al metabolita. Nel minor

groove o major groove queste proteine

non trovano gruppi OH alcolici, perché

lo zucchero e il desossiribosio, che in 1

ha l’azoto della base azotata, in 2 non

ha l’OH, in 3 ha l’OH impegnato nel

fosfodiestereo, in 4 l’OH è andato a

formare il ciclo e in 5 c’è il

fosfodiestereo: quindi gruppi OH liberi

non ce ne sono, quello che trova la

proteina nei solchi sono i gruppi fosfato. Quindi qual è l’interazione tra queste proteine e il DNA? Interazione

di tipo IONE-IONE. Quindi le proteine che vogliono interagire con il DNA devono essere ricche di amminoacidi

basici, così si caricano positivamente e interagiscono con il – dei gruppi fosfato, quindi è un’interazione ione-

ione.

ISTONI E NUCLEOSOMA La prima interazione che fa il DNA è con le proteine che si chiamano

istoni, è la prima organizzazione di superavvolgimento. Gli istoni sono

piccole proteine ricche di amminoacidi basici che formano un

ottamero e intorno a questo ottamero si avvolge il DNA, formando

una struttura che si chiama NUCLEOSOMA. Un ottamero di istoni ha

146 basi avvolte intorno. A cosa serve? Serva a occupare meno spazio,

perché avvolgiamo la doppia elica attorno al nucleosoma. Si crea il

DNA linker, che sarebbe il DNA non avvolto nel nucleosoma, ma è

molto meno delle basi avvolte (circa 60 basi tra un nucleosoma e l’altro). Questo ha una doppia funzione:

riduce lo spazio quindi è propedeutico al superavvolgimento, ma ha anche la funzione di regolare la lettura.

Ad un certo punto dal DNA vogliamo sintetizzare RNA: la prima cosa che dobbiamo fare è sciogliere il

rocchetto del nucleosoma per leggere il DNA. Quindi poiché per leggere il DNA c’è bisogno che sia aperto,

l’avvolgimento intorno al nucleosoma ha sia funzione di occupare meno spazio, ma anche la funzione di

regolare l’espressione genica, perché se io riesco a regolare questo srotolamento regolo l’espressione genica.

Qui vediamo gli istoni che costituiscono l’ottamero, e si

chiamano istoni: H3, H4, H2A, H2B, che presi due volte

danno l’ottamero. Se io voglio regolare l’avvolgimento e

lo svolgimento, ho bisogno di un altro istone, che si

chiama istone H1. È un istone a parte che funge da

collante, e blocca tutto; se togliamo l’H1 il nucleosoma si

svolge. Quindi il vero istone regolatore è l’H1, perché gli

altri 4 servono solo da base per l’avvolgimento. Quando

noi decidiamo di trascrivere il pezzo di DNA che è super

avvolto in un ottamero, devo staccare l’H1 e quello si scioglie: infatti si chiama legame di tipo cooperativo, è

tutto dipendente dall’H1, se togliamo l’H1 si srotolano tutti gli altri. Il legame con l’istone H1 è regolato da

un’acetilazione e deacetilazione: quando l’istone H1 si deve sciolgiere, questo viene acetilato (leghiamo il

CH3-C=O) e l’H1 si stacca, quindi tutto il DNA attorno al nucleosoma si apre, c’è un enzima ad hoc che si

chiama istoneacetil-transferasi. Perché l’acetilazione? Perché

l’acetilazione va a bloccare i gruppi amminici, che diventano ammidi se

leghiamo l’acetile, e quindi non interagiscono più con il DNA. Infatti in

tutti negli istoni ci sono 213 amminoacidi, di cui il 20% sono basici, e

nell’istone H1 la lisina è il più abbondante, con un rapporto di 20:1 con

l’arginina. Quindi su 40 amminoacidi 36 lisine e 4 arginine circa. Quindi

chi è che viene acetilata? La lisina. Ci sono diversi farmaci antitumorali

che puntano al blocco dello srotolamento dei nucleosomi per bloccare la replicazione del DNA, quindi l’istone

è un bersaglio delle terapie antitumorali.

