Il materiale genetico DNA e RNA

Composizione chimica del DNA e RNA

Dopo aver esaminato tutte le varie prove che hanno dimostrato che DNA e RNA sono i depositari dell'informazione genetica, studiamo ora qual è la loro composizione chimica. Sia il DNA che RNA sono polimeri, ossia grandi molecole formate dall'unione di molecole più piccole e simili tra loro dette monomeri. I monomeri che formano DNA e RNA sono detti nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da: - un composto azotato ciclico (base azotata) che può essere una purina o una pirimidina. Le purine sono formate da un doppio anello azotato e rappresentate dall'adenina (A) e guanina (G), le pirimidine sono invece composte da un singolo anello azotato e abbiamo la citosina (C), uracile (U si trova solo nel RNA) e timina (T sono nel DNA). Anche nelle basi azotate, così come negli zuccheri, le singole posizioni degli atomi di N e C sono indicate con dei numeri da 1 a 9 nelle purine e da 1 a 6 nelle pirimidine. È da notare

l'assenza dell'appendice sopra il numero che consente di distinguere, negli acidi nucleici, la numerazione riferita alle basi azotate rispetto a quella riferita agli zuccheri.

-uno zucchero a 5 atomi di carbonio (numerati da 1' a 5') cioè desossiribosio (nel DNA con H al carbonio 2') e ribosio (nell'RNA con OH al carbonio 2').

-un gruppo fosfato 3. La combinazione di zucchero, base azotata e gruppo fosfato è detta nucleotide. Le basi azotate si uniscono all'atomo di carbonio 1' dello zucchero mediante un legame covalente glicosidico mentre il gruppo fosfato si lega al carbonio 5' dello zucchero mediante un legame estere. Nel caso del DNA si parla di desossiribonucleotidi mentre nel caso dell'RNA di ribonucleotidi. La combinazione del solo zucchero e base azotata è detta nucleoside.

Questa tabella è riassuntiva e può essere utile per la nomenclatura dei nucleotidi e dei nucleosidi. I nomi sono:

assegnati a seconda della base azotata e in funzione dello zucchero sia esso ribosio o desossiribosio. I nucleotidi sono uniti tra loro da un legame covalente, un legame fosfodiesterico che avviene tra il fosfato legato al carbonio 5' dello zucchero di un nucleotide e il gruppo OH legato al carbonio 3' dello zucchero di un nucleotide precedente. Si tratta di un legame forte e di conseguenza la struttura zucchero-fosfato che forma l'ossatura sia di DNA che RNA è molto stabile. Da notare che la catena polinucleotidica di DNA e RNA ha una polarità 5'-3' cioè a un'estremità della catena il gruppo fosfato legato al carbonio 5' dello zucchero è libero cioè non impegnato nel legame fosfodiesterico mentre all'altra estremità è il gruppo OH legato al carbonio 3' dello zucchero ad essere libero.

STRUTTURA DEL DNA

Nel 1953 Watson e Crick proposero un modello di struttura chimica e fisica del DNA

struttura a doppia elica. In particolare, i dati di Wilkins e Franklin suggerivano che il DNA fosse una lunga catena di nucleotidi avvolta su se stessa formando una doppia elica. La struttura a doppia elica del DNA è composta da due filamenti di nucleotidi che si avvolgono l'uno intorno all'altro. Ogni filamento è costituito da una sequenza di nucleotidi, che sono le unità fondamentali del DNA. Un nucleotide è composto da una base azotata (adenina, timina, citosina o guanina), uno zucchero (deossiribosio) e un gruppo fosfato. I due filamenti del DNA sono collegati tra loro attraverso legami deboli tra le basi azotate: l'adenina si lega sempre alla timina tramite due legami idrogeno, mentre la citosina si lega sempre alla guanina tramite tre legami idrogeno. Questa complementarità delle basi azotate è fondamentale per la stabilità e la replicazione del DNA. La struttura a doppia elica del DNA è stata scoperta nel 1953 da James Watson e Francis Crick, che hanno ricevuto il premio Nobel per questa scoperta.

