DNA e RNA, Biochimica

Nucleotidi e acidi nucleici

Info generali

• Nucleoside: base azotata + zucchero
• Nucleotide: base azotata + zucchero + fosfato (mono-di-tri)

RNA e DNA

RNA:

• Catena di ribonucleotidi
• I ribonucleotidi che troviamo nel RNA sono:
  • Base azotata purina: adenina e guanina (doppio anello)
  • Base azotata pirimidinica: uracile e citosina (singolo anello)

DNA:

• Catena di deossiribonucleotidi
• I deossiribonucleotidi che troviamo nel DNA sono:
  • Base azotata purina: adenina e guanina
  • Base azotata pirimidinica: timina e citosina

Legame fosfodiestere

In entrambi gli acidi nucleici si polimerizzano con legami fosfodiestere tra 2 nucleotidi. (come se si creasse una struttura 1° degli acidi nucleici) In entrambi i casi di DNA o RNA, ci sarà questa specie di struttura primaria che è come se creasse uno scheletro, tramite legami fosfodiestere. Si crea quindi un legame tra il gruppo fosfato sul carbonio 5 e il gruppo OH in posizione 3. (vale per DNA e RNA)

5’ e 3’

Si crea quindi una catena con un inizio e una fine, che sono le estremità 5’ e 3’. L’estremità 5’ è sempre quella iniziale (come se fosse la N-terminale delle proteine) e l’estremità 3’ è sempre la finale (come se fosse la C-terminale delle proteine).

Struttura del DNA

L’identificazione fu fatta con la cristallografia a raggi X. Non era una semplice successione di nucleotidi ma vi era una doppia elica. Così da una struttura primaria si passa a una secondaria (la doppia elica, formata da 2 catene antiparallele tra loro) e infine a una terziaria (più complicata). Questa è la struttura della doppia elica destrorsa che presenta solchi maggiori e solchi minori. Si creano legami a idrogeno (interazioni deboli) che in questa struttura impegnano tutti i nucleotidi e quindi si creano legami idrogeno in successione.

• Tra adenina e timina ci sono 2 legami idrogeno
• Tra citosina e guanina ci sono 3 legami idrogeno

I legami a idrogeno sono permessi da gruppi funzionali (NH₂ o Co o l’anello) e perciò sono altamente specifici. Quindi nel DNA abbiamo tre tipi di legame:

1. Legame fosfodiestere (unici covalenti che assicurano la struttura primaria)
2. Legame idrogeno tra basi complementari (struttura secondaria)
3. Interazioni idrofobiche tra basi adiacenti

Variazioni conformazionali del DNA

• Formula B: più comune, più stabile, 10 nucleotidi per giro, destrorsa.
• Formula A: rara, più compatta, deidratata, 11 nucleotidi per giro. (prima si credeva che questa forma la si potesse ottenere solo con la purificazione del DNA, invece si è visto che alcune zone assumono questa struttura senza però saperne la funzione)
• Formula Z: sinistrorsa, 12 nucleotidi per giro, ha come funzione la regolazione dell’espressione genica e infatti si trova nelle zone iniziali dei geni che controllano l’espressione genica.

*Tutte queste sono varie forme che può assumere l’elica di DNA*

Zone del DNA

Le zone del DNA sono diverse, infatti per essere riconosciute zone con funzioni diverse, allora avranno forme o disposizioni o sequenze di basi azotate differenti.

Strutture insolite: Struttura a cruciforme, Struttura a forcina

Il primo nucleotide di una sequenza è complementare all’ultimo dell’altra sequenza.

Tripla e quadrupla elica

La presenza di quelle strutture particolari sul DNA, può fungere da segnale di riconoscimento. Ci sono anche regioni a tripla o quadrupla elica, però sono strutture momentanee. Si creano legami insoliti tra A-T e C-G. (G si lega a C che poi si lega a sua volta a G) se ce ne sono molti di questi legami si creano zone instabili.

Questi tipi di strutture si possono creare anche in laboratorio e se poi diamo questa sequenza a una cellula, se trova una zona sul DNA adatta, allora si possono creare queste zone a tripla o quadrupla elica che possono attivare o spegnere vari geni e funzioni cellulari.

