Testi x pdf. Nucleotidi, acidi nucleici

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1 Testi x pdf Nucleotidi, acidi nucleici

2 I Nucleotidi Hanno Tre Componenti

3 Nucleotidi (1) Un Nucleotide è una molecola costituita da un composto ad anello contenente azoto (N) legato ad uno zucchero con 5 atomi di carbono. Lo zucchero può essere o un riboso o un desossiribosio ed è a sua volta collegato ad uno o più gruppi fosfato.

4 Nucleotidi (2) Gli anelli che contengono N sono chiamati basi per ragioni storiche: in condizioni acide ciascuno di essi può legare un protone (H + ) e quindi aumentare la concentrazione di ioni OH - in soluzione acquosa. Vi è una forte somiglianza chimica fra le diverse basi azotate: La Citosina (C), la Timina (T) e l Uracile (U) sono chiamate pirimidine in quanto tutte derivano da un anello a sei atomi detto anello pirimidinico. La Guanina (G) e l Adenina (A) sono composti purinici ed hanno un secondo anello a 5 atomi fuso con l anello a 6 atomi.

5 Basi azotate presenti negli acidi nucleici Negli acidi nucleici e nei nucleotidi, l azoto in posizione 9 delle purine e l azoto in posizione 1 delle pirimidine (rosso) sono legati al carbono 1 del ribosio o del desossiribosio. =objectonly

6 I nucleosidi e i loro mono-, di- e tri-fosfati Base Nucleoside Nucleotidi Adenina (A) Deossiadenosina damp dadp datp Guanina (G) Deossiguanosina dgmp dgdp dgtp DNA Citosina (C) Deossicitidina dcmp dcdp dctp Timina (T) Deossitimidina dtmp dtdp dttp Adenina (A) Adenosina AMP ADP ATP RNA Guanina (G) Guanosina GMP GDP GTP Citosina (C) Citosina CMP CDP CTP Uracile (U) Uridina UMP UDP UTP

7 Nucleotidi (4) Oltre ad essere componenti degli acidi nucleici (DNA e RNA) i nucleotidi possono svolgere altre importanti funzioni. Es. La maggior parte dell energia utilizzata dagli esseri viventi deriva dall adenosina trifosfato (ATP) La guanosina trifosfato (GTP) è un nucleotide si lega d un gran numero di proteine ( proteine G ) e agisce da interrutore per attivarle. Proteine G monomeriche Proteine G trimeriche

8 Nucleotidi : Altre funzioni I nucleotidi possono giocare altri ruoli importanti: Il ribonucleotide ATP funge da trasduttore di energia in molte reazioni biochimiche. Il ribonucleotide GTP fornisce l energia per la sintesi proteica. Il camp (AMP ciclico) è un ribonucleotide speciale que è essenziale per l azione ormonale e per il trasferimento di informazione nel sistema nervoso.

9 Proteine G Funzionano da interrutori molecolari. Quando legano la guanosina trifosfato (GTP) si attivano ( on ) e quando legano la guanosina difosfato si disattivano ( off ). Le proteine G regolano enzimi metabolici, canali ionici, trasportatori di membrana, e altre componenti delle attività cellulari, controllando la trascrizione, motilità, contrattilità e secrezione che, a loro volta, regolano funzioni sistemiche quali lo sviluppo embrionale, l apprendimento e la memoria e l omeostasi. GTP

10 Caratteristiche Distintive del DNA e del RNA

11 DNA RNA Proteina Il DNA è una molecola informativa. L informazione è immagazzinata nell ordine in cui sono disposte le sue quattro basi differenti. Questo ordine è trasferito alle molecole di RNA, che sono usate per dirigere l ordine degli amminoacidi delle proteine.

12 Acidi Nucleici : Il RNA può essere catalitico Alcune molecole di RNA dette ribozimi possono fungere da catalizzatori. La scoperta dei ribozimi ha fornito una soluzione per la questione su chi è comparso prima quando la vita è iniziata, le proteine o gli acidi nucleici? Dato che il RNA può essere sia informazionale che catalitico, esso potrebbe avere funzionato come catalizzatore sia per la sua stessa replicazione che per quella delle proteine.

