q In che modo viene conservato il materiale genetico? q Come viene decodificata l informazione contenuta nel materiale genetico?

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1 La vita dipende dalla capacità delle cellule di immagazzinare, recuperare e tradurre le informazioni genetiche necessarie per costruire e mantenere un organismo vivente. q L informazione viene trasmessa da ogni cellula attraverso la divisione cellulare q Da un organismo all altro attraverso le cellule riproduttive q Le istruzioni sono immagazzinate nella cellula sotto forma di GENI La Biologia Molecolare affronta lo studio dei meccanismi molecolari, alla base dell attività cellulare di tutti gli organismi viventi. I primi attori di questa scena, immensa dal punto di vista applicativo e microscopica dal punto di vista cellulare, sono il DNA, l RNA e le proteine. q In che modo viene conservato il materiale genetico? q Come viene decodificata l informazione contenuta nel materiale genetico? 1

2 1865 I geni sono dei fattori particolati Gregor Mendel scrive Esperimenti sugli ibridi vegetali in cui presenta i risultati dei suoi studi sull'ereditarietà nel pisello I cromosomi sono unità ereditarie Crow and Crow, 100 Years Ago: Walter Sutton and the Chromosome Theory of Heredity 1910 I geni sono localizzati nei cromosomi 1913 I cromosomi contengono degli insiemi lineari di geni (costruzione della prima mappa genica di un cromosoma) 1927 Le mutazioni sono dei cambiamenti fisici nei geni 1931 La ricombinazione è causata dal crossing- over 1944 Il DNA è il materiale genetico (Avery, McLeod e McCarty) 1945 Un gene codifica una proteina 1953 Il DNA ha una struttura a doppia elica (James Watson e Francis Crick (con l'aiuto di Rosalind Franklin) 1958 Il DNA si replica in maniera semiconservativa (esperimento di Meselson e Stahl) 1961 Il codice genetico è costituito da triplette di basi 1977 Sequenziamento del DNA (per la prima volta da Fred Sanger, Walter Gilbert e Allan Maxam in maniera indipendente) 1997 Sequenziamento di interi genomi 2003 Completato con successo il Progetto genoma umano: il 98% del genoma è sequenziato con un livello di precisione del 99.99% Paulev & Zubieta-Calleja, New Human Physiology, 2 nd ed 2

3 Cox, Doudna, O'Donnell «Biologia molecolare» Zanichelli L'essenziale di biologia molecolare della cellula(quarta edizione) Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter ZANICHELLI Gerald Karp Biologia Cellulare e Molecolare Concetti ed esperimenti EDISES 3

4 James D Watson, Tania A Baker, Stephen P Bell, Alexander Gann, Michael Levine, Richard Losick Biologia molecolare del gene Settima edizione ZANICHELLI Lizabeth A. Allison Fondamenti di biologia molecolare ZANICHELLI 1. Struttura del DNA le basi chimiche contiene materiale protetto da copyright, ad esclusivo uso personale; non è consentita diffusione ed utilizzo di tipo commerciale 4

5 Gli acidi nucleici, acido desossiribonucleico (DNA) ed acido ribonucleico (RNA), depositari dell informazione genetica sono formati da catene di NUCLEOTIDI uniti tra loro chimicamente. La struttura di ogni proteina è il prodotto di un informazione programmata della sequenza nucleotidica degli acidi nucleici in una cellula La CONSERVAZIONE e la TRASMISSIONE dell informazione genetica sono l unica FUNZIONE nota del DNA Il DNA è un polimero I suoi monomeri sono i NUCLEOTIDI I nucleotidi sono formati da: BASE AZOTATA v Gruppo fosfato v zucchero deossiribosio v base azotata Gruppo fosfato zucchero 5

6 Le basi eterocicliche presenti negli acidi nucleici appartengono a due classi: Pirimidina + imidazolo Adenina, guanina, citosina e timina si trovano nel DNA Adenina, guanina, citosina e uracile si trovano nell RNA 6

7 Gli zuccheri presen9 negli acidi nucleici sono 2- deossi- D- ribosio (DNA) e D- ribosio (RNA) 7

8 Legame b- glicosidico Ribosio Ribonucleosidi Desossiribosio Deossi- ribonucleosidi o Il legame tra basi eterocicliche e ribosio forma i diversi Nucleosidi o Il legame è di 6po β- N- glicosidico tra il Carbonio anomerico (C1) del ribosio e l N 9 delle purine o N1 delle pirimidine o Il legame può avere due orientazioni: Syn e An6. An6 è predominante o Hanno numerosi gruppi polari e sono solubili in acqua. Sono facilmente idrolizzabili da soluzione acquose di acidi. syn an9 8

9 I nucleo6di sono ESTERI FOSFATO dei nucleosidi. Il sito di fosforilazione è spesso l ossidrile al 5 del ribosio, ma può essere anche quello in 3 Possono essere mono- di- e tri- fosfa6 (Es.: TMP, TDP, TTP.) I di- e tri- fosfa6 sono lega6 da legame anidridico, stabile e ad alta energia TMP 9

10 Legame estereo Legame fosfoanidridico Legami fosfoanidridici q Unità strururali degli acidi nucleici q Deposito di energia delle reazioni di trasferimento di fosfato (ATP - GTP) q Mediatore di processi cellulari (camp) q Parte di coenzimi (NADH, FAD, CoA ) q Intermedi di reazioni sinte6che q (S- Adenosilme6onina) 10

