DNA e replicazione

LA STRUTTURA DEL DNA

Nel 1953 Watson e Crick formularono il loro modello della doppia elica del DNA.

Chargaff dimostrò che il DNA isolato da cellule diverse di una data specie mostra la

stessa percentuale di ognuna delle quattro basi (A, G, C, T) e che la percentuale non

varia in individui e tessuti diversi, o al variare dell’età, dello stato nutrizionale o

dell’ambiente. Ma la più importante osservazione fatta da Chargaff fu la scoperta che,

per ogni campione di DNA esaminato, il numero delle adenine è uguale al numero

delle timine (A = T) e il numero delle guanine è uguale a quello delle citosine (G = C).

Ciò significa che il numero delle purine è uguale a quello delle pirimidine (A + G = C =

T).

I due filamenti sono tenuti uniti da legami idrogeno fra le basi opposte. Inoltre, i

solo quando si

legami idrogeno che stabilizzano la doppia elica sono massimizzati

formano fra la base adenina (A) di un filamento e la base timina (T) dell’altro, o la

base guanina (G) da una parte con la base citosina (C) dall’altra . Ciò significa che la

sequenza delle basi di un filamento determina quella del filamento opposto; i due

filamenti della doppia elica sono quindi definiti complementari l’uno rispetto all’altro.

Il DNA forma al suo esterno due solchi di diverse dimensioni chiamati

solco maggiore e solco minore.

Inoltre, il DNA presenta un orientamento antiparallelo del filamento

(5’3’ e 3’5’); i legami fosfodiesterici che uniscono il carbonio 5′ di

un nucleotide al carbonio 3′ del nucleotide adiacente, hanno

opposto

orientamento nei due filamenti di DNA. L’opposto orientamento dei due

filamenti è una caratteristica che ha implicazioni importanti sia per la replicazione sia

per la trascrizione del DNA. 2

In condizioni particolari esistono altre due

A Z.

strutture dette e La struttura A non esiste

in vivo e corrisponde alla molecola disidratata

ed è più compatta. Contiene 11 basi per giro,

presenta un diametro di 2,4 nm ed un passo di

2,6 nm. La struttura Z è un’elica sinistrorsa con

lo scheletro che presenta un andamento

ondulato (Z= Zig-zag). Contiene 12 basi per

giro, presenta un diametro di 1,8 nm ed un

passo di 3,7 nm. Questa struttura si può formare

in brevi tratti costituiti da una alternanza delle

basi G e C ripetute più volte.

Appaiamenti tra basi del DNA

Basi puriniche: Adenina e Guanina (strutture molecolari a due anelli: più

 ingombranti)

Basi pirimidiniche: Timina e Citosina (strutture molecolari a un anello: meno

 ingombranti)

Per ingombro sterico, complementarità, e formazione di legami a idrogeno, nel

 DNA le basi si appaiano secondo le coppie Adenina-Timina (due legami a

idrogeno) e Citosina-Guanina (tre legami a idrogeno) 2

NEI PROCESSI DI REPLICAZIONE E

RIPARAZIONE DEL DNA COOPERANO

NUMEROSE PROTEINE

Il principio fondamentale: l’appaiamento delle basi

azotate su un filamento stampo

In questa rappresentazione schematica un breve tratto di DNA disteso forma una struttura

che ricorda una scala. Le aste della scala e i pioli rappresentano rispettivamente gli scheletri

zucchero-fosfato dei due filamenti di DNA e le coppie di basi azotate. Le quattro basi sono

rappresentate da forme geometriche diverse; i filamenti di DNA presenti nella molecola

madre sono rappresentati in blu scuro, mentre il DNA di nuova sintesi è colorato in azzurro.

Nella cellula madre, il DNA deve essere replicato

(cioè duplicato) perché, dopo la mitosi, ciascuna

delle cellule figlie generate riceva una copia di

DNA, uguale a quello posseduto dalla cellula

madre.

Il modello di Watson e Crick prevede che la

replicazione di una doppia elica determini la

formazione di due molecole figlie, ognuna

costituita da un filamento parentale, derivato

dalla molecola madre, e da uno di nuova sintesi.

Questo modello semiconservativo si distingue

modello conservativo

dal di replicazione,

secondo cui i due filamenti parentali si 2

ricongiungerebbero in una fase successiva al processo di duplicazione (ossia, la

molecola parentale verrebbe conservata). Secondo un terzo modello, noto come

modello dispersivo, tutti i filamenti di DNA ottenuti dalla replicazione sarebbero

costituiti da una miscela di filamenti “nuovi” e “vecchi”

IMPACCHETTAMENTO DEL DNA

Impacchettamento del DNA nei procarioti

L’organizzazione del cromosoma procariota è molto simile a quella del cromosoma

eucariota. I genetisti che studiano i batteri si riferiscono quindi alla struttura che

contiene il principale genoma batterico, indicandola come cromosoma batterico.

I cromosomi batterici

I batteri possono possedere uno o più cromosomi sia lineari sia circolari; la

disposizione più comune, tuttavia, è una singola molecola di DNA circolare a doppio

filamento legata a piccole quantità di proteine e localizzata in una regione speciale

della cellula chiamata nucleoide. Il DNA batterico posizionato in questa regione

costituisce una massa filiforme di fibre impacchettate in modo da mantenere un

confine netto fra il nucleoide e il resto della cellula. Il DNA del cromosoma batterico è

super avvolto

negativamente e ripiegato in una numerosa serie di anse.