13 Le cellule contengono istruzioni che: Specificano STRUTTURA Dettano FUNZIONE Regolano ATTIVITA Le istruzioni vengono trasmesse fedelmente alle cellule figlie L informazione ereditaria é trasmessa sotto forma di unità distinte, i GENI costituiti da DNA. L informazione del DNA passa: fra generazioni di cellule: REPLICAZIONE DEL DNA all interno di ogni cellula: TRASCRIZIONE + TRADUZIONE

14 Nucleotidi (4) Sia il DNA che l RNA vengono sintetizzati a partire da nucleosidi trifosfati: Per il DNA: datp, dctp, dgtp e dttp Per il RNA: ATP, CTP, GTP e UTP. In entrambi i casi, dal momento in cui ogni nucleoside viene legato, i secondo e terzo gruppi fosfato vengono rimossi (idrolizzati).

15 RNA Da un punto di vista chimico, l RNA è molto simile al DNA. Tuttavia, ci sono alcune differenze principali: o L RNA usa lo zucchero RIBOSIO invece del Desossiribosio nel suo scheletro ( backbone ). o L RNA usa la base URACILE (U) invece della Timina (T). Anche U è complementare ad A. o L RNA tende ad essere a singolo filamento ( single strand ), ma alcune regioni possono ripiegarsi formando zone a doppio filamento. Differenze funzionali tra RNA e DNA o Il DNA ha una singola funzione; l RNA ha molteplici funzioni Esempi di tipi di RNA: trna, mrna, rrna.

16 Differenze Chimiche fra DNA e RNA (2) Sia il RNA che il DNA formano lunghe catene polinucleotidiche, non ramificate, in cui diverse basi puriniche o pirimidiniche sono riunite mediante legami N-glicosidici ad un impalcatura strutturale di zuccheri-fosfato. Le catene hanno una polarità. La sequenza di un acido nucleico viene per convenzione letta da 5 a 3. Ad esempio, la sequenza della molecola di RNA qui rappresentata é AUGC, mentre quella della molecola di DNA é ATGC. La sequenza di basi porta in se l informazione, ossia, la sequenza ATGC comporta un informazione diversa di quella di AGCT nonostante le stesse basi siano coinvolte.

17 Conseguenze della struttura chimica del RNA/DNA L impalcatura strutturale del DNA é più stabile, specialmente in condizione alcalina. Il gruppo OH nella posizione 2 del RNA può formare intermediari 2-3 fosfodiestere in condizioni basiche, che si rompono, dando una miscela di nucleosidi 2 e 3 monofosfati. Perciò il polinucleotide RNA é instabile. Il 2 desossiribosio permette allo zucchero di assumere una conformazione a minore energia nell impalcatura del DNA. Ciò aiuta ad aumentare la stabilità dei polinucleotidi. La deaminazione della Citidina a Uridina può essere identificata nel DNA, ma non nel RNA, perchè la deaminazione della citidina nel DNA porta a Uridina non a Timidina. Le basi Uridina nel DNA vengono rimosse da un sottogruppo di enzimi di riparo e sostituita con basi citidina.

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20 Regola di Chargaff

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23 James Watson & Francis Crick photocredit/achievers/wat0-013

24 Conclusioni di Watson & Crick sulla struttura del DNA (1953) Tratte dai dati cristallografici di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins Due catene polinucleotidiche elicoidali si avvolgono attorno ad un asse centrale con un diametro di 20 angstroms (10-10 m). Le due catene sono antiparallele (scorrono in direzioni opposte). Le impalcature di zucchero-fosfato rimangono all esterno della struttura. Le basi azotate sono perpendicolari all asse dell elica e separate da 3.4 angstroms. La struttura elicoidale si ripete ogni 34 angstroms, e quindi ci sono 10 basi per giro dell elica.

25 ... una modesta proposta... It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. -Watson & Crick, A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid, Nature Non è sfuggito alla nostra attenzione che l appaiamento specifico che abbiamo postulato suggerisce immediatamente un possibile meccanismo di copiatura per il materiale genetico

26 DNA polimerasi Tutti le DNA polimerasi note condividono due proprietà fondamentali che hanno implicazioni critiche per la replicazione del DNA: Tutte le polimerasi sintetizzano il DNA soltanto nel verso 5 a 3, aggiungendo un dntp al gruppo idrossilico della catena in crescita. Le DNA polimerasi possono aggiungere un nuovo desorriribonucleotide soltanto ad un primer (innesco) preformato che è legato mediante ponti di idrogeno al templato; non sono in grado di iniziare la sintesi del DNA de novo catalizzando la polimerizzazione di dntps liberi. Da questo punto di vista, le DNA polimerasi differiscono dalle RNA polimerasi, che possono inziare la sintesi di un nuovo filamento di RNA in assenza di un primer.