Struttura organizzata formata da due filamenti paralleli tra loro con delle substrutture che si ripetono con una periodicità di 0.34 nanometri lungo l’asse della molecola. Tornando al modello di Watson e Crick, il DNA è costituito da due filamenti di nucleotidi affiancati e avvolti a formare una doppia elica destrorsa, cioè i due filamenti si avvolgono in senso orario. L’impalcatura zucchero-fosfato si trova all’esterno della doppia elica e le due catene polinucleotidiche sono tenute insieme da legami H tra le basi di ogni filamento, le quali sono impilate in posizione perpendicolare all’asse della molecola. Le coppie di base distano di 0.34 nanometri e ogni giro completo della doppia elica contiene 10 coppie di basi e si estende per una lunghezza di 3.4 nanometri. Nella molecola di DNA i due filamenti sono antiparalleli, ciò significa che l’estremità 5’ si trova di fronte all’estremità 3’ dell’altro filamento.

Le basi dei due filamenti sono unite da legami H in cui l'adenina lega la timina con un doppio legame H e la citosina lega la guanina con un triplo legame H. I legami H sono relativamente deboli e questo facilita la separazione dei due filamenti necessaria nello svolgimento delle diverse funzioni della molecola del DNA. Le coppie adenina-timina e citosina-guanina sono dette "coppie di basi complementari". Infatti, conoscendo la sequenza di un filamento è subito nota anche quella del filamento complementare.

Il DNA può esistere in diverse forme che differiscono tra di loro per la direzione dell'elica che può essere destrorsa o sinistrorsa, oppure per il numero di basi che si possono trovare per ogni giro della doppia elica o per il diametro dell'elica stessa. Abbiamo la forma:

A-DNA: che si ritrova solo in condizioni di bassa umidità e in alte concentrazioni saline. Questa forma ha l'elica destrorsa e contiene 11 basi per giro di elica.

elica.B-DNA: che si ritrova in condizioni fisiologiche di umidità più elevata ed è la forma descritta dal modello di W e C ed è la principale forma in cui si trova il DNA all'interno delle cellule. Vi è quindi un'elica destrorsa e 10 basi per giro di elica.

Z-DNA: ha un'elica sinistrorsa ed è tipica delle regioni di DNA ricche in coppie C-G e ha 12 basi per giro di elica.

STRUTTURA RNA

Riguardo alla struttura dell'RNA, questo è formato da una singola catena polinucleotidica. I nucleotidi sono sempre uniti da un legame fosfodiesterico, lo zucchero è il ribosio e la base azotata timina è sostituita dall'uracile. Distinguiamo di nuovo una polarità 5'-3' che significa che il carbonio 5' dello zucchero è libero ad una estremità mentre il carbonio 3' è libero all'altra estremità. L'RNA pur essendo a singolo filamento, può ripiegarsi e

Se un filamento di DNA nella doppia elica di Watson e Crick ha una sequenza di basi: 5’ – GTCATGAC – 3’

Qual è la sequenza di basi del filamento complementare? 3’ – CAGTACTG – 5’

Se in una molecole di DNA a doppio filamento il 33% delle basi è rappresentato da guanina, quale sarà in percentuale la quantità di citosina, adenina e timina?

6Citosina sarà come la guanina quindi 33% : G=33% e C=33% Di conseguenza: 100-66 (somma di C+G) = 34 (somma di A+T) Se A+T= 34 vuol dire che (34/2=17) A=17% e T=17%

ORGANIZZAZIONE DEL DNA NELLE CELLULE Sappiamo che il DNA, sia nelle cellule eucariotiche che procariotiche, si associa a delle proteine per formare delle strutture ben

Definite dette cromosomi. Definiamo il genoma come l'insieme del materiale genetico contenuto in ogni cellula di un determinato organismo. Il materiale genetico di ciascuna specie vivente è organizzato in cromosomi, il cui numero è tipico della specie. Ad esempio, i batteri hanno il proprio materiale genetico contenuto in un singolo cromosoma, nella Drosophila ce ne sono 8, nel topo 40 e nell'uomo 46.