Struttura terziaria

È un superavvolgimento che determina maggiore compattezza.

Eucarioti e procarioti

Il DNA è diverso tra eucarioti e procarioti:

• Per lunghezza e complessità (moltissimi geni per gli eucarioti e pochissimi per i procarioti)
• Negli eucarioti il DNA è lineare e si organizza in cromosomi, invece nei procarioti è piccolo e circolare
• Negli eucarioti c’è impacchettamento maggiore (nei procarioti è minore perché non c’è un luogo come il nucleo dove confinare il DNA)

Proteine vs DNA

A differenza delle proteine che devono necessariamente raggiungere la struttura secondaria per funzionare, il DNA funziona già in struttura secondaria, ma raggiunge la terziaria per una questione di spazio (più compatto).

Super avvolgimento dei procarioti

Il DNA circolare per riavvolgersi richiede delle topoisomerasi. Il riavvolgimento può avvenire in 2 sensi diversi:

• Riavvolgimento negativo (-) → meno avvolti i filamenti
• Riavvolgimento positivo (+) → più avvolti i filamenti

Quando il DNA deve duplicarsi si deve svolgere allora fa un superavvolgimento negativo, perché così i filamenti sono meno avvolti. La cosa importante è che il DNA è sempre superavvolto anche se in modo maggiore o minore.

Topoisomerasi

Rimuove le torsioni a valle della forcina di replicazione, introducendo tagli a singolo o doppio filamento sul DNA e imponendo ai due filamenti di riavvolgersi uno intorno all’altro. Esistono la topoisomerasi 1 e 2 per riavvolgimento + o -.

Le topoisomerasi determinano un aumento o una diminuzione del grado di superavvolgimento. Tali enzimi svolgono un ruolo fondamentale nell'impacchettamento e nello svolgimento del DNA degli eucarioti.

Nucleosoma

Unità strutturale del cromosoma eucariotico, DNA avvolto intorno a proteine basiche. Istoni: H1, H2A, H2B, H3, H4 (proteine che formano il nucleo). Gli istoni formano un nucleo dove il DNA gira intorno 2 volte e poi il DNA va in una zona detta nuda e poi di nuovo in un nucleo di istoni. Gli istoni quindi creano la struttura per il cromosoma.

Il DNA è acido ma non per colpa dei gruppi COO-.

Come il DNA lega gli istoni

Gli istoni sono proteine ricche di amminoacidi carichi positivamente (arginina e lisina) → prendono perciò il nome di acido. Il DNA è un acido (anche se non è un acido carbossilico ovvero non ha il COOH ma il gruppo fosfato che unisce un nucleotide all’altro, infatti il gruppo fosfato a pH fisiologico è uno ione negativo.) Essendo quindi il DNA acido si lega agli istoni che sono proteine basiche (tramite legami ionici). La singola pallina di istoni, intorno alla quale il DNA gira due volte → si chiama nucleosoma.

Cos’è il nucleosoma?

È alla base della struttura del cromosoma degli eucarioti, cioè è l’unità strutturale ed è formato da:

• Un nucleo centrale formato da proteine istoniche (basiche, ovvero cariche positivamente) attorno alla quale il DNA gira 2 volte (essendo carico negativamente) e (si formano legami ionici).

*domanda costruita per esame*

Avvolgimento, cromatina e cromosomi

Il DNA è lungo e il riavvolgimento avviene per tutta la sua lunghezza. Il cromosoma degli eucarioti è quindi formato da questa catena di perle, perle che si pongono tutte vicine tra loro, anche se all’inizio tra i vari nucleosomi c’è uno spazio di DNA nudo che poi tende a scomparire. Si forma così la struttura molto compatta che entra nel nucleo.

L’avvolgimento del DNA intorno ai nuclei e dei nuclei tra loro forma → la cromatina. Quando la cromatina si condensa va a formare i cromosomi.

Cromosomi

L’uomo ha 23 coppie di cromosomi, tutti di grandezza diversa, ma tutti con la stessa struttura. Questo è il cariotipo, ovvero il corredo cromosomico completo. Ogni cromosoma (costituito da 2 parti) ha una parte centrale che si chiama centromero e delle estremità che si chiamano telomeri.