27 TIPI PRINCIPALI DI RNA PRODOTTI NELLE CELLULE Tipo di RNA mrna rrna trna snrna snorna Altri RNA non codificanti Funzione RNA messaggeri, codificano per proteine RNA ribosomiali, formano la struttura di base dei ribosomi e catalizzano la sintesi proteica RNA transfer, fondamentali per la sintesi proteica come adattatori fra mrna e aminoacidi piccoli RNA nucleari, agiscono in una varietà di processi nucleari, compreso lo splicing del pre-mrna piccoli RNA nucleolari, usati per processare e modificare chimicamente gli rrna Agiscono in diversi processi cellulari, compreso sintesi dei telomeri, disattivazione del cromosoma X, trasporto di proteine nell ER, regolazione genica (microrna)*.

28 Funzione e struttura del RNA La struttura terziaria del RNA é simile a quella del DNA, ma ci sono diverse differenze importanti: Il RNA di solito forma coppie di basi intramolecolari L informazione trasportata dal RNA non é ridondante perchè queste coppie di basi sono intramolecolari. I solchi maggiore e minore sono molto meno pronunciati. Tutti i ruoli svolti dal RNA (strutturale, adattatore informazionale, trasferimento di informazione) sono coinvolti nella decodificazione trasportata dal DNA.

29 RNA polimerasi nelle cellule eucariotiche Tipo di polimerasi Geni trascritti RNA polimerasi I geni degli rrna 5.8S, 18S e 28S RNA polimerasi II tutti i geni che codificano proteine, più geni di snorna e alcuni geni di snrna RNA polimerasi III geni dei trna, geni di rrna 5S, alcuni geni di snrna e geni per altri piccoli RNA RNA polimerasi mitocondriale* RNA polimerasi dei cloroplasti* geni mitocondriali geni dei cloroplasti *Le RNA polimerasi mitocondriale e dei cloroplasti sono simili agli enzimi batterici

30 TERMINOLOGIA DEL PROCESSAMENTO DEL DNA E DEL RNA Termine Replicazione Trascrizione Traduzione Significato letterale Fare un duplicato identico Copiare informazione da un supporto ad un altro, come avviene ad es. quando si passa da un nastro audio ad un testo scritto Prendere informazione da una lingua e convertirla in un altra lingua Processo in cui sono coinvolti gli acidi nucleici Usare una molecola di DNA come riferimento per ottenere due copie di molecole figlie identiche Copiare la sequenza di basi di una molecola di DNA sotto forma di sequenza di basi di una molecola di RNA Prendere la sequenza di codoni del mrna e convertirla in una catena di aminoacidi di una proteina

31 Maturazione del RNA TRASCRITTO primario: molecola di RNA appena prodotta per trascrizione del DNA. MATURAZIONE: Modificazioni chimiche necessarie per produrre un mrna funzionale a partire dal trascritto primario (precursore): RIMOZIONE DI REGIONI DEL TRASCRITTO PRIMARIO (es. splicing del mrna). AGGIUNTA DI MODIFICAZIONI DI SPECIFICI NUCLEOTIDI (particolarmente negli trna). Associazione con proteine. Passaggio dal nucleo al citoplasma

32 STRUTTURA DEI GENI DEGLI EUCARIOTI La maggior parte dei geni degli eucarioti contiene segmenti di sequenze codificanti (esoni) interrotte da sequenze noncodificanti (introni). Le sequenze di spaziatura ( spacers ) sono lunghe sequenze di DNA non codificanti che rimangono fra i geni. Cooper The Cell, a Molecular Approach (2 nd ed.)

33 mrna (1) Il RNA messaggero o mrna é una copia dell informazione trasportata da un gene sul DNA. Il ruolo del mrna é quello di trasportare l informazione contenuta nel DNA fino all apparato di traduzione. Il mrna é eterogeneo in dimensioni e sequenza.

34 mrna (3) Il mrna non viene sintetizzato direttamente nella cellula eucariotica. Esso é trascritto nel nucleo sotto forma di RNA nucleare eterogeneo ( heterogeneous nuclear RNA, hnrna). Il hnrna contiene introni ed esoni. Gl introni sono rimossi mediante splicing del RNA, lasciando gli esoni, che contengono l informazione, riuniti fra di loro. In alcuni casi, singoli nucleotidi possono venire aggiunti nel mezzo di una sequenza di mrna mediante un processo detto di editting del RNA.

