Biochimica applicata

GENETICA:  studio  di  come  un  progetto  molecolare  determina  le  funzioni  di  un  organismo.  

BIOLOGIA  MOLECOLARE:  spiega  attraverso  quali  meccanismi  il  genotipo  (informazione  genetica)  si  

esprime  nel  fenotipo  (aspetto  esteriore  e  funzionamento/malfunzionamento).  Studia  come  il  genotipo  

viene  utilizzato  per  sviluppare  il  progetto,  conservato  per  poterlo  sempre  applicare  e  duplicato  per  

trasmetterlo  alle  generazioni  successive,  tutto  ciò  sotto  l’influenza  anche  dell’ambiente  esterno.  

PATRIMONIO  GENETICO/GENOMA:  insieme  di  informazioni  genetiche  (progetto)  che  permette  ad  ogni  

struttura  biologica  di  organizzare  le  proprie  strutture  e  svolgere  le  proprie  funzioni.  

INFORMAZIONE  GENETICA:  deve  essere:  

-­‐ Utilizzata:  per  sviluppare  il  progetto;  

-­‐ Conservata:  affinché  sia  sempre  possibile  applicare  il  progetto;  

-­‐ Duplicata:  per  trasmetterla  alle  generazioni  successive.  

È  contenuta  negli  acidi  nucleici  organizzati  in:  

-­‐ DNA:  acido  deossiribonucleico  che  conserva  e  utilizza  le  informazioni  e  si  trova  nel  nucleo,  esso  è  

organizzato  in  cromosomi  che  sono  formati  a  loro  volta  da  piccoli  pacchetti  che  contengono  un  

informazione  chiamati  geni  (sequenza  di  DNA  che  contiene  l’informazione  necessaria  per  creare  

una  molecola  biologicamente  attiva).  Dal  DNA  l’informazione  è  trascritta  da  una  molecola  di  RNA  

e  tradotto  in  una  proteina.  

-­‐ RNA:  acido  ribonucleico,  si  trova  nel  nucleo  o  nel  citosol  ed  è  coinvolto  nei  processi  di  utilizzo  

delle  informazioni,  ne  esistono  3  tipi:  

ALLELE:  una  delle  alternative  in  cui  può  presentarsi  un  gene    

LOCUS:  posizione  occupata  da  un  gene  (in  qualsiasi  forma  allelica)  su  un  cromosoma  

PATRIMONIO  GENETICO:  

-­‐ Diploide:  due  diverse  coppie  per  ogni  cromosoma  all’interno  della  cellula;  

-­‐ Aploide:  una  sola  coppia  cromosomica.  

OMOZIGOTE:  entrambi  i  cromosomi  portano  lo  stesso  allele  del  gene  

ETEROZIGOTE:  i  cromosomi  portano  due  alleli  diversi  dello  stesso  gene  

In  ogni  organismo  complesso,  la  comunicazione  fra  cellule  è  necessaria  per  coordinare  le  funzioni  

cellulari  a  seconda  di  ciò  di  cui  necessita  l’organismo:    

-­‐ Cellule  che  producono  molecole  segnale:  

Ormoni:  si  muovono  nel  sangue  

• Mediatori  extracellulari:  si  muovono  nello  spazio  extracellulare    

•

-­‐ Cellule  bersaglio  che  hanno  recettori  specifici  sulle  membrane.  L’interazione  fra  i  recettori  e  i  

ligandi  crea  eventi  intracitoplasmatici  che  attivano  la  risposta  cellulare  richiesta  dal  ligando.  

LA  CHIMICA  DEL  DNA:  

NUCLEOTIDI:   gli  acidi  nucleici  sono  polimeri  dei  nucleotidi  e  formano  DNA  e  RNA.  

Nucleotide:  gruppo  fosforico  +  zucchero  +  base  azotata  che  si  legano  fra  loro  covalentemente.    

-­‐ Acido  fosforico:  acido  forte,  ha  gruppi  OH  dissociati  a  pH  fisiologico  e  si  esterifica  formando  i  

nucleotidi;  

-­‐ Zucchero:  a  5  atomi  di  carbonio.  Può  essere  deossiribosio  (B-­‐D-­‐deossiribofuranosio  del  DNA)  o  

ribosio  (B-­‐D-­‐ribofuranosio  del  RNA);  

-­‐ Basi  azotate:  ammine  aromatiche  eterocicliche  e  planari  derivanti  da  purina  e  pirimidina.  

