Appunti di Biologia e genetica (parte 2)

Duplicazione del DNA

Una volta aperti i filamenti, la DNA polimerasi riesce a duplicare i filamenti anche se ha diversi limiti: non può sintetizzare il DNA dal nulla, ha bisogno di un punto di partenza: gli inneschi (tratti di RNA che vengono sintetizzati copiando le prime basi dei filamenti all'origine della replicazione - quando apro i filamenti, un enzima RNA primasi copia le basi del DNA in piccoli tratti RNA complementari). Riesce ad aggiungere nucleotidi al 3' di un filamento: sintetizza il DNA solo in direzione 3' 5' perché aggiunge nucleotidi solo al 3' (può provocare errori di appaiamento). Agisce tramite la presa di un nucleotide e agganciamento con un filamento già in crescita lavorando per complementarietà di basi. La DNA polimerasi copia un filamento di DNA sintetizzandolo in direzione 3' 5' perché deve essere complementare a quello che lei sintetizza. Però l'altro filamento è uguale alla

direzione del filamento già esistente, per cui sintetizza andando all’indietro (rispetto alla forcella), ma l’elicasi ha già aperto i filamenti dall’altra parte. Il problema si risolve grazie ai frammenti di Okazaki: la polimerasi torna indietro e fa dei pezzi di inneschi, sintesi discontinua del DNA su questo filamento (chiamato filamento ritardato), ci vuole molto più tempo a duplicarlo perché l’RNA polimerasi deve continuare a staccare pezzi e attaccarli. Nelle cellule eucariote il DNA è tutto chiuso e non c’è ne inizio né fine. Noi invece abbiamo un inizio e una fine del filamento, chiamati telomeri. Quando il DNA è copiato, si verifica il problema dei telomeri: la DNA polimerasi non può partire da zero e parte quindi dai punti di innesco. Questo però viene tolto finita la replicazione (occupato prima da DNA polimerasi) lasciando un buco nei telomeri, ecco che ad ogni ciclo di replicazione, icopia il resto del cromosoma. La telomerasi è attiva principalmente nelle cellule germinali e nelle cellule staminali, che hanno la capacità di autorigenerarsi. Nei tessuti somatici, invece, l'attività della telomerasi è generalmente bassa o assente, il che contribuisce all'invecchiamento e alla morte cellulare. I telomeri svolgono un ruolo importante nella stabilità del genoma. Proteggono i cromosomi dal deterioramento e dalla fusione con altri cromosomi. Inoltre, i telomeri sono coinvolti nel processo di replicazione del DNA, poiché la DNA polimerasi non può copiare completamente l'estremità del cromosoma. L'azione della telomerasi permette di mantenere la lunghezza dei telomeri e di preservare l'integrità del genoma. In sintesi, i telomeri sono sequenze ripetute di nucleotidi che si trovano all'estremità dei cromosomi. L'accorciamento dei telomeri è un segnale di invecchiamento cellulare e può portare alla morte della cellula. La telomerasi è un enzima che può ripristinare la lunghezza dei telomeri, ma la sua attività è limitata nelle cellule somatiche.agganciarsi all'RNA e sintetizzare in direzione 5' 3' per riempire il buco appena formato. La telomerasi avviene nelle cellule germinali perché hanno bisogno di dividersi continuamente (cellule che producono gameti) non possono invecchiare, avviene nelle cellule tumorali (la telomerasi funziona benissimo, quelle cellule vengono riconosciute come normali e continuano a dividersi) l'organismo le riconosce come cellule giovani (circa il 90% dei tumori porta la telomerasi attiva, attiva a causa delle mutazioni). Meccanismi di danno e riparo del DNA e il loro ruolo nella carcinogenesi: - Una sequenza di DNA può subire una modificazione (mutazione) quando vengono copiati errori introdotti dalla DNA polimerasi durante la replicazione o da agenti ambientali quali mutageni chimici o radiazioni. - Se non vengono corretti, questi cambiamenti possono interferire con le funzioni della cellula. - I danni al DNA possono essere riparati da diversi meccanismi. - Tutti i carcinogeni.causano errori nella sequenza del DNA e quindi il danno al DNA egli eventi riparativi sono aspetti importanti nello sviluppo del cancro- I sistemi di riparazione procariotici ed eucariotici sono analoghiProofeading e riparo del DNA Durante la replicazione del DNA viene commesso circa un errore ogni 10⁷ nucleotidi aggiunti, questi errori vengono riparati da meccanismi di riparo che abbassano il tasso di errore a circa una base ogni 10⁹. I meccanismi principali sono:

• Correzione di bozze: corregge gli errori man mano che vengono commessi dalla DNA polimerasi.
• Riparazione dei disappaiamenti: provvede a effettuare una scansione del DNA neosintetizzato correggendo ogni appaiamento sbagliato tra basi.
• Riparazione per escissione: basi anomale formatesi in conseguenza di danni chimici vengono allontanate e sostituite con basi corrette. Un insieme di proteine individuale coppie sbagliate, taglia via uno dei due filamenti di DNA e risintetizza il pezzo mancante, questo meccanismo evita la

contrazione di alcuni tipi di tumore. La polimerasi ha una capacità di autocorrezione, controlla prima di procedere ad aggiungere nucleotidi. Oltre agli errori durante la replicazione ci possono essere anche altre circostanze in cui il DNA viene danneggiato. Subisce modificazioni chimiche (RIPARATE PER ESCISSIONE): - DEPURINAZIONE: perdita spontanea di basi puriniche - DEAMINAZIONE: perdita spontanea di un gruppo amminico (citosina si trasforma in uracile) - DIMERI DI TIMINA: dovuta alle radiazioni solari ultraviolette Diverse malattie sono causate da difetti nella riparazione del DNA: Traduzione: le molecole di RNA vengono usate come guida per la sintesi delle proteine da parte dei ribosomi Il processo di trascrizione Per trascrizione di intende quando sequenze di DNA vengono utilizzati come guida per la sintesi di una molecola di RNA complementare. La trascrizione funziona come la replicazione in quanto: - Comincia con l'apertura e despiralizzazione di un breve tratto della doppia

elica euno dei due filamenti fa da stampo- I ribonucleotidi si aggiungono alla catena di RNA in crescita uno alla volta- La sequenza nucleotidica della nuova catena dipende dalla complementarietà dellebasi- Il nuovo ribonucleotide si lega covalentemente alla catena in crescita

