LOCALIZZAZIONE CELLULARE DEGLI ACIDI NUCLEICI

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1 GLI ACIDI NUCLEICI PROF.SSA AUSILIA ELCE

2 Indice 1 INTRODUZIONE LOCALIZZAZIONE CELLULARE DEGLI ACIDI NUCLEICI PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEL DNA BIBLIOGRAFIA di 13

3 1 Introduzione sono macromolecole che esplicano il ruolo di conservare, trasportare e replicare l informazione contenuta all interno dei geni ed indispensabile per tutti i processi biologici. Per la loro natura chimica, gli acidi nucleici possono essere considerati come polimeri di nucleotidi, ovvero molecole più piccole composte da uno zucchero, un gruppo fosfato ed una base azotata. I cinque atomi di carbonio si uniscono a formare una struttura ad anello chiusa da un atomo di ossigeno, intorno alla quale si dispongono i restanti atomi. Il carbonio in posizione 3' lega un gruppo -OH di un gruppo fosfato il quale, a sua volta, lega in posizione 5' di un nucleotide adiacente, così come mostrato in figura 1. Tale legame che si istaura tra due nucleotidi viene chiamato legame fosfo-diesterico. A seconda del fatto che si tratti di acido desossiribonucleico (DNA) oppure acido ribonucleico (RNA) è possibile trovare all interno della struttura il ribosio oppure il desossiribosio. Entrambi sono zuccheri pentosi, ma il desossiribosio differisce dal ribosio per l'assenza di un atomo di ossigeno in posizione 2' della catena carboniosa (fig.2). 3 di 13

4 Figura 1: il desossiribosio è presente nel DNA. Tra due nucleotidi facenti parte della stessa catena si istaura un legame fosfodiesterico. Tale legame prevede che ogni nucleotide in posizione 3 realizzi un legame con un gruppo fosfato, il quale a sua volta è legato al 5 del nucleotide successivo. Figura 2: differenze nella struttura chimica fra ribosio e desossiribosio. 4 di 13

5 In posizione 1 del carbonio, lo zucchero lega una base azotata (fig.3). Figura 3:formula di struttura dei nucleotidi. Le basi azotate rappresentano composti di natura basica caratteristici degli acidi nucleici. In figura 4 sono riportate le basi azotate presenti in natura e tipiche del DNA e dell RNA. 5 di 13

6 Figura 4: le basi azotate Adenina, Guanina, Citosina e Timina sono basi contenute nel DNA, mentre Uracile, Citosina, Guanina ed Adenina sono basi contenute nell RNA. Dunque in quest ultimo, la Timina è sostituita dall Uracile. Timina ed Uracile, insieme alla Citosina sono basi azotate di natura pirimidinica, accumunate dal fatto di essere costituite da un unico anello eterociclico composto da Azoto (N) e Carbonio (C). Le basi puriniche Adenina e Guanina, invece, possiedono un doppio anello composto da Azoto e Carbonio. Il DNA possiede una struttura caratteristica, proposta per la prima volta nel 1953 dagli scienziati James D. Watson e Francis Crick. Il modello sviluppato da questi autori prevedeva una strutturazione del DNA che è quello rappresentata in figura 5 e caratterizzata dalla famosa doppia elica, costituita da uno scheletro composto da zucchero e fosfato a cui sono legate covalentemente le basi azotate. Le basi azotate sono a loro volta legate tra loro 6 di 13

7 mediante legami deboli, definiti anche ad idrogeno, poiché intervengono tra idrogeno ed un atomo più elettro negativo come l ossigeno o l azoto. Tali legami sono di natura elettrostatica e dunque più facilmente reversibili rispetto ai legami covalenti, i quali richiedono maggiore energia per essere spezzati. Le basi azotate stabiliscono legami complementari tra loro e nello specifico le basi puriniche stabiliscono legami esclusivamente con basi pirimidiniche e viceversa secondo la seguente specifica associazione: Guanina-Citosina, Adenina-Timina nel DNA. Nell ibrido DNA- RNA che si forma a seguito della trascrizione del DNA, la Timina nell RNA è sostituita dall Uracile, pertanto troveremo l associazione Adenina-Uracile e non Adenina-Timina. 7 di 13