• Ci sono 22 coppie di autosomi e 1 coppia di cromosomi sessuali.
• Ogni cromosoma ha un numero di geni diversi (tantissimi).
• Una sequenza di nucleotidi si chiama gene.
• Ciascun gene serve per produrre una proteina o esplicitare una funzione.

Cromosomi 2

• Il cromosoma più grande è quello X.
• Abbiamo 23 coppie perché 1 cromosoma viene dalla cellula uovo e uno dallo spermatozoo.
• Nelle gonadi il corredo cromosomico è singolo.
• Quando i gameti si uniscono si genera una cellula diploide.
• Nella cellula sessuale c’è un solo cromosoma.

Ricapitolo struttura

• Struttura primaria: catena polinucleotidica (legame fosfodiesterico)
• Struttura secondaria: doppia elica (legame a idrogeno)
• Struttura terziaria: collegamento istoni → nucleosomi → cromatina → cromosomi (diversi in eucarioti e procarioti)

Interazione DNA-proteine

Per svolgere la funzione di duplicazione e trascrizione o per legare gli istoni, il DNA deve interagire con diverse proteine tramite interazioni:

• Aspecifiche → indipendenti dalla sequenza di DNA
• Istoni: interazioni tra gruppi R degli amminoacidi e gruppo fosfato del DNA (legame istoni)
• Specifiche dipendono dalla sequenza di DNA → Fattori trascrizionali e di duplicazione: interazioni tra gruppi R degli amminoacidi e gruppi funzionali delle basi azotate. (gruppi funzionali non sono gli stessi che formano i legami idrogeno ma sono gruppi funzionali liberi)

Cambio conformazionale del DNA e delle proteine: interazioni aspecifiche.

DNA aperto-chiuso

• La doppia elica del DNA si può aprire (DNA si denatura) e poi richiudere (rinatura).
• Il DNA infatti prima di duplicarsi deve:
  1. Disavvolgere dalla struttura terziaria
  2. Si deve aprire la doppia elica, rompendo i legami idrogeno
  3. Si duplica solo quando è in struttura primaria.
• Appena viene copiata la nuova catena:
  1. Abbiamo una nuova catena polinucleotidica
  2. Crea legami a idrogeno con la catena dalla quale è duplicata
  3. Avviene il superavvolgimento.
  4. La doppia catena si apre anche quando ci sono variazioni di pH e di temperatura e poi torna chiusa quando le condizioni tornano standard.

Destino del DNA

Nella cellula il DNA è aperto grazie a determinati enzimi come, l’elicasi che ha appunto come funzione quella di aprire la doppia elica. A questo punto il DNA può essere duplicato (avviene una sola volta nella vita) o può essere trascritto (ogni volta che serve) (mRNA → tRNA → amminoacidi).

Nella traduzione sul cromosoma a 3 nucleotidi corrisponde un determinato amminoacido. Questo avviene perché i 3 nucleotidi (codoni) vengono riconosciuti da una sequenza complementare (anticodone) di un tRNA. Si creano legami idrogeno, cioè avviene riformazione dell'acido nucleico. Questi legami sono fondamentali altrimenti l’amminoacido non verrebbe inserito nella catena proteica che li sta trascrivendo.

RNA

Hanno caratteristiche comuni:

• Catena di poliribonucleotidi (struttura primaria con nucleotidi legati da legame fosfodiesterico)
• L’RNA ha una singola catena, anche se ci possono essere dei tratti a doppio filamento a causa di legami idrogeno tra nucleotidi della stessa catena (A → U 2 legami a idrogeno / C → G 3 legami)
• Ci sono diverse organizzazioni della struttura secondaria:
  • Zona a doppia elica
  • Zone che formano anse (servono per riconoscere qualcosa, ad esempio per riconoscere i nucleotidi complementari sul codone dell’mRNA)
  • Zona a forcina
  • Zona a singolo filamento (la gran parte)

Le forme particolari servono solo a mandare particolari segnali di riconoscimento.

