Biologia generale

Biologia generale

Indice

• DNA e RNA……………………………………………………………………………..………..…2
• Amminoacidi, catene polipeptidiche e proteine……………………………..…..3
• Trascrizione nei procarioti……………………………………………….…..…….3
• Trascrizione negli eucarioti……………………………………….………..………4
• Traduzione o sintesi proteica……..………………………………………….……6
• Replicazione del DNA………………………………………………………………8
• Riparazione del DNA………………………………………………………….….10
• Meccanismi di regolazione dell’espressione genica procarioti……………….11
• Ciclo cellulare della cellula somatica umana……………………….………..…11
• Meccanismi di regolazione dell'espressione genica eucarioti…………….…13

DNA e RNA

Secondo il dogma centrale della biologia molecolare, l’informazione genetica passa dal DNA all’RNA tramite la trascrizione e dall’RNA alle proteine tramite la traduzione.

• DNA: Acido deossiribonucleico
• RNA: Acido ribonucleico
• Entrambi sono polimeri di nucleotidi:

• Nucleotidi: Macromolecole formate da uno zucchero pentoso (ribosio o deossiribosio), un gruppo fosfato e una base azotata (adenina, timina, guanina, citosina, uracile)
• Ribosio e deossiribosio differiscono per la presenza dell’ossidrile sul C3
• Basi azotate: Composti ciclici distinti in purine (A, G) e pirimidiniche (T, C, U); le purine hanno una struttura a doppio anello, le pirimidiniche ad anello singolo.
• Nel DNA le purine si accoppiano con le pirimidiniche tramite legami a idrogeno (2 tra A e T/U e 3 tra G e C: il legame tra A e T è più debole)

Differenze DNA - RNA:

• DNA: Contiene il patrimonio genetico ed è responsabile della sua trasmissione; RNA: Deriva dal DNA ed è un intermedio necessario all’espressione genica
• RNA è molto più corto del DNA perché viene trascritta soltanto una breve parte di DNA (poche migliaia di nucleotidi contro un massimo di 250 milioni)
• RNA contiene U invece di T
• RNA è a filamento singolo mentre DNA si trova sempre avvolto nella doppia elica in cui le basi complementari sono appaiate
• RNA è un polimero di ribonucleotidi; DNA è un polimero di deossiribonucleotidi

Struttura del DNA

• I nucleotidi sono legati da legami fosfodiesterici tra il gruppo fosfato legato al C5 e il gruppo -OH legato al C3 del nucleotidi successivo
• Si distinguono le estremità 5’ e 3’
• La doppia elica è formata da due filamenti complementari e antiparalleli uniti da ponti idrogeno tra le basi azotate complementari
• La stessa struttura caratterizza anche l’RNA, ad eccezione della doppia elica
• Negli organismi procarioti c’è una sola molecola di DNA circolare libera nel citoplasma e avvolta su se stessa; negli eucarioti esistono più molecole lineari, avvolte su ottameri di istoni (proteine basiche) e condensate nella cromatina
• Misure del DNA: Diametro doppia elica: 2nm, passo (distanza tra 10 coppie di basi): 3,4nm, distanza tra 2 nucleotidi: 0,34nm

Le molecole di DNA variano da 50 a 250 Mb (10⁶ coppie di basi); il genoma umano contiene circa 6-10⁹ coppie di basi divise in 46 molecole di DNA.

RNA

• Non essendoci la doppia elica, il filamento di RNA è libero di assumere una struttura secondaria analoga a quella delle proteine tramite la formazione di ponti a idrogeno tra le basi complementari; questa caratteristica è determinante nelle situazioni in cui l’RNA svolge funzione strutturale o catalitica
• La cellula produce vari tipi di RNA: mRNA, tRNA, rRNA, miRNA
• L’RNA è prodotto dal processo della trascrizione

Sequenze consenso

• Sequenze su DNA correlate tra di loro e riconosciute da specifici fattori presenti, per esempio, nei siti promotore del genoma batterico per influenzare il grado di trascrizione di un determinato gene
• Si ricavano confrontando sequenze con la stessa funzione e scegliendo in nucleotide che compare più frequentemente in una determinata posizione

Amminoacidi, catene polipeptidiche e proteine

Amminoacidi

• Molecole organiche che hanno un gruppo amminico e un gruppo carbossilico entrambi legati allo stesso atomo di carbonio; 20 hanno valore biologico
• Si distinguono per la catena laterale che determina le proprietà dell'amminoacido

• Catene laterali apolari: Alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina, fenilalanina, mationina, triptofano, glicina, cisteina
• Catene laterali polari ma non cariche: Asparagina, glutammina, serina, treonina, tirosina
• Catene laterali cariche basiche (carica positiva): Lisina, arginina, istidina
• Catene laterali cariche acide (carica negativa): Acido aspartico, acido glutammico

