Alcune domande di carattere evolutivo

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Gabriela Locatelli
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1 Alcune domande di carattere evolutivo 1. Perché tutti gli organismi viventi (a parte le solite, rare, eccezioni usano lo stesso insieme di 20 aminoacidi? Interrelazioni tra organismi 2. Perché gli amino acidi sono 20? 3. Perché le basi sono 4? Universalità Genetica quantistica 4. Perché gli amino acidi sono tutti levogiri? Eigen 5. Perché sono stati selzionati gli amino acidi a? Folding spontaneo

2 Luce solare piante clorofilla En. chimica atmosfera Anidride carbonica Glucosio e Sostanze organiche Acqua O 2 animali ambiente Acqua e Sali minerali residui organici batteri terreno

3 Perché gli amino acidi sono 20? Evoluzione da un codice a doppiette 4 2 = 16 triplette ad un codice a triplette 4 3 = 64 triplette Degenerazione della terza posizione CCU CCC CCA CCG UCU UCC UCA UCG GGU GGC GGA GGG ACU ACC ACA ACG prolina serina glicina treonina GUU GUC GUA GUG CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA valina leucina isoleucina Maggiore affinità Migliore selettività Maggiore affidabilità Biosintesi degli aa

4 Maggiore affinità Quantum genetics

5 aa che danno origine ad altri aa (*) aa essenziali: non sono prodotti in quantità sufficiente dall organismo e devono essere assunti con la dieta. Isoleucina Leucina Lisina Metionina Fenilalanina Treonina Triptofano Valina UGU UGC CAA CAG CCU CCC CCA CCG AGA AGG UCU UCC UCA UCG GGU GGC GGA GGG GAA GAG AAU AAC ACU ACC ACA ACG AUG GUU GUC GUA GUG GAU GAC AUU AUC AUA CUU CUC CUA CUG AAA AAG ACU ACC ACA ACG UUU UUC UAU UAC UGG CAU CAC UAU UAC

8 Dal glutammato alla prolina GAA GAG CCU CCC CCA CCG Dal 3-fosfoglicerato alla serina

9 Da omocisteina e serina a cisteina

10 Dal corismato a fenilalanina e tirosina UUU UUC UAU UAC

12 Perché gli amino acidi sono tutti levogiri? Fluttuazione selezione alla Eigen Universalità efficienza

13 Perchè gli amino acidi sono tutti a-amino acidi? Funzioni di stato termodinamiche

14 Folding reazione r k n r: random coil (unfolded) n: stato nativo (folded) k: costante della reazione La variazione di energia libera nella reazione (folding) sarà G Tot H Tot T S Tot con S Tot S catena S solvente nel vuoto S W Tot S W catena S n S r RlnW Dove n e r sono le probabilità che il sistema si trovi nei due stati n e r rispettivamente ( molteplicità dello stato) n RlnW r W Rln W n r

15 Esempio: catena polipeptidica composta da 100 aa Stato n singola a-elica f e y ~ -60º Stato r random coil f e y qualsiasi (N.B. i valori degli angoli diedri nelle catene laterali sono supposti essere qualsiasi, a meno degli impedimenti sterici, in entrambi i casi) R C a C a C C C a C R R

16 Grafico di Ramachandran a-elica ~ 10% della superficie accessibile La probabilità che un singolo residuo si trovi in a-elica è ~ 10% W n 0.1 per residuo La probabilità che f e y assumano un valore qualsiasi W r 1 per residuo catena ( ) ( W n W r ) catena 100 (0.1) (1) per l intera catena S catena S n S r R ln( W R ln( W 1 100R ln 100R ln Kcal K 10 1 mol 1 n ) catena r ) catena R ln(0.1) 100 R= cal K 1 mol 1 = x10-3 Kcal K 1 mol 1

17 Trascurando il contributo del solvente (folding nel vuoto) G cat H cat T S cat H cat 310*( 0.46) H 143 cat Kcal mol 1 Perché il folding sia «spontaneo» G 0 H 0 H 143 cat cat cat Kcal mol 1 H 100 H cat H residuo residuo Kcal mol 1 ~ energia del legame idrogeno

18 F H :F (161.5 kj/mol or 38.6 kcal/mol) O H :N (29 kj/mol or 6.9 kcal/mol) O H :O (21 kj/mol or 5.0 kcal/mol) N H :N (13 kj/mol or 3.1 kcal/mol) N H :O (8 kj/mol or 1.9 kcal/mol) HO H :OH 3 + (18 kj/mol or 4.3 kcal/mol

19 Figure 3-7d,e,f Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

20 Catene di b amino acidi rotazione libera intorno a Ca-Cb, angolo diedro, w w è un ulteriore grado di libertà per residuo Facciamo l ipotesi che siano da considerarsi diverse due strutture che abbiano w diversi di almeno 10 per ogni precedente stato ci saranno ulteriori W n configurazioni accessibili per residuo S b catena R 100 ln(0.03) * S a catena Per il folding spontaneo sarebbe necessaria l entalpia di formazione di un legame covalente per residuo

21 Legame lunghezza Å H-Idrogeno H-H H-C H-N H-O H-F H-Cl H-Br C-Carbonio C-C C=C C C C-N C-O C-F C-Cl C-Br C-S Entalpia KJ/mol Legame lunghezza Å N-Azoto N-H N-C N-N N N O-Ossigeno O-H O-C O-O O=O Entalpia KJ/mol H:1; C: 6; N:7; O:8; F:9; S:16;Cl:17;Br:35

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