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Lezioni di biochimica 2 2 2

Nucleotidi e acidi nucleici Lezione 3 Nucleotidi e acidi nucleici 3 © Zanichelli editore, 2014 3

Gli acidi nucleici contengono l'informazione genetica (I) L’acido ribonucleico (RNA) e l'acido desossiribonucleico (DNA) sono i depositari dell'informazione genetica. Essi sono polimeri, ovvero macromolecole costituite dalla ripetizione di unità semplici (monomeri). Le unità degli acidi nucleici sono i nucleotidi. © Zanichelli editore, 2014 4 4

Gli acidi nucleici contengono l'informazione genetica (II) L'ordine in cui sono disposti i singoli nucleotidi nella catena polimerica dell'acido nucleico specifica il loro contenuto di informazione genetica. Negli organismi viventi il DNA serve a immagazzinare e trasmettere alla progenie l'informazione genetica. L'RNA, invece, serve a rendere disponibile l'informazione per la sintesi delle proteine o svolge ruoli di regolazione. © Zanichelli editore, 2014 5 5 5

I nucleotidi: ribosio e desossiribosio (I) L’unità base degli acidi nucleici sono i nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da due molecole chimiche differenti: uno zucchero e una base azotata. Lo zucchero ha la seguente formula generale: © Zanichelli editore, 2014 6 6

I nucleotidi: ribosio e desossiribosio (II) Nell'RNA, al carbonio C2 dello zucchero sono legati un idrogeno e un gruppo –OH: è il D-ribosio. Nel DNA, in posizione C2 sono legati due idrogeni a formare il 2-desossi, D-ribosio. © Zanichelli editore, 2014 7 7 7

I nucleotidi: struttura generale (I) Essendo zuccheri ciclici, il carbonio C1 del ribosio e del desossiribosio è anomerico e lega la base azotata con legame β-N-glicosidico: tutti i nucleotidi sono quindi β-anomeri rispetto allo zucchero. © Zanichelli editore, 2014 8 8

I nucleotidi: struttura generale (II) La molecola formata da base + zucchero è detta nucleoside. Si ha un ribonucleoside se lo zucchero è il D-ribosio (RNA) o un desossiribonucleoside se lo zucchero è il 2-desossi-D-ribosio (DNA). © Zanichelli editore, 2014 9 9 9

I nucleotidi: struttura generale (III) Le catene di DNA e RNA sono formate dai derivati 5'-fosfato dei nucleosidi, ovvero molecole che hanno un gruppo fosforico legato al carbonio C5 dello zucchero. Questi nucleosidi 5'-monofosfati sono detti nucleotidi. Struttura generica di un nucleotide © Zanichelli editore, 2014 10 10

I nucleotidi: le basi azotate (I) I nucleosidi contengono principalmente cinque differenti basi azotate: tre di tipo purinico e due di tipo pirimidinico. Le basi pirimidiniche derivano dalla pirimidina, un composto eterociclico formato da un anello a 6 atomi. La loro formula generale è: © Zanichelli editore, 2014 11 11

I nucleotidi: le basi azotate (II) Le basi puriniche derivano dalla purina, formata da due anelli condensati, e hanno la seguente formula generale: © Zanichelli editore, 2014 12 12

I nucleotidi: le basi azotate (III) Le basi puriniche presenti nei nucleosidi sono: l’adenina; la guanina. Queste basi si trovano sia nei ribo- sia nei desossiribonucleosidi (quindi sia nell’RNA sia nel DNA). © Zanichelli editore, 2014 13 13

I nucleotidi: le basi azotate (IV) Le basi pirimidiniche presenti nei nucleosidi sono: la timina che si trova solo nel DNA; la citosina che si trova sia nell’RNA che nel DNA; l'uracile che si trova solo nell'RNA. © Zanichelli editore, 2014 14 14

I nucleotidi: nomenclatura I nucleosidi (e i corrispondenti nucleotidi fosforilati) prendono il nome dalla base azotata e dallo zucchero, secondo lo schema sottostante: Zucchero Base Nucleoside Acido Nucleico D-ribosio Adenina Adenosina RNA 2-desossi-D-ribosio Desossiadenosina DNA Uracile Uridina Timina Timidina Guanina Guanosina Desossiguanosina Citosina Citidina Desossicitidina © Zanichelli editore, 2014 15 15

