Codice Genetico

STRUTTURA CHIMICA DEGLI ACIDI NUCLEICI

Conosciamo due forme principali di acidi nucleici: l'RNA e il DNA. Tutti e due hanno una composizione che li accomuna, perché sono entrambi fatti di uno zucchero pentoso alla quale estremità 5' è legato in gruppo fosfato che conferisce acidità alla molecola, mentre all'estremità 1' si lega una base azotata. La differenza tra DNA e RNA è nella composizione dello zucchero centrale; il DNA usa un deossiribosio (non ha l'OH in 2'), RNA invece un sempliceribosio (ha l'OH in 2' che conferisce instabilità). I nucleotidi che vengono aggiunti durante la sintesi del DNA hanno tre gruppi fosfato legati in 5', e vengono chiamati dNTPs.

Le basi azotate possono essere classificate come purine (due anelli) o pirimidine (un anello). Le purine sono Adenina e Guanina, mentre le pirimidie sono Citosina e Timina (A, G, C, T), la timina viene sostituita dall'Uracile nelle strutture.

RNA. Grazie alla Regola di Chargaff, che prevede che la percentuale di A è sempre uguale alla percentuale di T, e la percentuale di C è sempre uguale alla percentuale di G, e dunque vale solo per il DNA, si è infine stabilito che A-T e C-G si legano con molta affinità tra loro, questo non esclude legami unici o fuori dalla norma.

Spiegata la struttura trivalente (gruppo fosfato, zucchero, base azotata) dei nucleotidi, possiamo concentrarci sui legami all'interno dei polinucleotidi; cioè i legami tra i nucleotidi stessi. Diversi nucleotidi possono creare un filamento singolo grazie al legame fosfodiesterico che si forma tra 5' (del primo nucleotide sotto) e 3' (del secondo nucleotide sopra). Ricordati che lo zucchero sotto ha in posizione 4' un CH2 che allunga lo zucchero per dargli quel 5', mentre lo zucchero sopra in 3' non ha il CH2. Dunque è importante ricordarsi che l'acido nucleico cresce in da 5' in 3'.

(5' --> 3'). Un altro legame è il legame idrogeno che si forma tra le basi azotate di due stringhe diverse. A e T formano due legami, C e G formano invece tre legami idrogeno. Questo implica la presenza di un solco maggiore e uno minore. Il solco maggiore sarà presente là dove ci saranno più atomi che possono essere donati.

Spiegati i legami possiamo passare alle strutture alternative del DNA. Esistono tre strutture principali che una elica di DNA può assumere: A, B e Z. Ricordiamoci che il DNA viene curvato per via del Tilt e del Roll (non del Twist) tra i nucleotidi.

Tornando alle forme: la forma B destrosa, ritenuta quella più frequente nelle cellule, può essere assunta dal DNA duplex in condizioni di alta umidità, la forma A destrosa si può trovare in vivo in soluzione poco idratata. Siccome il ribosio ha -OH in posizione 2', l'RNA è instabile e non può assumere la forma B, ma assume la forma A.

con solchi maggiori stretti e profondi e solchi minori larghi e più accessibili. La forma Z invece è sinistrosa, è fenotipicamente "lunga e magra" rispetto alla forma B che risulta tarchiata. Anche la forma Z, come la forma A, può essere trovata in natura, specialmente in DNA con alto numero di alterazione tra purine e pirimidine. Esistono poi strutture a tripla elica e i quartetti G. Le strutture a tripla elica sono praticamente un duplex con 5' legato ad un 3', e il 3' è legato ad un terzo filamento che cresce in 3'. Dunque partendo da destra risulterebbero 3 filamenti con crescita 5' - 3' - 3'. Siccome non sono interamente legati questi filamenti, ma sono legati solo in zone specifiche in modo da formare un "biscotto", ogni intervallo che forma la tripla elica presenterà un solo tipo di basi azotate. In questo caso il 5' ha solo pirimidine (C e T) in

quella zona legata, il primo 3' avrà solo purine (G e A), metre l'ultimo 3'(quello che chiude il biscotto) avrà pirimidine come il 5'. I quartetti G invece si formano quando i filamenti presentano sullo stesso piano più di 3 di G consecutive. I filamenti possono essere attorcigliani uno intorno all'altro in modi diversi, oppure possono essere paralleli uno all'altro. Possiamo concludere citando le ultime forme; le strutture cruciformi e a forcina, che andremo a vedere più a fondo in seguito.

SUPERAVVOLGIMENTI E TOPOISOMERASI: Il DNA duplex si curva su se stesso, assume strane forme strutturali, e dunque forma spesso dei superavvolgimenti. Questi superavvolgimenti topologici devono aperti nelle origini di replicazione o delle regione dei promotori (quanto c'è bisogno di replicare il genoma) grazie all'energia a molla contenuta da questi superavvolgimenti. Questa energia può essere liberata quando: c'è

unadenaturazione (una separazione che avviene spesso tra A-T con sono due legami H), quando c'è la formazione di zone cruciformi che sottraggono giri di superavvoglimento, e quando c'è un cambio strutturale da forma B a forma Z grazie alla metilazione del DNA. I topoisomeri sono molecole circolari annodate generalmente prodotte da diversi eventi di ricombinazione. Queste strutture sono variazioni di writhe (numero di volte che l'asse centrale della doppia elica incontra se stessa) e differiscono solo per numero di legame (cioè il numero di 'bolle' che si formano quando i due filamenti s'incrociano rimanendo separati). I topoisomeri possono cambiare conformazione grazie a dei reagenti intercalanti come il bromuro di etidio, una molecola planare che si intercala tra le basi e diminuisce il twist di 26 gradi (13.8 molecola di etidio per srotolare il DNA di 360 gradi). Spesso i superavvolgimenti possono risultare dannosi e dunque uno o

