Biologia - Appunti

DNA

L'acido desossiribonucleico o deossiribonucleico (DNA) è un acido nucleico che contiene le

informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine, molecole indispensabili per lo

sviluppo ed il corretto funzionamento della maggior parte degli organismi viventi.

Dal punto di vista chimico, il DNA è un polimero organico costituito da monomeri chiamati

nucleotidi. Tutti i nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato, il

deossiribosio (zucchero pentoso) e una base azotata che si lega al deossiribosio con legame N-

glicosidico. Quattro sono le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei

nucleotidi da incorporare nella molecola di DNA: adenina, guanina, citosina e timina.

La disposizione in sequenza di queste quattro basi costituisce l'informazione genetica, leggibile

attraverso il codice genetico, che ne permette la traduzione in amminoacidi. Il processo di

traduzione genetica (comunemente chiamata sintesi proteica) è possibile solo in presenza di una

molecola intermedia di RNA, generata attraverso la trascrizione del DNA. Tale processo non

genera solo filamenti di RNA destinati alla traduzione, ma anche frammenti già in grado di svolgere

svariate funzioni biologiche (ad esempio all'interno dei ribosomi, dove l'rRNA ha una funzione

strutturale). L'informazione genetica è duplicata prima della divisione cellulare, attraverso un

processo noto come replicazione del DNA, che evita che si perda informazione durante le

generazioni. Negli eucarioti, il DNA si complessa all'interno del nucleo in strutture chiamate

cromosomi. Negli altri organismi, privi di nucleo, esso può essere organizzato in cromosomi o

meno. All'interno dei cromosomi, le proteine della cromatina (come gli istoni) permettono di

compattare e controllare la trascrizione dei geni, almeno nella maggior parte dei casi.

Sebbene ogni unità occupi uno spazio decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può

essere sorprendentemente elevata, dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni

di nucleotidi. Ad esempio, il più grande cromosoma umano (il cromosoma 1) contiene quasi 250

milioni di paia di basi. Negli organismi viventi, il DNA non è quasi mai presente sotto forma di

singolo filamento, ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro. Essi si

intrecciano tra loro a formare una struttura definita doppia elica. Ogni nucleotide è costituito da

uno scheletro laterale, che ne permette il legame covalente con i nucleotidi adiacenti, e da una

base azotata, che instaura legami idrogeno con la corrispondente base azotata presente sul

filamento opposto. E’ importante non associare il gene al DNA. Nella cellula eucariote, un gene,

occupando uno spazio nel cromosoma (un locus) è un tratto del DNA che ha il compito di

codificare per la sintesi di un RNA o di una proteina. E’ caratterizzato dalla presenza di:

 un promotore, che controlla l'espressione genica;

 regioni codificanti, definite esoni;

 sequenze non codificanti, definite introni, che possono avere funzione regolatoria per quanto

riguarda la quantità di proteine prodotte.

Gli esoni costituiscono, insieme agli introni, la porzione di un gene (eucariotico o di archeobatteri)

che viene trascritta dalle RNA polimerasi durante la trascrizione. Gli esoni, a differenza degli

introni, in seguito al processo di splicing del trascritto primario, detto hnRNA, junk DNA o DNA

spazzatura, si ritrovano negli mRNA maturi.

Dunque l'mRNA maturo è formato dai soli esoni.

I geni coprono solo il 2% dell’intero genoma umano, il resto è porzione non-codificante le cui

funzioni, ancora non ben definite, potrebbero includere:

1) il mantenimento dell’integrità strutturale del cromosoma,

2) la regolazione della quantità di proteine tradotte.

Se ricordiamo, diversi tessuti umani sono formati da cellule che si comportano in modo diverso ed

ognuna contiene un’esatta copia del genoma (che non è altro che l’intera sequenza del DNA

dell’organismo) e all’interno del suo nucleo ci sono i cromosomi: 22 paia di autosomi e un paio di

cromosomi sessuali XY, e nei cromosomi si possono individuare porzioni di DNA codificante

chiamati geni. Dunque si può tranquillamente affermare che l'espressione genica è finemente

regolata dalla cellula e, a sua volta, la regolazione dell'espressione genica è fondamentale per la 46

cellula stessa, perché le permette di controllare le proprie funzioni interne ed esterne, come la

differenziazione cellulare, la morfogenesi o i vari processi di adattamento alle necessità

dell'organismo.

Il DNA è a doppio filamento, perché questo permette allo stesso di autoreplicarsi.

Il doppio filamento (chiuso) è un modo per proteggere l’informazione genetica, perché così non è

funzionalmente attiva, e l’ mRNA non va a interagire con esso, in quanto le basi non sono

raggiungibili.

I nucleotidi sono costituiti da tre subunità: una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di

carbonio (pentosio), e un gruppo fosfato. Il pentosio può essere ribosio o desossiribosio. I singoli

nucleotidi, come nell’RNA, sono mantenuti insieme da legami covalenti tra il fosfato che fa da

ponte tra il C5’ di un nucleotide e il C3’ del nucleotide precedente. Il filamento avrà una estremità

libera in posizione 5’ ed una 3’. Nel processo di appaiamento i due filamenti sono antiparalleli. Il

filamento leader va da 5’ a 3’ ed il complementare è 3’-5’.

