presentazione del prof. Ciro Formica Acidi nucleici - 3 presentazione del prof. Ciro Formica Struttura dei nucleotidi; Le basi azotate; Il criterio di complementarietà delle basi azotate; L'antiparallelismo delle due catene polinucleotidiche di una molecola di DNA. Il modello a doppia elica di Watson e Crick: correlare la sua struttura con le sue funzioni. Le caratteristiche degli Acidi nucleici. L’organizzazione del DNA nella cellula eucariote. Gli istoni Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org

I legami chimici nella doppia elica del DNA

Basi azotate: purine e pirimidine PURINE: 2 anelli eterociclici Numerazione della base azotata: nelle purine (2 anelli) in senso antiorario da 1 a 9 PIRIMIDINE: 1 anello eterociclico Numerazione della base azotata: nelle pirimidine in senso antiorario da 1 a 6 nel singolo anello

Purine: ADENINA, GUANINA In posizione 6: NH2 GUANINA In posizione 2: NH2 In posizione 6: C=O

Pirimidine: CITOSINA, TIMINA, URACILE In posizione 1: CH3 In posizione 4 e 6: C=O CITOSINA In posizione 6: NH2 In posizione 4: C=O URACILE In posizione 4 e 6: C=O

I NUCLEOSIDI Composti organici formati da una base purinica o pirimidinica e un pentoso (ribosio o desossiribosio), uniti con legame N-glicosidico. I nucleosidi vengono prodotti per idrolisi parziale dei nucleotidi. I principali nucleosidi sono l'adenosina, la guanosina, la citidina, l'uridina, la timidina e l'inosina.

Esempio di nucleoside ADENOSINA: ADENINA GUANOSINA: GUANINA CITIDINA: CITOSINA TIMIDINA: TIMINA Quando al posto del RIBOSIO c’è il DEOSSIRIBOSIO, il nome è preceduto da deossi: DEOSSIADENOSINA DEOSSIGUANOSINA DEOSSICITIDINA DEOSSITIMIDINA

I NUCLEOTIDI Esteri fosforici di un nucleoside formati dalla funzione alcolica –OH di un pentoso (ribosio o deossiribosio) esterificata con una o più molecole di acido fosforico + legame N-glicosidico con una base azotata (purina o pirimidina). Il termine “estere” viene in genere usato per indicare gli esterialcol+acidi organici, ma si estende anche agli esterialcol+ acidi inorganici Esempi Prodotto finale Acido+ Base forte  Sale CH3-COOH + NaOH CH3-COO-Na Acetato di sodio Acido organico+ alcol  Estere organico CH3-COOH + CH3CH2-OH CH3-COO-CH2CH3 Acetato di etile Acido inorganico+  Estere inorganico Acido fosforico + etanolo Fostato di etile Viene eliminata una molecola di H2O come nelle condensazioni

Zuccheri: ribosio e deossiribosio Numerazione degli zuccheri: in senso orario da 1’ a 5’, I primi 4 carboni sull’anello, il 5 fuori dall’anello. Nel DEOSSIRIBOSIO manca un atomo di OSSIGENO in posizione 2’

Gruppi fosfato Formula molecolare 1 H3PO4 Formula di struttura O- I HO-P=O OH Monofosfato Formula molecolare 3 H3PO4 Formula di struttura O- O- O- I I I HO-P-O-P-O-P=O OH OH OH trifosfato Formula molecolare 2 H3PO4 Formula di struttura O- O- I I HO-P-O-P=O OH OH difosfato Ciascun gruppo fosfato acquista una carica negativa quando cede un idrogeno; altri atomi di idrogeno vengono eliminati a causa dei legami dell’ossigeno.

L’esempio più noto di nucleotide: l’ATP (adenosintrifosfato) Il legame tra il ribosio C5’ e il fosfato è un processo di ESTERIFICAZIONE, che avviene tra un gruppo acido (fosfato) e un ossidrile (del ribosio), con eliminazione di una molecola di H2O. Il legame tra ribosio C1’ e base azotata avviene con l’azoto N9.