I nucleotidi: formula di struttura Nucleotidi purinici O Nucleotidi pirimidinici © Zanichelli editore, 2014 16 16

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi monofosfati L'RNA e il DNA sono formati da catene di nucleotidi 5'-monofosfati, legati tra loro da un legame 5' -3' fosfodiesterico, ovvero tra il gruppo fosforico al C5 dello zucchero di un nucleotide e il gruppo –OH al C3 dello zucchero del nucleotide adiacente. © Zanichelli editore, 2014 17 17

Acidi nucleici: struttura generale Da un punto di vista chimico, nel polimero di DNA o RNA si può distinguere uno scheletro zucchero-fosfato, costituito dai pentosi legati tra loro dai gruppi fosforici, che conferisce la struttura portante. DNA scheletro zucchero-fosfato © Zanichelli editore, 2014 18 18

Acidi nucleici: struttura generale Le basi non fanno parte della struttura portante, ma possono essere considerate delle catene laterali, analogamente ai gruppi R degli amminoacidi nelle catene polipeptidiche. Le basi conferiscono a un acido nucleico molte delle sue caratteristiche. RNA Le basi dei nucleotidi sono analoghe a gruppi funzionali © Zanichelli editore, 2014 19 19 19

Il DNA: la doppia elica In natura, il DNA si trova sotto forma di due filamenti appaiati. I due filamenti di DNA assumono la forma di una doppia elica. © Zanichelli editore, 2014 20 20

Il DNA: appaiamento di basi Gli appaiamenti non sono casuali: l'adenina può appaiarsi solo alla timina, formando due legami idrogeno; la citosina si appaia solo alla guanina, formando tre legami a idrogeno. © Zanichelli editore, 2014 21 21

Il DNA: complementarietà A causa degli appaiamenti obbligati tra le basi, la sequenza (cioè l'ordine in cui si susseguono i nucleotidi nel polimero) di un filamento della doppia elica non potrà essere identica a quella dell'altro filamento, ma sarà complementare. In virtù della complementarietà, conoscendo la sequenza di un filamento è possibile ricavare quella del filamento opposto. © Zanichelli editore, 2014 22 22

Il DNA: antiparallelismo Si considera primo nucleotide di un filamento di DNA quello con l'estremità 5'-fosfato non impegnata in un legame; l'ultimo sarà quello con l'estremità 3'-OH libera. Per via della complementarietà delle basi, i filamenti opposti di DNA sono orientati in senso antiparallelo, ovvero alla sequenza da 5' a 3' di un filamento, corrisponde la sequenza complementare dell'altro ma orientata da 3' a 5'. © Zanichelli editore, 2014 23 23

I diversi tipi di RNA (I) Nella cellula esistono diversi tipi di RNA con specifiche funzioni: RNA messaggero (mRNA): contiene l'informazione corrispondente a una proteina e ne rende possibile la sintesi da parte del ribosoma; RNA ribosomiale (rRNA): essenziale per la formazione del ribosoma. È l'RNA più abbondante nella cellula; © Zanichelli editore, 2014 24 24

I diversi tipi di RNA (II) RNA transfer (tRNA): è un corto RNA che trasporta gli aminoacidi al ribosoma. Esistono tRNA specifici per ciascun aminoacido; microRNA (miRNA): sono RNA che non codificano per alcuna proteina, ma si legano agli mRNA inibendone la funzione. © Zanichelli editore, 2014 25 25 25

RNA: aspetti strutturali L'RNA è presente nelle cellule come singolo filamento. Le sequenze complementari tendono ad appaiarsi creando strutture secondarie, ovvero corti tratti di RNA a doppia elica. Queste strutture sono essenziali per le funzioni dell'RNA. Un esempio di RNA altamente strutturato è il tRNA. La struttura del tRNA © Zanichelli editore, 2014 26 26

La sintesi degli acidi nucleici: le polimerasi Il DNA e l'RNA nella cellula sono sintetizzati dai nucleotidi trifosfati e da un filamento di DNA che funge da stampo. Gli enzimi per la sintesi sono le polimerasi e le DNA polimerasi sono specifiche nell'unire i desossinucleotidi trifosfati, generando DNA. Le RNA polimerasi sono specifiche per i ribonucleotidi trifosfati e quindi sintetizzano RNA. © Zanichelli editore, 2014 27 27