35 Subunità dei ribosomi In tutte le cellule, ogni ribosoma consiste di una subunità grande e una piccola. Le due subunità contengono rrnas di diversa lunghezza e un insieme diverso di proteine. Tutti i ribosomi contengono due molecole principali di rrna (rosso scuro) 23S e 16S rrna nei batteri, 28S e 18S rrna negli eucarioti e uno o due piccoli rrna (rosso chiaro). Le proteine sono disegnate L1, L2, ecc e S1, S2, ecc., a seconda che siano presenti nella subunità grande ( large ) o piccola ( small»).

36 PROCARIOTI

37 EUCARIOTI

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39 La molecola di trna viene sintetizzata in due parti, Il corpo del trna é trascritto da un gene trna. Il braccio accettore ( acceptor stem ) é lo stesso per tutte le molecole di trna ed é aggiunto dopo che il corpo é stato sintetizzato. Esso viene sostituito spesso durante il tempo di vita di una molecola di trna. Il braccio accettore è il sito che trasporta uno specifico aminoacido, che é stato attaccato da una amino-aciltrna sintasi. L anticodone legge l informazione in una sequenza del mrna mediante accoppiamento di basi.

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41 STRUTTURA DEGLI RNA A FORMA TRIDIMENSIONALE COMPLESSA (es. rrna, trna) (1) Sia gli rrna che i trna devono la loro attività alle loro complesse strutture secondaria e terziaria. Diversamente dal DNA che ha struttura a doppia elica relativamente definita indipendentemente dalla sua origine, gli RNA si ripiegano in complesse forme tridimensionali, notoriamente diverse da un tipo di RNA all altro. Perciò, come le proteine, gli RNA sono in grado di svolgere molte funzioni, perchè possono assumere un gran varietà di forme. Come per le proteine, il ripiegamento degli RNA segue certe regole. Durante il ripiegamento delle catene proteiche che lavorano in ambiente acquoso i residui idrofobici vengono portati all interno- Nell RNA il ripiegamento dipende dalla formazione di regioni che hanno coppie di basi complementari. Le regioni di basi appaiate formano tipicamente degli steli a doppio filamento (e a doppia elica), connessi ad anse a filamento singolo.

42 STRUTTURA DEGLI RNA A FORMA TRIDIMENSIONALE COMPLESSA (es. rrna, trna) (2) A differenze del DNA, costituito unicamente dalle coppie di basi A-T e G-C, il RNA contiene spesso coppie di basi non convenzionali e basi azotate modificate. Queste regioni peculiari spesso fungono da siti di riconoscimento per proteine ed altri RNA Promuovono il ripiegamento del RNA Aiutano a stabilizzare la struttura della molecola. L appaiamento delle basi fra le diverse molecole di RNA svolge un ruolo cruciale nella gran parte delle attività in cui sono coinvolti gli RNA.

43 L RNA si può ripiegare in strutture specifiche. L RNA è in gran parte a singolo filamento, ma spesso contiene brevi tratti di nucleotidi che possono formare coppie di basi convenzionali con sequenza complementari presenti altrove sulla stessa molecola. Queste interazioni, insieme ad ulteriori interazioni di appaiamento non convenzionale di basi, permettono ad una molecola di RNA di ripiegarsi in una struttura tridimensionale che è determinata dalla sua sequenza di nucleotidi. (A) Diagramma di una struttura ripiegata di RNA che mostra soltanto interazioni di appaiamento convenzionale; (B) struttura con interazioni di accoppiamento convenzionale (rosso) e non convenzionale (verde); (C) struttura di un RNA reale, una porzione di un introne di gruppo 1. Ciascuna interazione di accoppiamento convenzionale é indicata da un piolo nella doppia elica. Le basi in altre configurazioni sono indicate da pioli spezzati.

44 RNA transfer (trna) Il trna é la molecola portatrice di informazione con funzione di adattatore. Rappresenta l interfaccia diretta fra la sequenza di aminoacidi di una proteina e l informazione sul DNA. Perciò essa decodifica l informazione sul DNA. Ci sono più di 20 diverse molecole di trna. Tutte hanno da 75 a 95 nucleotidi. Tutti i trna di tutti gli organismi hanno una struttura similare: in verità, un trna umano può funzionare in un lievito. Nelle molecole di trna ci sono 4 braccia (accettore, braccio D, braccio T pseudouridina C, braccio anticodone) e 3 loops. (loop D, loop T e loop anticodone). Talvolta le molecole di trna hannno un loop extra o variabile (uno é illustrato in giallo nella figura).