Enzima chiave nella trascrizione è l’RNA polimerasi:

• Catalizza la formazione dei legami fosfodiesterici della catena di RNA
• Avanza lungo il DNA, svolgendone l’elica quel tanto che basta per esporre unaregione del filamento stampo
• La catena si allunga in direzione 5’-3’
• Come energia utilizza i legami ad alta energia dei nucleosidi trifosfati
• Riconosce una sequenza (PROMOTORE) a monte del gene (= vicino al 5’) e vi silega per iniziare la trascrizione.

Nei procarioti, una sola RNA polimerasi trascrive:

• tRNA
• mRNA
• rRNA

Negli eucarioti, tre RNA polimerasi diverse:

• RNA polimerasi 1 trascrive gli rRNA
• RNA polimerasi 2 trascrive geni codificanti proteine e snRNA
• RNA polimerasi 3 trascrive tRNA

alcuni snRNA. Il promotore contiene informazioni che determinano quale dei due filamenti di DNA deve essere trascritto e il sito da cui iniziare la trascrizione. Esiste almeno un promotore per ogni gene. L'RNA polimerasi ha un'affinità relativamente ridotta per qualsiasi sequenza di DNA, ma si lega molto saldamente ed efficacemente all'inizio della trascrizione soltanto a livello dei promotori. Il promotore mostra dove inizia la trascrizione, indica quale filamento di DNA leggere e la direzione da prendere dal sito di inizio. Lega la polimerasi solo in una certa orientazione, così quando l'enzima è posizionato, può trascrivere solo in direzione 5'-3'. La trascrizione avviene in 3 fasi:

1. Inizio: la polimerasi si lega al DNA, legge il filamento stampo e inizia a copiarlo
2. Allungamento: la polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi al 3' del filamento in via di sintesi. Il nuovo RNA si accresce in direzione 5'-3'
3. Terminazione: la polimerasi raggiunge un segnale di terminazione e si stacca dal DNA, completando la trascrizione

Il filamento di RNA è antiparallelo al filamento di DNA stampo. Man mano che la trascrizione va avanti, l'RNA polimerasi riavvolge il segmento di DNA appena trascritto e svolge il successivo.

Terminazione: La fine del gene è caratterizzata da una sequenza nucleotidica chiamata regione del terminatore. In alcuni casi, il trascritto neoformato semplicemente si stacca dal DNA stampo e dall'RNA polimerasi. In altri casi, il distacco richiede l'intervento di una specifica proteina.

Filamento di DNA trascritto (stampo) = filamento non senso

Filamento di DNA non trascritto = filamento senso o codificante, cosiddetto perché, anche se non è coinvolto nella trascrizione, possiede una sequenza nucleotidica identica a quella dell'mRNA.

Struttura del gene eucariotico: I geni eucariotici codificanti proteine hanno delle sequenze nucleotidiche che vengono trascritte, ma non tradotte in sequenze aminoacidiche: gli INTRONI. Gli introni possono variare da 0 fino a 75.

più e possono avere grandezza moltodiversa (100>100000 nucleotidi)- Gli esoni sono sequenze espresse. L’esone comprende la parte codificante gliaminoacidi e le UTR (regioni regolatorie trascritte ma non tradotte) al 5’ e al 3- All’estremità 5’ viene inserito un nucleotide modificato (Cappuccio) che è unaguanosina metilata utile per contribuire alla stabilità dell’mRNA, proteggendo dalladegradazione di nucleasi e a posizionare l’mRNA sul ribosoma per l’inizio dellasintesi proteica.

Differenze con gli eucarioti- Nei procarioti, la traduzione avviene contemporaneamente alla trascrizione. Neglieucarioti, trascrizione e traduzione sono separate spazialmente e temporalmente.- Solo negli eucarioti gli mRNA devono essere modificati dopo la trascrizione(maturazione degli mRNA).- Nei batteri si ritrovano mRNA policistronici (mRNA che contengono l’informazione dipiù geni), negli eucarioti ad ogni mRNA

Corrisponde un solo gene. Tramite SPLICING vengono rimossi degli introni e gli esoni vengono legati insieme a formare un mRNA maturo. Lo splicing avviene nel complesso di splicing o spliceosoma, costituito dal premRNA legato a complessi RNAproteine, noti come snRNP (si legge snurps) (piccole particelle nucleari ribonucleoproteiche), che riconoscono i siti di splicing. Le molecole di RNA che formano gli snRNPs riconoscono il confine I-SonoE dove sono presenti delle sequenze consenso, e che poi partecipano alle reazioni chimiche di taglio e cucitura. Tali RNA funzionano da "enzimi" pur non essendo delle proteine.

Controllo dell'espressione genica

L'espressione genica è un processo selettivo che ha diversi meccanismi di regolazione:

1. Rimodellamento della cromatina: l'attivazione trascrizionale di un gene è accompagnata da decondensazione locale della cromatina che "scopre" il DNA.