Formano  fra  loro  legami  H  e  sono  5:  Adenina,  Timina,  Guanina,  Citosina  e  Uracile  

Nucleoside:  base  azotata  +  zucchero  legati  da  un  legame  N-­‐glicosidico  (gruppo  OH  C1  –  N9  o  N1)  

Nucleotide:  nucleoside  +  acido  fosforico  esterificato  con  C5  dello  zucchero  

Gli  atomi  degli  anelli  delle  basi  azotate  sono  complanari  (tutti  gli  atomi  sullo  stesso  piano).  

I  nucleotidi  sono  legati  fra  loro  tramite  ponti  fosfodiestere  fra  –OH  del  C3  di  uno    e  –fosfato  del  C5  del  

nucleotide  successivo.  

DNA  e  RNA  sono  molecole  asimmetriche  perché  terminano  da  una  parte  con  il  gruppo  fosfato  (5’)  e  

dall’altra  con  il  gruppo  OH  (3’).    

Le  basi  azotate  sono  A  G  T  C  per  il  DNA  e  al  posto  di  T  c’è  U  nel  RNA.  

Gli  acidi  nucleici  sono  polarizzati  e  asimmetrici  perché:    

-­‐ Lo  scheletro  è  formato  da  un’alternanza  di  fosfato  e  ribosio;  

-­‐ Le  basi  azotate  sembrano  gruppi  funzionali  perpendicolari  allo  scheletro;  

-­‐ Ogni  acido  nucleico  ha  due  estremità  5’  fosforilata  e  3’  libera;  

-­‐ Lo  scheletro  è  idrofilico.  

DNA:  è  la  molecola  responsabile  della  trasmissione  dell’informazione  genetica.    

-­‐ Nella  seconda  metà  del  ‘800  fu  isolato  dal  nucleo  di  cellule  animali  un  materiale  a  carattere  acido  

chiamato  nucleina;  

-­‐ Nella  prima  metà  del  ‘900  una  serie  di  esperimenti  indicò  che  l’informazione  genetica  è  

contenuta  nel  DNA;  

-­‐ Nel  1928  Griffith  condusse  esperimenti  con  diversi  ceppi  del  batterio  streptococco  (R:  non  

virulenti,  S:  virulenti)  e  descrisse  il  fenomeno  della  trasformazione.  

-­‐ La  prova  definitiva  che  il  DNA  contenesse  l’informazione  genetica  e  che  fosse  il  principio  

trasformante  venne  dall’esperimento  di  Avery,  McLeod  e  McCarthy  nel  1944,  in  cui  il  materiale  

proveniente  da  batteri  virulenti  uccisi  trasferiva  la  virulenza  a  ceppi  batterici  non  patogeniàla  

molecola  responsabile  di  ciò  era  il  DNA.  

STRUTTURA  DEL  DNA:  regole  di  Chargaff:    

-­‐ Nella  stessa  specie  cellule  di  tessuti  diversi  hanno  uguale  composizione  del  DNA  

-­‐ La  composizione  rimane  costante  nel  tempo  e  nelle  attività  

-­‐ A-­‐T/U  e  C-­‐G  

-­‐ Ogni  specie  ha  una  composizione  in  basi  del  DNA  peculiare  (Mammiferi:  40-­‐45%  GC;  

Plasmodium:  15%  GC;  M.tubercolosis:  65%  GC).  

Dalla  diffrazione  a  raggi  X  (tecnica  che  studia  la  struttura  delle  molecole)  possiamo  notare  che  il  DNA  è  

un  polimero  elicoidale  a  due  catene  che  procedono  in  direzione  opposta.    