RNA grandi

• RNA ribosomiale: rRNA, sono RNA strutturalmente grandi, assemblati nei ribosomi con dei ribonucleotidi. La quantità di RNA ribosomiale nella cellula è costante (non è oggetto di nessun controllo). È formato da zone a catena singola, doppia elica e a loop.
• RNA messaggero: mRNA, possono essere di grandezza variabile. La loro trascrizione è controllata (di alcuni ce n’è bisogno sempre della stessa quantità, di altri quantità variabili).

RNA ribosomiali

• Attraverso la formazione di complesse strutture terziarie e quaternarie, gli RNA ribosomiali (rRNA) si strutturano formando gli aggregati che costituiscono, insieme a varie proteine, le unità ribosomiali.
• Alcuni tipi di rRNA, ripiegandosi come le proteine, raggiungono livelli di organizzazione tridimensionale a cui sono associate funzioni biologiche anche di tipo catalitico nell’ambito dei processi di sintesi proteica.

RNA piccoli

• RNA di trasporto: tRNA, sono piccoli, formati da massimo 100 nucleotidi. Sono fondamentali sui ribosomi dove avviene la sintesi proteica (presenti in quantità costanti). Ci sono zone con particolari forme per riconoscere il codone e il legame con gli amminoacidi.
• RNA nucleari: small nuclear RNA, sono più piccoli del tRNA e servono per la modulazione del RNA messaggero. Vengono trascritti nel nucleo e restano nel nucleo. Devono individuare la zona dell’mRNA che devono essere tagliate e modificate.
• RNA interferenti: interferiscono con il processo di trascrizione genica e quindi la controllano (cioè controllano la trascrizione e l’espressione di alcuni geni).
• Micro RNA: regolano l’espressione dei geni. Sono importanti nelle fasi di crescita, di differenziamento cellulare e dello sviluppo.

tRNA

• I tRNA presentano una struttura primaria (la sequenza di nucleotidi 5’ → 3’), una struttura secondaria (chiamata comunemente struttura “a trifoglio”), ed una struttura terziaria (un ripiegamento 3D a forma di L che permette loro di entrare nei siti P ed A dei ribosomi).
• Il braccio accettore all’estremità 3’-OH, introdotto con la maturazione del trascritto primario, consente di trasportare gli amminoacidi sui ribosomi durante la traduzione. Gli amminoacil-tRNA si formano attraverso reazioni catalizzate dalle amminoacil-tRNA sintetasi.
• Il braccio A, o braccio dell’anticodone, contiene la tripletta che, mediante l’interazione con il codone dell’mRNA, consente di posizionare lo specifico amminoacido nella corretta posizione durante la sintesi proteica.

Funzioni finali del RNA

• La quantità di tipi di RNA presenti dipende dalla funzione.
• I piccoli RNA vengono usati per far sì che un gene non venga trascritto e influenzano quindi anche la traducibilità del messaggio.

Trascrizione controllata

L’RNA messaggero con una struttura a loop viene riconosciuto tramite queste strutture, da particolari proteine che si trovano nel citosol e che servono a regolare la messa in traduzione dell’mRNA stesso. L’mRNA viene trascritto e modificato → esce dal nucleo e va in traduzione.

In un organismo superiore questo mRNA è importante perché deve produrre una proteina importante, bisogna controllare l’accesso del RNA messaggero ai ribosomi. Dobbiamo lasciarlo in stand-by nel citosol finché non viene dato l’ok di andare sul ribosoma. Qui dovrebbe essere aggredito dalle nucleasi (enzimi di degradazione). Per gli mRNA più importanti esistono proteine citosoliche che rivestono queste particolari sequenze loop. Si comportano così come dei cappucci sull’mRNA, che è mantenuto così fermo nel citosol e non viene tradotto. Oppure se c’è il segnale la proteina cappuccio porta l’mRNA sul ribosoma per essere tradotto. Quindi in alcuni casi delle proteine a cappuccio riconoscono determinate sequenze e inibiscono il passaggio dell’mRNA sul ribosoma, in altri casi invece ne favoriscono il passaggio fino ai ribosomi.

Il metabolismo del DNA

Il metabolismo del DNA si divide in:

• Duplicazione
• Trascrizione

Per metabolismo si intende la capacità di... (continua)