Catene polipeptidiche

• Polimeri di amminoacidi uniti da un legame peptidico tra il gruppo amminico di uno e il gruppo carbossile dell'altro
• Hanno un'estremità N-terminale e un'estremità C-terminale corrispondenti ai gruppo amminico e carbossilico degli amminoacidi agli estremi della catena

Proteine

• Catene polipeptidiche di valore biologico
• La loro funzionalità è determinata dalla struttura

Trascrizione nei procarioti

Si chiama così perché riporta in una molecola più piccola una parte dell’informazione genetica racchiusa nel DNA; non cambia il linguaggio con cui questa è espressa. Necessita di nucleosidi trifosfati (sintetizzati dalla cellula: ATP, GTP, CTP, UTP) e di un filamento di DNA stampo; non necessita di uno starter come avviene per la replicazione. Ogni gene procariotico non contiene parti non codificanti. Il processo è catalizzato da RNA polimerasi (RNApol), enzima proteico costituito da 5 subunità (αα’ββ’σ); la subunità σ si può separare dal complesso.

RNApol apre una bolla di trascrizione: separa temporaneamente i due filamenti di DNA. La trascrizione avviene sempre in direzione 5’-3’; ogni gene è codificato su uno dei due filamenti quindi la direzione in cui RNApol si muove determina quale dei due filamenti sarà trascritto (la trascrizione è un processo asimmetrico); il filamento trascritto in mRNA è detto filamento antisenso mentre l'altro, uguale al filamento di mRNA trascritto, è detto filamento senso.

RNApol legato alla subunità σ (RNA polimerasi oloenzima) scorre velocemente lungo il filamento di DNA finché incontra una sequenza promotore al quale la subunità σ si lega saldamente; a questo punto la polimerasi inizia la trascrizione di un tratto di circa 10 nucleotidi (inizio abortivo) che procede molto lentamente; la subunità σ si separa dal complesso di trascrizione che adesso procede verso l’estremità 3’ a ritmo sostenuto finché incontra una sequenza terminatore in cui il filamento di RNA si stacca e RNApol si separa dal DNA, si lega a una nuova subunità σ ed è pronto per iniziare una nuova trascrizione.

La sequenza terminatore è costituita da una serie palindroma di nucleotidi A e T: il legame a idrogeno doppio tra A e U rende più debole l’ibrido DNA-RNA che si crea nel sito attivo di RNApol: questo facilita il distacco dell’RNA e del DNA dalla polimerasi; una volta trascritta questa sequenza, poi, la disposizione simmetrica delle basi azotate complementari fa assumere all’RNA una struttura secondaria a forcina che rallenta la progressione della polimerasi e facilita il distacco dell'mRNA; il terminatore procariotico è detto anche intrinseco (perché dato dalla struttura secondaria del filamento di RNA) e Rho dipendente (dipendente dal Fattore Rho che ha un’attività di elicasi sull’ibrido DNA-RNA dove rompe i legami a idrogeno tra le basi complementari).

RNApol catalizza la formazione di legami fosfodiesterici tra due ribonucleotidi adiacenti: l’energia necessaria deriva dall’idrolisi dei legami ad alta energia dei substrati nucleosidici; quando nel sito attivo della polimerasi arriva un ribonucleoside complementare al nucleotide del DNA questo viene legato alla catena di RNA in crescita (trascritto). Il trascritto si separa subito dal filamento di DNA: in questo modo la doppia elica torna allo stato originario e l’RNA viene liberato come filamento singolo. Al processo di trascrizione segue quello di traduzione, a meno che il prodotto finale previsto non sia l’RNA stesso. RNApol sintetizza anche un RNA precursore che dopo essere tagliato da RNAsi III e RNAsi P costituiscono le subunità 16S, 23S e 5S del ribosoma (rRNA) e il tRNA.

Trascrizione negli eucarioti

Gli eucarioti hanno tre tipi di RNApol che trascrivono diversi tipi di geni:

• RNA polimerasi I: rRNA 5.8S, 18S e 28S
• RNA polimerasi II: mRNA che codificano per proteine e miRNA
• RNA polimerasi III: tRNA, rRNA 5S, snRNA

A differenza della trascrizione batterica:

• RNApol II è costituita da circa 20 subunità
• L’avvio della trascrizione richiede i fattori generali di trascrizione (mentre nei procarioti richiede solo il fattore σ)
• Il DNA degli eucarioti è compattato in nucleosomi e in cromatina

I fattori generali di trascrizione (TFII, fattori di trascrizione per RNA polimerasi II) servono a posizionare RNApol sul promotore, ad aprire la doppia elica del DNA e a rilasciare RNApol dal promotore per consentirgli di avanzare lungo il filamento.

Promotore dei geni eucariotici

• Promotore per RNApol I