ORGANIZZAZIONE DEL DNA NEI PROCARIOTI

Vediamo ora nel dettaglio la struttura dei cromosomi, in particolar modo, iniziamo dai batteri ovvero dai procarioti. Il materiale genetico è organizzato in un singolo cromosoma rappresentato da una molecola di DNA a doppia elica circolare. I batteri hanno il proprio genoma presente in singola copia e per questo si dice che sono monoploidi. Questo per distinguerli dalle cellule eucariotiche diploidi che hanno, invece, due copie di ciascun cromosoma. In figura è schematizzata una cellula batterica e un cromosoma batterico.

Se si

Esamina una cellula batteria al microscopio elettronico, si vede che il suo DNA appare come una struttura densa detta nucleoide localizzata in una precisa regione del citoplasma. Aggiungiamo, inoltre, che alcuni batteri hanno il genoma suddiviso in una o due o più molecole di DNA circolari o lineari. In figura è mostrata una cellula batterica di Escherichia coli vista al microscopio elettronico dopo esser stata disgregata per lisi. Questa massa di filo che la circonda, non è altro che il DNA batterico fuoriuscito per lisi e se potessimo misurare la lunghezza di questo filo vedremmo che si estende per circa 1 mm ossia ha una lunghezza mille volte superiore a quella del batterio E. Coli. Questo fa capire che il DNA deve compattarsi all'interno della cellula. All'interno della cellula batterica, quindi, il DNA si trova in una forma condensata a cui partecipano delle specifiche proteine che si associano al DNA stesso. Nella figura è schematizzata la molecola di DNA.

circolare nella forma rilassata (a sinistra) e (sulla destra) nella forma condensata. Secondo questo modello di impacchettamento di DNA, la molecola circolare si trova in una forma superavvolta e ulteriormente ripiegata a formare delle anse stabilizzate da un nucleo proteico centrale.

La molecola quindi si trova in una forma super avvolta e questi avvolgimenti sono catalizzati da enzimi quali topoisomerasi e girasi. Queste molecole di DNA super avvolte si condensano ulteriormente a formare delle anse a cui partecipano delle proteine basiche cioè con carica positiva a pH neutro (HU è la proteina più abbondante). Se restiamo nell'esempio di Escherichia coli, il cui cromosoma è formato da circa 4 megabasi ossia 4 milioni di nucleotidi, si ha che ogni ansa che si forma include circa 10 mila nucleotidi per un totale di 400 anse di DNA super avvolto. Ciascuna ansa, che è poi indipendente dalle altre, si irradia da un nucleo proteico centrale formato da diverse

uiamo due tipi di cromatina: la cromatina eterocromatica e la cromatina eucromatica. La cromatina eterocromatica è una forma di cromatina più densa e compatta, mentre la cromatina eucromatica è meno densa e più accessibile per l'attività dei geni. La cromatina è costituita da DNA, proteine istoniche e proteine non istoniche. Le proteine istoniche sono fondamentali per l'organizzazione del DNA, mentre le proteine non istoniche svolgono diverse funzioni all'interno del nucleo. Le proteine istoniche si legano al DNA formando una struttura chiamata nucleosoma. Ogni nucleosoma è composto da un ottamero di proteine istoniche attorno al quale si avvolge il DNA. Questa struttura a forma di perla si ripete lungo il DNA formando una struttura a zig-zag chiamata solenoide. Le proteine non istoniche, invece, svolgono diverse funzioni all'interno del nucleo. Alcune di queste proteine sono coinvolte nella regolazione dell'espressione genica, mentre altre sono coinvolte nella riparazione del DNA danneggiato. Inoltre, il DNA degli eucarioti è organizzato in cromosomi durante la divisione cellulare. Durante questa fase, la cromatina si condensa ulteriormente formando cromosomi ben definiti. In conclusione, il DNA negli eucarioti è organizzato in cromosomi e la sua struttura è regolata da proteine istoniche e non istoniche. La cromatina eterocromatica è più densa e compatta, mentre la cromatina eucromatica è meno densa e più accessibile per l'attività dei geni. Durante la divisione cellulare, la cromatina si condensa ulteriormente formando cromosomi ben definiti.