45 Struttura dei trna Struttura primaria e secondaria (1) Tutti i trna hanno una sequenza simile di 73 a 93 nucleotidi. L estremità 3 finisce sempre con la sequenza CCA, in cui il gruppo idrossilico 3 del ribosio della A terminale é il punto di legame covalente per l aminoacido. Essi contengono un certo numero (7-15%) di basi uniche/ o modificate. Queste vengono modificate post-trascrizionalmente dopo la sintesi, mediante l enzima RNA polimerasi.

46 Struttura dei trna Struttura primaria e secondaria (2) In particolare, l adenosina (A) nella prima o 5 posizione dell anticodone (corrispondente alla terza o posizione 3 del codone) é sempre modificata in inosina (I) che manca del gruppo aminico (-NH 2 ) nell anello purinico. L inosina può appaiarsi con A, U o C e perciò spiega molta della degenerazione del Codice Genetico (Teoria di Wobble). Adenosina

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48 Struttura dei trna Struttura Terziaria del trna (1) La struttura terziaria del trna é meglio descritta come una forma compatta a L. L anticodone é un loop a singola elica all estremità della Figura, che ulteriormente si appaierà con la tripletta codone. L aminoacido é legato alla A terminale sulla parte superiore destra. I siti attivi (anticodone e aminoacido) sono separati al massimo.

49 Struttura dei trna Struttura Terziaria del trna (2) Come succede con le proteine, la struttura terziaria é dettata dalla sequenza primaria. La struttura terziaria é stabilizzata da appaiamento tra basi e accatastamento di basi. Due aree (braccio anticodone e braccio accettore) formano una doppia elica.

50 CODICE GENETICO Codice mediante il quale la sequenza nucleotidica di una molecola di DNA o di RNA specifica la sequenza amminoacidica di un polipeptide. Consiste di codoni a tre nucleotidi che specificano un particolare amminoacido oppure dicono al ribosoma di fermare la traduzione e rilasciare il polipeptide. Con poche eccezioni, tutti gli organismi viventi utilizzano lo stesso codice. (Mathews et al., Biochimica)

51 Codiced Genetico (segue) Un gene una catena polipeptidica Corrispondenza lineare solo nei PROCARIOTI. EUCARIOTI: sequenze codificanti (esoni) + sequenza non codificanti (introni) ATTENZIONE: alcuni geni NON codificano per proteine (mediante un mrna), codificano per gli altri RNA: trna, rrna, snrna, snorna, ecc.

52 Codiced Genetico (segue) CODICE GENETICO detto «DEGENERATO» O «RIDONDANTE»: Un singolo amminoacido può essere specificato da più di una tripletta di nucleotidi. Non significa malfunzionalità (ambiguità). Aumenta l adattabilità del sistema di codificazione. Il codice genetico non è sovrapposto: Ogni nucleotide è parte di una sola tripletta.

53 Decodificazione di una molecola di mrna Ogni aminoacido addizionato all estremità crescente della catena polipeptidica viene selezionato mediante appaiamento complementare di basi fra l anticodone nel trna a cui é legato e il codone successivo nella catena del mrna

54 One gene --> one protein Same language/monomers Different language/monomers

55 Genetic code Triplet code Three basepairs specify one amino acid = codon

56 Genetic code Triplet code DNA Template strand = complementary to mrna Coding strand = nontemplate strand = similar sequence to mrna

57 Genetic code Triplet code DNA Template strand = complementary to mrna Coding strand = nontemplate strand = similar sequence to mrna Uracil used instead of Thymine

58 Genetic code Triplet code Nonoverlapping

59 Genetic code Triplet code Nonoverlapping Degenerate - 4 nucleotides -- > 20 amino acids doublet code --> > 16 combinations triplet code --> > 64 combinations

60 Genetic code Triplet code Nonoverlapping Degenerate Each amino acid specified by more than one nucleotide triplet (codon)

61 61 codons code for amino acids triplet code --> > 64 combinations

62 61 codons code for amino acids AUG = Met = start UAG UAA Stop UGA

63 Genetic code

64 Genetic code

65 «WOBBLE» NEL CODICE GENETICO (TENTENAMENTO) (1) D accordo con il codice genetico, una cellula avrebbe bisogno di trna con 61 diversi anticodoni per complementare i 61 codoni disponibili. Tuttavia, dovuto alla degenerazione del codice genetico, la terza base è meno discriminatoria per l aminoacido delle altre due basi.

66 «WOBBLE» NEL CODICE GENETICO (TENTENAMENTO) (3) I trna inoltre contengono una serie nucleotidi modificati. Uno di questi nucleotidi è l inosina (I). Se il trna contiene una Inosina nell anticodone in posizione wobble, questo trna può leggere codoni che hanno A, U oppure C nella terza posizione.