1953:  Watson  e  Crick  modello  di  struttura  tridimensionale  del  DNA:    

-­‐ Spiegava  tutte  le  proprietà  del  DNA;  

-­‐ Permetteva  l’ipotesi  delle  modalità  di  trasmissione  dell’informazione  genetica  ai  figli;  

-­‐ Due  catene  polinucleotidiche  avvolte  su  un  asse  centrale  ad  elica  destrorsa;  

-­‐ Scheletro:  alternanza  di  gruppi  fosfato  e  deossiribosio;  

-­‐ Parte  interna  occupata  dalle  basi  azotate;  

-­‐ Formazione  di  scanalature  e  periodicità;  

-­‐ Le  due  catene  sono  antiparallele  e  con  estremità  opposte;  

-­‐ Le  basi  azotate  delle  due  catene  sono  in  sequenze  complementari.  

La  molecola  di  DNA  è  composta  da  due  catene  polinucleotidiche  avvolte  ad  elica  destrorsa  intorno  ad  un  

asse  maggiore.  

Ci  sono  forze  che  influiscono  sulla  struttura  del  DNA:  

-­‐ Il  DNA  svolge  le  sue  funzioni  in  ambiente  acquoso  

-­‐ Le  basi  azotate  sono  insolubili  in  H2O  

-­‐ Le  basi  azotate  sono  in  contatto  fra  loro  per  minimizzare  il  contatto  con  l’acqua  

-­‐ La  regione  esposta  ad  H2O  è  composta  da  gruppi  fosfato  e  zuccheri  

-­‐ Stabilizzano:  

Interazioni  deboli  idrofobiche  da  impilamento  

• Legami  H  

•

-­‐ Destabilizzano:  

Interazioni  elettrostatiche  tra  gruppi  fosfato  

• Cariche  negative  mascherate  da  ioni  Mg2+  e  proteine  (istoni)  

•

I  gruppi  funzionali  delle  basi  azotate  sono  esposti  a  livello  del  solco  maggiore  (a  coppie  diverse  

corrispondono  gruppi  esposti  diversi).  

Diverse  classi  di  proteine  sono  in  grado  di  interagire  e  leggere  la  struttura  del  DNA,  ad  una  data  

sequenza  corrisponde  una  specifica  proteina  che  interagisceàconcetto  fondamentale  nel  processo  di  

utilizzo  e  conservazione  del  patrimonio  genetico.  

PROPRIETA’  CHIMICHE  ESSENZIALI  DEL  DNA:  il  DNA  è  un  acido  a  pH  fisiologico,  con  carica  negativa  

(mascherata  da  interazioni  con  ioni  Mg2+  e  proteineàistoni)  e  gruppi  fosfato  dissociati.  Ha  una  

struttura  abbastanza  stabile,  la  doppia  elica  può  essere  modificata  destabilizzando  i  legami  deboli  che  

mantengono  la  struttura  e  separando  quindi  i  due  filamenti.  Il  legame  glicosidico  che  esiste  fra  base  

azotata  e  zucchero  difficilmente  riesce  ad  essere  rotto.  

DENATURAZIONE  DEL  DNA:  processo  che  porta  alla  separazione  dei  due  filamenti.  Avviene  attraverso  la  

rottura  dei  legami  idrogeno.  Perché  il  DNA  venga  denaturato  devono  esistere  le  condizioni  in  cui  i  legami  

H  e  i  legami  più  deboli  che  uniscono  le  basi  azotate  non  possono  più  esistere.    Questi  agenti  denaturanti  

sono:  

-­‐ pH  estremi;  

-­‐ aumento  della  temperatura:  la  temperatura  di  fusione  è  la  temperatura  alla  quale  il  50%  delle  

molecole  di  DNA  è  denaturato,  molecole  ricche  di  CG  denaturano  a  temperature  più  alte  che  

molecole  ricche  di  AT.  

La  denaturazione  è  reversibile  attraverso  un  processo  altamente  specifico  (solo  in  condizioni  adatte  alla  

riunione  dei  due  filamenti  complementari)  detto  rinaturazione  (avviene  abbassando  la  temperatura);  

questo  processo  può  essere  applicato  alla  ricerca  di  molecole  specifiche  di  DNA.  La  ricerca  di  molecole  

specifiche  si  basa  sull’uso  di  SONDE  o  PROBES:  molecole  di  DNA  marcate  e  riconoscibili  utilizzate  per  

ricercare  in  campioni  biologici  sequenze  a  loro  complementari  (target),  a  cui  si  legano  in  opportune  

condizioni.  La  lunghezza  della  sonda  deve  essere  tale  da  assicurare  la &nbs