Genetica molecolare: DNA e RNA, duplicazione, trascrizione, traduzione e mutazioni

Procarioti vs. eucarioti

Conservazione → processi mantengono perché funzionano in modo o male:

• Enzimi per duplicazione/trascrizione
• Codice genetico
• Membrana plasmatica
• Metabolismo

Principali differenze:

• DNA corto-circolare con poche proteine
• DNA lungo-lineare unito a proteine
• Può vivere da sola
• Organismi pluricellulari (differenziamento)
• Parete cellulare
• No organelli - ha organelli
• No introni - ha introni (2% del DNA è codificante)

Materiale genetico

Doveva essere:

• Capace di replicarsi
• Mutare in modo stabile
• Determinare caratteristiche genetiche

Esperimenti chiave

Griffith → Ceppo R (innocuo) + ceppo S (virulento) ucciso col calore = topo muore

"L'informazione genetica può essere trasferita"

Avery → Ceppo R + proteine S = topo vive; ceppo R + DNA S = topo muore

"L'informazione genetica è nel DNA"

Hersey & Chase → Fagi marcati con P³²/S³⁵ infettano batteri

Con frullatore separano capsidi (vuoti) dai batteri poi centrifuga:

• Le proteine S³⁵ (capside) sono nel supernatante
• Il DNA P³² è invece insieme ai batteri nel precipitato

"Ciò che viene trasmesso è il DNA che perciò è il materiale genetico"

DNA nucleotide

Zucchero pentoso + gruppo fosfato + base azotata

Basi azotate:

• Purine (A-G): 2 anelli
• Pirimidine (C-T): 1 anello

Charga: %A = %T %G = %C

Legami molecola:

• Legami H tra le basi dei due filamenti (A-T: 2 legami C-G: 3 legami)
• Legame fosfodiestereo tra fosfato e C3 dello zucchero successivo

Legami nucleotidi:

• Legame covalente glicosidico tra base azotata e C1 dello zucchero
• Legame fosfodiestereo tra fosfato e C5 dello zucchero
• Legame fosfoanidridico tra i gruppi fosfato

Filamenti:

• Doppia elica
• Antiparalleli: i due filamenti hanno polarità opposta
• Complementari

Replicazione DNA

Modelli di replicazione

• Conservativo → Vecchi filamenti si associano e nuovi filamenti si associano
• Semiconservativo → Nuova molecola = 1 filamento vecchio e 1 filamento nuovo
• Dispersivo → Tra di filamenti nuovi associati a tra di filamenti vecchi

Fasi della replicazione

1. Origine di replicazione
   • Porzione di DNA dove inizia l'apertura della doppia elica
   • Sequenza di 100 nucleotidi composta da unità di 14 nucleotidi ripetute
   • Di solito sono sequenze facili da aprire (A-T)
   • 1 nei procarioti (oriC), molte negli eucarioti
   • A essa si legano proteine iniziatrici che attivano il complesso di replicazione
2. DNA elicasi
   • Rompe legami a H separando i 2 filamenti (usa ATP) → Crea forcelle di replicazione
3. Forcella di replicazione
   • È il punto in cui i due filamenti si stanno separando
   • Procarioti: 2 forcelle che poi si incontrano
   • Eucarioti: 2 forcelle per ogni origine di replicazione (bolle di replicazione)
4. Proteine SSB
   • Legano il lagging strand per evitare che i due filamenti si riassocino
5. Primasi
   • Sintetizza un primer di 5-10 nucleotidi di RNA
   • La polimerasi per sintetizzare ha bisogno di un tratto preesistente a cui legarsi (OH 3’ libero)
   • Leading strand: 1 primer, lagging strand: 1 primer per frammento di Okazaki
   • Aiuta la DNA polimerasi a commettere meno errori
6. Pinza
   • Anello che mantiene DNA polimerasi unita al filamento e le permette di progredire
   • Assemblata grazie a idrolisi di ATP fatta dal caricatore della pinza
7. DNA polimerasi
   • Polimerizza nucleotidi trifosfato: la rottura del legame coi 2 P libera ATP per muovere polimerasi
   • Attività catalitica: crea legami tra nucleotidi ma non rompe legami H
   • Necessita di stampo e di primer
   • Lega estremità 3’ libera e polimerizza 5’-3’
   • Filamento leader: stampo 3’-5’, la polimerasi sintetizza in modo continuo 5’-3’, è la polimerasi che si muove
   • Filamento lagging: stampo 5’-3’, si forma un'ansa per permettere alla polimerasi di sintetizzare da uno stampo 3’-5’, la polimerasi è ferma ed associata alla polimerasi del filamento leader, il filamento si muove e si stacca quando incontra il primer del frammento di Okazaki successivo (il quale è già stato sintetizzato), verrà sintetizzato un nuovo primer e il filamento si riassocerà alla polimerasi
8. DNA ligasi
   • Lega tra loro i frammenti di Okazaki

DNA polimerasi

Procarioti:

• I) Sostituisce primer RNA (esonucleasi 5’-3’ / 3’-5’)
• II) Riparazione DNA
• III) Sintetizza filamento

Eucarioti:

• α) Associata alla primasi e sintetizza il lagging strand
• β) Riparazione DNA
• γ) DNA mitocondriale
• δ) Sostituisce primer RNA
• ε) Sintetizza leading

Topoisomerasi

Topoisomerasi I: elimina i superavvolgimenti (precede elicasi)

• Lega un fosfato del filamento e rompe legame fosfodiestere
• L'estremità libera ruota intorno al filamento intatto svolgendo i superavvolgimenti
• Il filamento viene riunito

Topoisomerasi II: divide 2 doppie eliche concatenate

• Rompe entrambi i filamenti di un'elica
• Atraverso la rottura viene fatta passare l'altra elica
• L'elica rotta viene riunita

Cromosoma

Lunga molecola di DNA associata a proteine in una struttura compatta visibili solo prima della divisione (di solito è in forma meno compatta: cromatina)

In divisione cellulare: 2 cromatidi fratelli (associati nel centromero)

Cromosomi omologhi: cromosomi con stessi geni nella stessa posizione ma in differenti forme alleliche. 1 dal padre e 1 dalla madre.

Unica coppia non omologa: XY

Telomeri: estremità dei cromosomi, si accorciano ad ogni divisione cellulare, perciò non contengono geni ma sequenze ripetute (GGGTTA), se non ci sono più la cellula inizia a perdere l’informazione genetica e muore

Telomerasi

Perché a ogni duplicazione i telomeri si accorciano?

• L'ultimo RNA primer del lagging strand non può essere sostituito poiché non c’è OH 3’ libero a cui può attaccarsi la DNA polimerasi
• Eliminando il primer, questo processo porta alla progressiva accorciamento dei telomeri