11 Base Nucleoside Nucleotide Puriniche + deossiriboso (riboso) + fosfato adenina (DNA/RNA) (deossi- ) adenosina acido (deossi- )adenilico ((d- )AMP) guanina (DNA/RNA) (deossi- )guanosina acido (deossi- )guanilico ((d- )GMP) Pirimidiniche timina (solo DNA) (deossi- )timidina acido deossi- timidilico (d- TMP) citosina (DNA/RNA) (deossi- )citidina acido (deossi- )citidilico ((d- )CMP) uracile (solo RNA) uridina acido uridilico (UMP) L adenosintrifosfato (ATP) 11

12 La risonanza degli anelli delle basi determina assorbimento della luce ultravioletta alla lunghezza d onda di 265 nm. L assorbimanto nell ultravioletto è usato come tecnica per rivelare gli acidinucleici. 12

13 I nucleotidi trifosfati sono assemblati con legame fosfodiesterico tra il C3 di un nucleotide ed il C5 del nucleotide successivo. q Acido nucleico cos6tuito da deossinucleo6di concatena6 tramite legame fosfodiestereo. q La sequenza delle basi (polarità) che va, per convenzione, in direzione 5 è 3 determina la ² I nucleo6di sono lega6 l uno all altro arraverso il gruppo fosfato ² Gruppi fosfato e molecole di zucchero formano una successione lineare ² - Le basi azotate legate alle molecole di zucchero sporgono dalla strurura ² L uridina non è mai presente nel DNA, mentre la Timidina è specifica. ² Presenza di basi modificate (me=l- citosina) 13

14 struttura primaria del DNA è la sequenza di nucleotidi che costituiscono la molecola struttura secondaria è la configurazione tridimensionale stabile di una molecola di DNA struttura terziaria è il complesso ripiegamento cui il DNA genomico è soggetto all interno di una cellula Una molecola di DNA è formata da due catene di nucleotidi appaiate secondo le regole della complementarietà: doppia elica Come una scala a pioli avvolta a spirale dove i pioli sono le coppie di basi complementari v Elica destrorsa cos6tuita da due catene polinucleo6diche an9parallele v Le basi sono all interno dell elica allineate ad angolo rero con l asse dell elica v Le due catene sono unite da pon6 idrogeno v G- C formano 3 legami H v A- T formano 2 legami H Torsione 14

15 Distanza tra 2 basi 10 bp = 1 giro d elica Figura riportata nella pubblicazione originale di Watson e Crick " Nature,

16 1. Le due catene polinucelotidiche antiparallele sono avvolte ad elica attorno ad un asse comune e corrono in direzioni opposte. 2. Le basi si trovano all interno della elica, mentre i fosfati sono all esterno; il piano degli zuccheri è quasi perpendicolare a quello delle basi. 3. La struttura dell elica si ripete dopo 10 residui di ciascuna catena. Basi adiacenti formano un angolo tra loro di 36. NB: 1 ångström (Å) = 0,1 nm 4. I legami glicosidici di una coppia di basi sono sempre distanti tra loro 10.8 Å. Nel DNA la quantità di adenina (A) è sempre uguale alla quantità di timina (T) e la quantità di citosina (C) è sempre uguale alla quantità di guanina (G). Di conseguenza il quantitativo di basi puriniche (A+G) è sempre uguale al quantitativo di basi pirimidiniche (C+T). 16

17 caratteristico per ogni specie spesso utilizzato nella classificazione degli organismi Ogni 6po di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento opposto. Tale evento è noto come appaiamento complementare. Le basi puriniche formano legami idrogeno con le basi pirimidiniche: Adenina può legare solo Timina Guanina può legare solo Citosina L'associazione di due basi viene comunemente chiamata paio di basi (bp) ed è l'unità di misura maggiormente u6lizzata per definire la lunghezza di una molecola di DNA. 17

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19 Un appaiamento Guanina- Citosina cararerizzato da 3 legami idrogeno. Un appaiamento Adenina- Timina cararerizzato da 2 legami idrogeno. o Le basi sono molecole planari o Le basi sono idrofobiche la loro insolubilità in acqua determina il loro allineamento su piani paralleli come una pila di monete: IMPILAMENTO o Appaiamento delle basi che deriva dalla capacità di formare legami idrogeno 19

20 q I due tipi di paia di basi formano un numero differente di legami idrogeno: A e T ne formano due G e C ne formano tre q La stabilità del legame GC è decisamente maggiore di quello AT q La stabilità complessiva di una molecola di DNA è direttamente correlata alla frequenza di GC presenti nella molecola stessa, nonché alla lunghezza dell'elica stessa. q Una molecola di DNA è dunque tanto più stabile quanto più contiene GC ed è lunga q Regioni di DNA che devono essere separate facilmente contengono un'elevata concentrazione di A e T. q La stabilità dell'interazione tra filamenti è misurata attraverso la temperatura necessaria a rompere tutti i legami idrogeno: temperatura di melting (o T m ) q Quando tutti i legami idrogeno sono rotti, i singoli filamenti si separano e possono assumere strutture molto variegate. 20

21 Un aumento di temperatura rompe i legami idrogeno Metodo per seguire la separazione dei due filamenti di DNA determinata dall aumento di temperatura 21

22 Tautomeria: condizione in cui una molecola si presenta sotto due diverse forme pur avendo lo stesso numero di atomi. Tautomeria cheto- enolica della guanina forma chetonica forma enolica Tautomeria ammino- imminica della citosina forma amminica forma imminica 22

23 Ci possono cosi essere variazioni minori nella forma e nella costituzione del DNA. forme tautomere di basi rendono possibili varianti la formazione di A- C e T- G. 23

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