La molecola dell’ATP in 3D L’immagine riproduce la struttura tridimensionale dell’ATP ricavata dai dati contenuti in Protein Data Bank del NCBI. Sono rispettati i raggi di Van der Waals Legenda: carbonio – grigio, azoto – blu, fosforo – giallo, ossigeno – rosso [per concessione di Sung Choe] Tratto da: Darnell, Lodish et al. “Molecular cell biology - W.H.Freeman and Co cap 2- fig NN

Altre basi azotate: caffeina, acido urico, acido orotico In posizione 2 e 6: C=O ACIDO URICO In posizione 2, 6 e 8: C=O Inoltre: INOSINA e PSEUDOURIDINA basi anomale del tRNA

Caratteristiche della doppia elica Le bp (basi appaiate) si trovano su piani perpendicolari all’asse della DE, che è stabilizzata anche dalle interazioni idrofobiche tra le basi azotate

doppia elica e basi complementari I due filamenti sono antiparalleli perché decorrono entrambi in direzione 5’3’

Appaiamento delle basi del DNA A = T G  C T = A C  G T C A G 5’ 3’ denatured strands hybridized Hydrogen bonds Phosphate-sugar backbone Youtube: Corso citologia-DNA e cromosomi http://www.youtube.com/watch?v=el81jTUdl7s

Riassumiamo i dati sul DNA G C T A/T G/C A+G/C+T %G+C Uomo 31,0 19,1 18,4 31,5 0,98 1,04 1,00 37,5 Topo 28,6 21,4 21,7 28,4 1,01 0,99 43,1 Drosophila 27,3 22,5 27,6 45,0 Mais 25,6 24,5 24,6 25,3 49,9 E. coli 26,0 24,9 25,2 23,9 1,09 50,1 Percentuale di basi azotate nei DNA di varie specie Dati di Franklin Dati di Chargaff Dati di Pauling Distanza tra 2 eliche 2 nm In caso di legame purina-purina > 2 nm i filamenti formano una spirale , come per le proteine In caso di legame pirimidina-pirimidina < 2 nm appaiamento A-T (31%) G-C (19%) Negli acidi nucleici solo radioattività da 32P

Riassunto animato del DNA http://www.dnaftb.org/19/animation.html

Le 3 forme di DNA eucariote Parametro DNA A DNA B DNA Z Bp/giro 11 10 12 Diametro (nm) 2.6 1.9 1.8 Orientamento elica Destrorso Sinistrorso Distanza tra le coppie di basi (nm) 2,6 3,32 3.7 Inclinazione basi rispetto all'asse della doppia elica 20° 6° 7° Coppie di basi per giro 10,5 bp = base pairs (coppie di basi) nm = nanometri 10-9 m

Notare l’andamento sinistrorso della forma Z, di minore diametro, rispetto a quello destrorso di A e B. La forma B è la più comune tra gli eucarioti

Com’è organizzato il DNA nella cellula eucariote: il nucleosoma e gli istoni Oltre l’80% di DNA nelle cellule eucariotiche è organizzato sotto forma di nucleosomi ripetuti ognuno dei quali consiste di 200 bp di DNA associate ad un ottametro definito “core” istonico (H2A, H2B, H3, H4) ed un istone “linker” H1. L’ottamero è organizzato in: tetramero H32-H42 posto al centro del NUCLEOSOMA + 2 eterodimeri H2A, H2B attorno al tetramero. Gli istoni hanno p.m. 11-16 kD, H3 e H4 sono molto conservati dall’evoluzione. Il DNA è organizzato intorno agli istoni con superelica sinistrorsa, 1,65 giri e 10-11 bp.

Nucleosoma e istoni

A livello molecolare le interazioni del DNA con le proteine istoniche sono dovute a vari tipi di legami: - legami idrogeno che si instaurano tra gruppi fosfato del DNA e i residui amminici degli istoni, - interazioni elettrostatiche con la catena basica laterale. Linker H1-caratteristiche: Si trova negli eucarioti superiori stabilizza strutture cromatiniche superiori mediante neutralizzazione delle cariche elettrostatiche del DNA di unione, attraverso il suo dominio C-terminale molto ricco di residui amminoacidici carichi positivamente.

Dalla doppia elica al cromosoma

Dalla doppia elica al cromosoma

RNA e trascrizione

RNA e trascrizione

Il nuovo mondo degli RNA RNA non è solo: mRNA – veicola le informazioni dal DNA ai ribosomi per la biosintesi proteica tRNA – trasporta gli amminoacidi ai ribosomi rRNA – componente strutturale e funzionale basilare del ribosoma ma anche: Spliceosomal RNAs – parte del macchinario che stacca l’RNA non-codificante (introni) Small nucleolar RNAs (snoRNAs) –modifica l’rRNA del nucleolo. MicroRNAs (miRNAs) – brevi (21 nucleotidi) RNA che inibiscono la traduzione dei mRNA : sono oltre 250 e regolano più di 10.000 geni Small interfering RNAs (siRNAs) – simili ai precedenti ma innescano la distruzione dei mRNAs. Inoltre esistono degli mRNA non codificanti: da pseudogeni, 20.000 geni non più funzionanti che accumulano mutazioni antisenso, 9%: prodotti durante la trascrizione in senso opposto a quello normale RNA implicati nell’inattivazione genica di uno dei 2 cromosomi sessuali della femmina XX