I plasmidi batterici

In aggiunta al suo cromosoma, una cellula batterica può contenere uno o più plasmidi.

I plasmidi sono molecole di DNA circolare relativamente piccole che contengono geni

sia per la loro replicazione autonoma sia, spesso, per una o più funzioni cellulari. 2

Benché i plasmidi si replichino in modo autonomo, la loro replicazione è di solito

sufficientemente in sincronia con quella del cromosoma batterico, il che assicura, da

una generazione all’altra, il passaggio di un numero approssimativamente

comparabile di plasmidi. I fattori F (fattori di fertilità) sono coinvolti nel

meccanismo di coniugazione. i fattori R (fattori di resistenza) contengono geni che

conferiscono alla cellula batterica la resistenza ai farmaci; i fattori col (fattori

colicine,

colicinogenici) permettono al batterio la secrezione di composti in grado di

uccidere altri batteri privi del fattore col; fattori di virulenza che rendono il batterio

patogenico conferendogli la capacità di penetrare in cellule ospiti e danneggiarle; e

fattori metabolici che producono gli enzimi necessari per determinate reazioni

metaboliche.

Impacchettamento del DNA negli eucarioti

Quando dai procarioti si passa a considerare le cellule eucariote, l’impacchettamento

del DNA risulta più complicato. La prima ragione è rappresentata dal coinvolgimento di

un quantitativo di DNA molto più elevato. Ogni cromosoma eucariota è costituito da

una singola molecola di DNA lineare di enorme lunghezza. Un secondo motivo risiede

nella più elevata complessità strutturale che è prodotta dall’associazione del DNA con

un maggior numero e con una grande varietà di proteine. Quando è associato a queste

proteine, il DNA è conosciuto come cromatina, che forma fibre, normalmente

disperse all’interno del nucleo. Durante la divisione cellulare le fibre di cromatina si

condensano e si ripiegano formando strutture molto più grandi e compatte, che

diventano riconoscibili come cromosomi distinti.

Le proteine che svolgono il ruolo più importante nella struttura della cromatina sono

gli istoni, un gruppo di proteine relativamente piccole

I nucleosomi sono le unità strutturali di base della cromatina

Le fibre di cromatina preparate in questo

modo apparivano come una serie di piccole

particelle unite da un sottile filo. La visione di

questa struttura a “collana di perle” portò a

ritenere che le “perle” fossero costituite da

proteine (presumibilmente istoni), mentre il

sottile filo che le univa corrispondesse al

DNA. Ora si identifica ogni “perla”, insieme al

corto segmento di DNA associato, come un

nucleosoma. I nucleosomi sono impacchettati fra loro per formare le fibre di

cromatina, che sono ripiegate per formare domini ad ansa. 2

Un ottamero di istoni costituisce il core del nucleosoma

Kornberg e i suoi collaboratori svilupparono

una tecnica per assemblare i nucleosomi

partendo da una miscela di DNA e proteine

purificati. Essi scoprirono che le fibre di

cromatina, costituite da nucleosomi,

possono essere assemblate mescolando il

DNA con tutti e cinque gli istoni. Si

accorsero tuttavia che i nucleosomi

potevano essere assemblati solo se gli

istoni erano stati purificati con metodi

blandi, che permettevano un legame

residuo di H2A con H2B e di H3 con H4. La

conclusione di Kornberg fu che i complessi H2A-H2B e H3-H4 rappresentano una parte

integrante del nucleosoma.

I nucleosomi sono impacchettati fra loro per formare

le fibre di cromatina e i cromosomi

Le fibre di cromatina isolate che

mostrano la struttura a “collana

di perle” hanno un diametro di

circa 10 nm, ma le fibre

osservate direttamente

all’interno delle cellule

possiedono di solito una

struttura leggermente più

spessa, di circa 30 nm in

diametro, chiamata fibra

cromatinica di 30 nm.

Il successivo livello di

impacchettamento della

cromatina è rappresentato

dall’ulteriore ripiegamento della

fibra di 30 nm per formare dei

domini ad ansa.

L’entità della condensazione del

DNA nella cromatina e nei

cromosomi può essere

quantificata utilizzando il

rapporto di impacchettamento

del DNA,

(o di condensazione)

derivato dividendo la lunghezza

totale della molecola di DNA per

la lunghezza della fibra di

cromatina o del cromosoma in

cui la molecola è stata I diagrammi e le immagini di microscopia elettronica mostrano

2

impacchettata. L’avvolgimento iniziale del DNA attorno al core di istoni per formare la

struttura nucleosomica riduce la lunghezza di un fattore di circa sette, e la formazione

della fibra di 30 nm porta a un’ulteriore condensazione di circa sei volte.

Durante la divisione cellulare, per esempio, un tipico cromosoma umano è lungo circa

4-5 μm e contiene una molecola di DNA che, completamente estesa, misurerebbe

almeno 75 mm. 2

becker cap16.3

Durante la mitosi, la cromatina diventa altamente compattata. Segmenti di cromatina

così altamente impacchettati da essere visibili al microscopio elettronico come

macchie scure, sono definiti eterocromatina, mentre la forma di cromatina meno

condensata, e quindi più diffusa, viene definita eucromatina. L’eterocromatina è

trascrizionalmente inattiva, mentre l’eucromatina meno densamente impacchettata è

associata a DNA at