Acidi nucleici 3 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, uniroma 2. it, nih. gov, zanichelli. it, sciencemag. org

I legami chimici nella doppia elica del DNA 2

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 eterociclic Numerazione della base azotata: nelle pirimidine in senso antiorario da 1 a 6 nel 3 singolo anello

Purine: ADENINA, GUANINA ADENINA In posizione 6: NH 2 GUANINA In posizione 2: NH 2 In posizione 6: C=O 4

Pirimidine: CITOSINA, TIMINA, URACILE TIMINA In posizione 1: CH 3 In posizione 4 e 6: C=O CITOSINA In posizione 6: NH 2 In posizione 4: C=O URACILE In posizione 4 e 6: C=O 5

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. 6

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 7

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 Acido+ Base forte Sale Acido organico+ alcol Acido inorganico+ alcol Estere organico Estere inorganico CH 3 -COOH + Na. OH Prodotto finale CH 3 -COO-Na Acetato di sodio CH 3 -COOH + CH 3 CH 2 -OH CH 3 -COO-CH 2 CH 3 Acetato di etile Acido fosforico + etanolo Fostato di etile Viene eliminata una molecola di H 2 O come nelle condensazioni 8

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’ 9

Gruppi fosfato Formula molecolare 1 H 3 PO 4 Formula molecolare 3 H 3 PO 4 2 H 3 PO 4 Formula di struttura OI HO-P=O I OH Monofosfato Formula di struttura O- O I I HO-P-O-P=O I I OH OH Formula di struttura O- O I I I HO-P-O-P=O I I I OH OH OH trifosfato difosfato Ciascun gruppo fosfato acquista una carica negativa quando cede un idrogeno; altri atomi di idrogeno vengono eliminati a causa dei legami dell’ossigeno. 10

L’esempio più noto di nucleotide: l’ATP (adenosintrifosfato) Il legame tra il ribosio C 5’ 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 H 2 O. Il legame tra ribosio C 1’ e base azotata avviene con l’azoto N 9. 11

La molecola dell’ATP in 3 D 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 12

Altre basi azotate: caffeina, acido urico, acido orotico CAFFEINA In posizione 2 e 6: C=O ACIDO URICO In posizione 2, 6 e 8: C=O Inoltre: INOSINA e PSEUDOURIDINA basi anomale del t. RNA 13

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 14

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

Appaiamento delle basi del DNA Hydrogen bonds Youtube: Corso citologia-DNA e cromosomi 5’ A=T G C http: //www. youtube. com/watch? v=el 81 j. TUd Phosphate-sugar T = A backbone l 7 s C G hybridized strands A C A= G T C T= A C G A=T T 5’ 3’ A T G G C denatured C G 5’ 3’ strands A= T =T A C G 3’ 5’ G C 3’

Riassumiamo i dati sul DNA A 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 1, 00 43, 1 Drosophila 27, 3 22, 5 27, 6 0, 99 1, 00 0, 99 45, 0 Mais 25, 6 24, 5 24, 6 25, 3 1, 01 1, 00 49, 9 E. coli 26, 0 24, 9 25, 2 23, 9 1, 09 0, 99 1, 04 50, 1 Percentuale di basi azotate nei DNA di varie specie Dati di Franklin Distanza tra 2 eliche Negli acidi nucleici solo radioattività da 32 P Dati di Pauling 2 nm In caso di legame purina -purina > 2 nm In caso di legame pirimidina-pirimidina < 2 nm appaiamento Dati di Chargaff i filamenti formano una spirale , come per le proteine A-T (31%) G-C (19%) 17

Riassunto animato del DNA http: //www. dnaftb. org/19/animation. html 18

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 Destrorso Sinistrorso 2, 6 3, 32 3. 7 20° 6° 7° 11 10, 5 12 Orientamento elica Distanza tra le coppie di basi (nm) Inclinazione basi rispetto all'asse della doppia elica Coppie di basi per giro bp = base pairs (coppie di basi) nm = nanometri 10 -9 m 19

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 20

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 (H 2 A, H 2 B, H 3, H 4) ed un istone “linker” H 1. L’ottamero è organizzato in: tetramero H 32 -H 42 posto al centro del NUCLEOSOMA + 2 eterodimeri H 2 A, H 2 B attorno al tetramero. Gli istoni hanno p. m. 11 -16 k. D, H 3 e H 4 sono molto conservati dall’evoluzione. Il DNA è organizzato intorno agli istoni con superelica sinistrorsa, 1, 65 giri e 10 -11 bp. 21

Nucleosoma e istoni 22

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 H 1 -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. 23

Dalla doppia elica al cromosoma 24

Dalla doppia elica al cromosoma 25

RNA e trascrizione 26

RNA e trascrizione 27

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Il nuovo mondo degli RNA non è solo: m. RNA – veicola le informazioni dal DNA ai ribosomi per la biosintesi proteica t. RNA – trasporta gli amminoacidi ai ribosomi r. RNA – componente strutturale e funzionale basilare del ribosoma ma anche: Spliceosomal RNAs – parte del macchinario che stacca l’RNA non-codificante (introni) Small nucleolar RNAs (sno. RNAs) –modifica l’r. RNA del nucleolo. Micro. RNAs (mi. RNAs) – brevi (21 nucleotidi) RNA che inibiscono la traduzione dei m. RNA : sono oltre 250 e regolano più di 10. 000 geni Small interfering RNAs (si. RNAs) – simili ai precedenti ma innescano la distruzione dei m. RNAs. Inoltre esistono degli m. RNA 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 29