CROMATINA

L’organizzazione complessa del DNA prende il nome di cromatina, quindi con il nome di cromatina si intende

un qualche cosa che si vede al microscopio come DNA condensato. A livello di microscopio si dividono due

tipi di cromatine: la eucromatina e la eterocromatina. Hanno intensità di colore diversa, la eucromatina è

meno condensata e appare più chiara al microscopio, la eterocromatina è più condensata. Questo significa

che c’è qualche tratto del DNA che viene poco srotolato, quindi il tratto di eterocromatina è un tratti che non

viene letto, non viene tradotto, non diventa proteina, invece la eucromatina è quella in cui è più intensa

l’attività di passaggio dal DNA all’RNA. C’è una parte del DNA che codifica molto poco per le proteine. La

struttura che ci interessa è quella con i vari nucleosomi spaziati tra loro. A questo punto ci sono due modi in

cui si impaccano i nucleosomi.

- A solenoide

- A zig-zag

Si tratta sempre di nucleosomi di spaziatori che

raggiungono livelli di organizzazione superiore. Quindi

l’interazione con gli istoni ha creato queste specie di

monete, che ora possono essere “piegate” in due modi in

modo tale da occupare meno spazio possibile. Questi due

livelli costituiscono il livello successivo. A questo punto la

sezione del cromosoma si ripiega su sé stesso e diventa una catena polinucleotidica volta a proteine tutta

intrecciata, e si chiama cromatina. Ha occupato il minore spazio possibile perché ha creato degli elementi

rigidi, che sono i nucleosomi, che vengono orientati in maniera strategica, in modo da occupare meno spazio

possibile (a solenoide o a zig-zag).

CROMOSOMA

Questo che poi si verifica è la costituzione finale del cromosoma, che è l’intero gruppo costituito da una

catena 3’-5’ e una catena 5’-3’, ovviamente a doppia elica, compattate e ripiegate in questo modo. Quindi

ciascun cromosoma contiene circa alcune centinaia di milioni di basi, in totale, poiché nel nostro DNA non

c’è un solo cromosoma, nell’uomo ci sono circa 3 miliardi di basi. Il 20% di queste basi è associato a geni, cioè

si può individuare un genoma, quindi sono stati individuati circa 25000 geni, però solo il 6% di questo 20%

codifica, le altre sono sequenze regolatorie della trascrizione, che si chiamano introni. Il 6% del 20% è 1.2%,

cioè pochissimo, che codifica per geni, il resto del 20% è DNA di regolazione. L’80% viene chiamato DNA

extragenico. Quindi quelli che codificano si troveranno nell’eucromatina, perché lì c’è l’attività di trascrizione;

quelli che non codificano si troveranno nell’eterocromatina. Questi possono codificare per proteine

regolatorie, RNA transfer ed RNA ribosomiale. Nel nucleo c’è il nucleolo, che contiene il DNA che codifica per

l’RNA. I ribosomi si riciclano, quindi non è che quella parte del nucleo è ad intensa attività di trascrizione. C’è

una parte del DNA di questo 80% di cui non sappiamo a che serve, e non escludiamo che non serva a niente.

Da dove lo prendiamo questo che non serve a niente? Ogni volta che incontriamo un DNA esterno (con

l’alimentazione, con le infezioni) noi possiamo introdurre nel nostro genoma una parte di DNA, ma questo

non significa che diventa DNA che viene tradotto, trascritto e diventa proteine. Quindi questo DNA potrebbe

derivare dalle interazioni che abbiamo avuto con altri DNA. I cromosomi sono l’organizzazione

tridimensionale che risulta dalla forma che si ottiene alla fine

di questo ripiegamento e superavvolgimento. Nel caso dei

procarioti è presente un singolo cromosoma, quindi nel caso

dell’uomo è presente più di un cromosoma, ma nel caso dei

procarioti ce n’è uno solo. Fatto un confronto tra le

dimensioni di escherichia coli, che sarebbe il puntino, tutto

quello intorno è la dimensione del suo DNA. Come è possibile

ciò? Con il super avvolgimento grazie al quale viene compattato. I procarioti, a parte il DNA di questo singolo

cromosoma, (che ha due caratteristiche: è a doppia elica ma è circolare) contiene un altro DNA circolare, che

si chiama plasmide. Questo plasmide è di cruciale importanza, perché questo è un piccolo tratto di DNA

sempre circolare, che al limite può derivare dal DNA perché separato da esso, e può essere trasmesso da una

specie all’altra; cioè è un DNA che i procarioti fanno uscire dalla cellula e danno ad un’altra specie che lo

ingloba. I procarioti non hanno il nucleo quindi deve solo uscire dalla cellula. La resistenza è una modifica che

il batterio fa nel proprio DNA. Se io do un antibiotico a un batterio e quello sviluppa la resistenza