8 2 Localizzazione cellulare degli acidi nucleici Negli organismi eucariotici, gli acidi nucleici sono localizzati in distretti cellulari specifici quali il nucleo, il citoplasma ed i mitocondri. Il DNA è contenuto all interno del nucleo, dal quale è separato fisicamente mediante la membrana nucleare. In tale sede ha luogo anche la sintesi dell RNA a partire dal trascrizione del DNA. L RNA maturo è in grado di traslocare dal nucleo al citoplasma attraverso specifici pori nucleari e solo dopo opportune modificazioni post trascrizionali. Nel citoplasma esso è tradotto in proteina, grazie all azione dei complessi ribosomiali. Un gene rappresenta una regione fisica del DNA che codifica per un dato prodotto. Questo prodotto può essere di natura proteica oppure costituito da acido ribonucleico, come nel caso ad esempio degli RNA transfer. A seconda dello specifico destino e del ruolo svolto, i prodotti della trascrizione possono direzionarsi in distretti cellulari differenti dal nucleo. I mitocondri sono anch essi organuli che ospitano una particolare tipologia di acido nucleico: il DNA mitocondriale. Tale DNA è sempre di derivazione materna, dal momento che gli spermatozoi non trasferiscono mitocondri alla cellula uovo fecondata, pertanto tali organuli provengono esclusivamente dalla cellula uovo. Il DNA mitocondriale è costituito da una serie di molecole circolari a doppia elica. I due filamenti dell elica differiscono nella composizione, poiché un filamento (il cosiddetto filamento pesante H) è ricco di basi guaniniche, mentre quello leggero (L) presenta molte basi citosiniche. Il DNA mitocondriale costituisce il genoma eucariotico più studiato e ben decodificato per varie specie. Nell uomo esso è composto da coppie di basi, si replica autonomamente e codifica per 37 geni. L ordine di tali geni lungo il filamento di DNA è altamente conservato nell uomo, nel topo, nel ratto e nel bovino. Sono presenti 2 geni per l RNA ribosomale, 22 geni per gli RNA transfer necessari per la sintesi proteica mitocondriale, e 13 geni che codificano per i polipeptidi di quattro subunità 8 di 13

9 enzimatiche coinvolte nella fosforilazione ossidativa. Le restanti diverse centinaia di proteine necessarie per tutte le funzioni metaboliche dei mitocondri, come pure le numerose altre necessarie alla replicazione, trascrizione e traduzione del genoma mitocondriale, sono codificate dal DNA nucleare. 9 di 13

10 3 Principali caratteristiche del DNA Generalmente in natura è possibile osservare tre differenti tipologie di struttura per il DNA, la forma A, B e Z. La struttura tridimensionale del DNA descritta da Watson e Crick è definita forma B del DNA. Sono state poi osservate altre possibili strutture che il DNA può assumere: la forma A e la forma Z ( figura 5). La forma A è favorita in soluzione povere di acqua. Il DNA si organizza in una doppia elica destrorsa più larga, che contiene 11 residui per ogni giro. La forma Z è una doppia elica sinistrorsa che consta di 12 residui per ogni giro d elica, dunque è più compattata rispetto alla forma A. La forma B, caratterizzata da un elica destrorsa che si avvolge con un passo d elica pari a 3,4 nm, contiene circa 10 residui per giro d elica. Figura 5 Ogni cellula del nostro organismo contiene circa 1 miliardo di nm (all incirca 1 metro) di filamenti di DNA racchiusi nel proprio nucleo. Il diametro medio del nucleo di una cellula eucariotica è all incirca pari a 7 µm. Dunque, l unica maniera per custodire tale materiale genetico è 10 di 13

11 quella di compattarlo il più possibile. All interno del nucleo il DNA, la cui natura è acida, è legato a proteine di natura basica, gli istoni, attorno ai quali si avvolge la doppia elica. Gli istoni si organizzano il strutture ottameriche (8 proteine: due istoni di tipo H2A, due istoni di tipo H2B, due istoni di tipo H3 e due istoni di tipo H4). Il legame DNA-istoni porta alla formazione di strutture chiamate nucleosomi. La cromatina è caratterizzata da questo susseguirsi di nucleosomi che le attribuiscono il tipico aspetto a collana di perle osservabile al microscopio elettronico. All interno delle cellule tale struttura subisce ulteriori avvolgimenti, in maniera tale da renderla più compatta possibile. I cromosomi rappresentano un ulteriore spiralizzazione dei nucleosomi (figura 6). Figura 6 Nell uomo ogni cellula possiede un corredo genetico composto da 46 cromosomi. Tali cromosomi sono strutturati (nelle cellule somatiche) in coppie. L unica coppia di cromosomi che può presentare differenze strutturali importanti a seconda del genere è quella dei cromosomi sessuali, che nel maschio sono rappresentati dalla coppia XY e nella femmina dalla coppia XX, mentre tutte le altre coppie presentano omologie strutturali dei propri membri. Tale corredo è definito diploide ovvero, i cromosomi sono presenti nel nucleo in coppie di omologhi. Le cellule 11 di 13

12 germinali, ovvero i gameti (cellula uovo e spermatozoi), presentano un corredo cromosomico definito aploide. In questo tipo di cellule, infatti, i cromosomi non sono presenti a coppie (figura 7). Oltre ai cromosomi presenti nel nucleo, le cellule umane hanno la peculiarità di ospitare materiale genetico di derivazione materna all interno dei propri mitocondri. Figura 7 Attualmente il genoma umano è stato interamente sequenziato negli anni Ad oggi è noto che in una cellula somatica sono racchiusi 46 cromosomi, la cui lunghezza è pari a circa 2 metri di DNA, per un totale di 3 bilioni di basi azotate (A, T, C, G), codificanti per circa geni (fonte: ensembl 2013), solo il 36% del DNA è non codificante (25180 geni). Il nostro genoma è in grado di dar vita a trascritti. 12 di 13

13 Bibliografia Nelson L., Cox M. M. I principi di biochimica di Lehninger. Edizione Zanichelli Barrett K. E., Barman S. M., Boitano S., Brooks H. L. Fisiologia Medica di Ganong. Piccin, 12 edizione italiana. Lewin B, Krebs J. E., Goldstein E. S, Kilpatrick S. T. Il gene X. Zanichelli di 13