Le DNA polimerasi (I) Le DNA polimerasi necessitano di tre elementi: un filamento di DNA stampo; un corto innesco (primer) di DNA complementare al filamento stampo, che fornirà l'estremità 3'-OH di partenza; una miscela dei quattro desossinucleotidi trifosfati. © Zanichelli editore, 2014 28 28

Le DNA polimerasi (II) La DNA polimerasi si lega al filamento stampo a livello dell'innesco complementare, poi lega il nucleotide trifosfato che porta la base complementare a quella presente sul filamento stampo. Alla fine si forma un legame fosfodiesterico, con liberazione dei due fosfati non utilizzati (pirofosfato) e allungamento della catena di DNA di un nucleotide. © Zanichelli editore, 2014 29 29 29

Le RNA polimerasi Le RNA polimerasi funzionano in maniera analoga, ma non necessitano di un primer. Il posizionamento della RNA polimerasi sul filamento di DNA da copiare è guidato sia dalla sequenza dello stampo, sia da proteine accessorie che legano la polimerasi. © Zanichelli editore, 2014 30 30

La replicazione del DNA: generalità (I) Ogni cellula, prima di dividersi, deve duplicare il suo DNA per trasmettere l'informazione genetica alle cellule figlie. Questo è possibile grazie a un complesso di numerosi enzimi e proteine. L'enzima centrale è la DNA polimerasi, che genera una copia complementare di ciascun filamento del DNA originale. © Zanichelli editore, 2014 31 31 31

La replicazione del DNA: generalità (II) Da una doppia elica parentale saranno generate due doppie eliche, di cui un filamento sarà neosintetizzato e uno sarà quello della coppia originale: per questo la replicazione del DNA viene detta semiconservativa. © Zanichelli editore, 2014 32 32

La replicazione del DNA: meccanismo (I) La DNA polimerasi necessità di altri enzimi: primasi (che sintetizza il primer) elicasi (che aprono la doppia elica parentale); ligasi (che uniscono i diversi segmenti neosintetizzati per ricostituire l'integrità del cromosoma). © Zanichelli editore, 2014 33 33

La replicazione del DNA: meccanismo (II) © Zanichelli editore, 2014 34 34 34

DNA e codice genetico (I) L'ordine dei nucleotidi, cioè l'informazione necessaria alla sintesi delle proteine, è innanzitutto copiata nell'mRNA, che esce dal nucleo e si lega al complesso proteico che sintetizza le proteine, il ribosoma. L'informazione genetica utilizza un codice a triplette: tre nucleotidi specificano un singolo aminoacido. Ciascuna tripletta prende il nome di codone. © Zanichelli editore, 2014 35 35

DNA e codice genetico (II) Per sintetizzare una proteina di 100 aminoacidi servono almeno 300 nucleotidi, a cui vanno aggiunte le sequenze che indicano l'inizio e la fine della sequenza codificante. Nel codice, per ogni amminoacido esiste più di un codone, ci sono tre codoni di fine sequenza e uno solo di inizio. Tabella del codice genetico © Zanichelli editore, 2014 36 36 36

La sintesi proteica (I) La fase in cui l'informazione genetica è copiata dal DNA nell'mRNA è detta trascrizione e avviene nel nucleo grazie all'RNA polimerasi. La fase in cui la proteina è sintetizzata a partire dall'mRNA è detta traduzione e avviene nel citoplasma, a livello dei ribosomi, localizzati in prossimità del reticolo endoplasmatico rugoso. © Zanichelli editore, 2014 37 37

La sintesi proteica (II) Sia la trascrizione sia la traduzione hanno tre fasi: inizio; allungamento; terminazione. RNA polimerasi e ribosoma necessitano quindi di segnali che indichino il punto di inizio e di fine, rispettivamente, dell'mRNA e della catena polipeptidica. © Zanichelli editore, 2014 38 38

La sintesi proteica (III) I segnali per la RNA polimerasi consistono di speciali sequenze di DNA chiamate promotori e terminatori. Il segnale di inizio per il ribosoma è il codone per la metionina AUG. Il segnale di terminazione per il ribosoma è dato dai codoni di stop: UAA, UAG, UGA. © Zanichelli editore, 2014 39 39 39

La sintesi proteica (IV) © Zanichelli editore, 2014 40 40