 Ogni tipo di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento

opposto. Tale evento è noto come appaiamento complementare.

 I due filamenti si avvolgono a spirale formando un 'alfa elica.

 Sfruttando queste informazioni, è possibile ricostruire la sequenza nucleotidica del filamento

complementare di un filamento di DNA la cui sequenza sia nota.

 Per ogni nucleotide esiste un solo nucleotide complementare, ovvero che può formare un

legame idrogeno con il primo: Purine: Adenina e Guanina / Pirimidine: Citosina, Timina e Uracile

che vengono così sfruttate nel DNA: adenina-timinae citosina-guanina sono complementari tra

loro; nel RNA: adenina-uracile e citosina-guanina.

 In una doppia elica, il senso di un filamento è opposto a quello del filamento complementare. Per

tale motivo, i due filamenti che costituiscono una doppia elica sono detti antiparalleli. Le

estremità asimmetriche di un filamento di DNA sono definite estremità 5’(cinque primo) ed

estremità 3’(tre primo).

La principale differenza tra il DNA e l'RNA è lo zucchero pentoso utilizzato: l'RNA utilizza, infatti, il

ribosio e per una quinta base, di tipo pirimidinico, chiamata uracile presente nei filamenti di RNA

al posto della timina, da cui si differenzia per la mancanza di un gruppo metile. L'uracile è presente

nel DNA solo come prodotto della degradazione della citosina, al contrario, è molto più frequente

individuare la timina all'interno di molecole di RNA, a causa della metilazione enzimatica di diversi

uracili. Questo evento avviene solitamente a carico di RNA con funzione strutturale o enzimatica

(rRNA e tRNA). La doppia elica è una spirale destrorsa e con l'avvitarsi su sé stessi dei due filamenti,

restano esposti dei solchi tra i diversi gruppi fosfato. Il solco maggiore è largo 22 Å, mentre il solco

minore è largo 12 Å. La differente ampiezza dei due solchi si traduce concretamente in una

differente accessibilità delle basi, a seconda che si trovino nel solco maggiore o minore. Proteine

come i fattori di trascrizione, dunque, solitamente prendono contatto con le basi presenti nel

solco maggiore.

Ogni tipo di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento

opposto. Tale evento è noto come appaiamento complementare. Le basi puriniche formano

legami idrogeno con le basi pirimidiniche: A può legare solo T e G può legare solo C. L'associazione

di due basi viene comunemente chiamata paio di basi ed è l'unità di misura maggiormente

utilizzata per definire la lunghezza di una molecola di DNA. Dal momento che i legami idrogeno

non sono covalenti, essi possono esser rotti e riuniti in modo relativamente semplice. I due

filamenti possono essere allontanati tra loro, come avviene per una cerniera, sia dalle alte

temperature che da un'azione meccanica (come avviene durante la replicazione del DNA). I due

tipi di paia di basi formano un numero differente di legami idrogeno: A e T ne formano due, G e C

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tre. Per tale motivo, la stabilità del legame GC è decisamente maggiore di quello AT. Di

conseguenza, la stabilità complessiva di una molecola di DNA è direttamente correlata alla

frequenza di GC presenti nella molecola stessa, nonché alla lunghezza dell'elica: una molecola di

DNA è dunque tanto più stabile quanto più contiene GC ed è lunga. In laboratorio, la stabilità

dell'interazione tra filamenti è misurata attraverso la temperatura necessaria a rompere tutti i

legami idrogeno, chiamata temperatura di Melting. Quando tutti i legami idrogeno sono rotti, i

singoli filamenti si separano e possono assumere strutture molto variegate.

La denaturazione del DNA, detta anche DNA Melting, avviene dunque sottoponendo il materiale

genetico al calore, la temperatura in cui il 50% dell’elica si trova a singolo filamento è denominata

temperatura di fusione (Melting temperature). In condizioni che rispecchiano

approssimativamente quelle fisiologiche la Tm è compresa tra 85°C e 95°C.

Senso e antisenso

Una sequenza di DNA è definita senso se la sua sequenza è la stessa del relativo mRNA. La

sequenza posta sul filamento opposto è invece detta antisenso. Dal momento che le RNA

polimerasi lavorano producendo una copia complementare, il filamento necessario per la

trascrizione è l'antisenso. Sia nei procarioti che negli eucarioti vengono prodotte numerose

molecole di RNA antisenso a partire dalle sequenze senso. La funzione di questi RNA non

codificanti non è stata ancora completamente chiarita. Si ritiene che gli RNA antisenso possano

giocare un ruolo nella regolazione dell'espressione genica.

Negli eucarioti, il DNA è solitamente presente all'interno di cromosomi lineari (circolari nei

procarioti). La somma di tutti i cromosomi di una cellula ne costituisce il genoma; il genoma

umano conta circa 3 miliardi di paia di basi contenute in 46 cromosomi.

La disposizione finale a cromosomi segue precise regole gerarchiche di impacchettamento. Nelle

cellule, infatti, il doppio filamento di DNA non può essere disposto a casaccio, ma d