entrambi i filamenti devono essere tagliati, fatti ruotare e infine rilegati. Per questo esistono le topoisomerasi, enzimi specifici in grado di tagliare il DNA. Tutte le DNA topoisomerasi hanno un meccanismo in comune, cioè il taglio: le topoisomerasi tagliano l'acido nucleico in zona del legame fosfodiesterico grazie alla tirosina attiva: un anello aromatico con gruppo OH in 1' presente sulla topoisomerasi, andando così a formare un legame OH (della toposimerasi) – gruppo fosfato (acido nucleico). Anche se la rottura e la rilegazione del legame fosfodiesterico non richiedono energia, l'intero processo di modifica topologica utilizza sempre l'energia libera contenuta nel DNA superavvolto per mantenere la stabilità. Le DNA topoisomerasi si differiscono invece per il meccanismo con il quale cambiano la topologia del DNA, e dunque esistono due strategie per portare avanti queste reazioni. La prima è la rotazione controllata che consiste in

Un semplice taglio su un filamento e rotazione, per poi rilegare. La seconda strategia è definita strand passage (passaggio del filamento) che consiste nel creare una rottura singola o doppio filamento, allargarla, e far passare attraverso il DNA per storcigliarlo, poi si rilega. La strand passage è quella adottata più frequentemente dalle topoisomerasi umane.

Le DNA topoisomerasi si differiscono anche per il meccanismo complessivo dello slegamento del DNA. Le topoisomerasi di tipo 1 (topoisomerasi 1A e 1B, generalmente dei monomeri) usano sempre il meccanismo strand passage, e tagliano solo un filamento uno dei due filamenti in 5' che formano DNA. La topoisomerasi di tipo 2 (dimeri o polimeri) ha un meccanismo più complesso. Questa infatti ha una struttura a doppio cancello con quattro pinze, il primo paio di pinze agganciano un intervallo di DNA, il secondo paio agganciano un'altra parte di DNA superavvolta.

Ora, la prima parte di DNA che è stata

agganciata viene tagliata completamente, cioè i due legami fosfodiesterici (uno per ogni filamento del duplex) vengono spezzati e si ha dunque un'apertura completa del duplex. Si è formato un cancello, ora le seconde pinze (agganciate alla seconda parte di DNA) potranno far passare il secondo pezzo di DNA attraverso questo buco/cancello.

STRUTTURA RNA: La differenza principale tra DNA ed RNA sta nello zucchero che costituisce la catena nucleotidica; il ribosio usato dal RNA ha un gruppo ossidrilico (OH) in posizione 2' che crea ingombro sterico e impedisce all'RNA di adottare una conformazione strutturale B (come quella del DNA fisiologico). L'RNA sappiamo che si presenta generalmente in forma di singolo filamento, ma può avere tratti dove assume forme simili al DNA-A. L'RNA ha molteplici funzioni all'interno della cellule perché può assumere diverse conformazioni. Sequenze diverse consentono la formazione di complessi strutturali.

costituiti da anse, forcine, gemme. Queste sono possibili per due ragioni: La prima è che le basi possono ruotare e piegarsi intorno al legame fosfodiesterico e ai legami che legano al ribosio; la seconda è che le basi dell'RNA possono impegnarsi in appaiamenti non canonici. Si possono identificare 12 famiglie di appaiamenti possibili.

Avevamo già accennato che il ribosio ha -OH in posizione 2' e dunque l'RNA è instabile, a causa di questa caratteristica l'RNA non può assumere la forma B (quella idratata), ma assume la forma A con solchi maggiori stretti e profondi che rendono inacessibile l'attacco di proteine, e solchi minori larghi e più accessibili. Inoltre il gruppo ossidrilico è molto reattivo perché la molecola di OH tende a fare attacchi nucleofili su acidi nucleici, questa caratteristica rende l'RNA un ottimo catalizzatore.

L'energia libera positiva è il lavoro necessario per assumere una

Certa configurazione, mentre l'energia libera negativa è il lavoro immagazzinato nel sistema che si libera. Siccome le energie libere (negative e positive) si sommano è possibile calcolare l'energia complessiva della struttura secondaria; quindi: tanto più negativa sarà l'energia libera – cioè tanto più energia sarà immagazzinata, tanto più sarà facile che si formi la struttura richiesta, perché c'è più energia. In generale molte anse (conformazioni) dell'RNA destabilizzano la struttura, altre invece sono molto vantaggiose per quanto riguarda la stabilità, questo grazie alle interazioni idrofobiche di impilamento, come:

• I tetraloop (una sequenza tipica di tetraloop GC – UGUU – GU) formato da uno stelo e un ansa circolare chiusa su se stessa.
• I pseudonodi sono le interazioni molecolari dove abbiamo l'RNA già ripiegato su se stesso in formato tetraloop.

stelo – ansa) però si ripiega ulteriormente usando sequenze complementari non vicine (ricorda un terreno che si ripeiga su di un albero). Un ottimo esempio di pseudonodo è