Lezioni di biochimica 2 Lezione 3 Nucleotidi e

Lezioni di biochimica 2

Lezione 3 Nucleotidi e acidi nucleici 3 © Zanichelli editore, 2014

Gli acidi nucleici contengono l'informazione genetica (I) L’acido ribonucleico (RNA) e l'acido desossiribonucleico (DNA) sono i depositari dell'informazione genetica. Essi sono polimeri, ovvero macromolecole costituite dalla ripetizione di unità semplici (monomeri). Le unità degli acidi nucleici sono i nucleotidi. © Zanichelli editore, 2014 4

Gli acidi nucleici contengono l'informazione genetica (II) L'ordine in cui sono disposti i singoli nucleotidi nella catena polimerica dell'acido nucleico specifica il loro contenuto di informazione genetica. Negli organismi viventi il DNA serve a immagazzinare e trasmettere alla progenie l'informazione genetica. L'RNA, invece, serve a rendere disponibile l'informazione per la sintesi delle proteine o svolge ruoli di regolazione. © Zanichelli editore, 2014 5

I nucleotidi: ribosio e desossiribosio (I) L’unità base degli acidi nucleici sono i nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da due molecole chimiche differenti: uno zucchero e una base azotata. Lo zucchero ha la seguente formula generale: © Zanichelli editore, 2014 6

I nucleotidi: ribosio e desossiribosio (II) Nell'RNA, al carbonio C 2 dello zucchero sono legati un idrogeno e un gruppo –OH: è il D-ribosio. Nel DNA, in posizione C 2 sono legati due idrogeni a formare il 2 -desossi, D-ribosio. © Zanichelli editore, 2014 7

I nucleotidi: struttura generale (I) Essendo zuccheri ciclici, il carbonio C 1 del ribosio e del desossiribosio è anomerico e lega la base azotata con legame β-N-glicosidico: tutti i nucleotidi sono quindi β-anomeri rispetto allo zucchero. © Zanichelli editore, 2014 8

I nucleotidi: struttura generale (II) La molecola formata da base + zucchero è detta nucleoside. Si ha un ribonucleoside se lo zucchero è il D-ribosio (RNA) o un desossiribonucleoside se lo zucchero è il 2 -desossi-D-ribosio (DNA). © Zanichelli editore, 2014 9

I nucleotidi: struttura generale (III) Le catene di DNA e RNA sono formate dai derivati 5'-fosfato dei nucleosidi, ovvero molecole che hanno un gruppo fosforico legato al carbonio C 5 dello zucchero. Questi nucleosidi 5'-monofosfati sono detti nucleotidi. Struttura generica di un nucleotide © Zanichelli editore, 2014 10

I nucleotidi: le basi azotate (I) I nucleosidi contengono principalmente cinque differenti basi azotate: tre di tipo purinico e due di tipo pirimidinico. Le basi pirimidiniche derivano dalla pirimidina, un composto eterociclico formato da un anello a 6 atomi. La loro formula generale è: © Zanichelli editore, 2014 11

I nucleotidi: le basi azotate (II) Le basi puriniche derivano dalla purina, formata da due anelli condensati, e hanno la seguente formula generale: © Zanichelli editore, 2014 12

I nucleotidi: le basi azotate (III) Le basi puriniche presenti nei nucleosidi sono: • l’adenina; • la guanina. Queste basi si trovano sia nei ribo- sia nei desossiribonucleosidi (quindi sia nell’RNA sia nel DNA). © Zanichelli editore, 2014 13

I nucleotidi: le basi azotate (IV) Le basi pirimidiniche presenti nei nucleosidi sono: • la timina che si trova solo nel DNA; • la citosina che si trova sia nell’RNA che nel DNA; • l'uracile che si trova solo nell'RNA. © Zanichelli editore, 2014 14

I nucleotidi: nomenclatura I nucleosidi (e i corrispondenti nucleotidi fosforilati) prendono il nome dalla base azotata e dallo zucchero, secondo lo schema sottostante: Zucchero Base Nucleoside Acido Nucleico D-ribosio Adenina Adenosina RNA 2 -desossi-D-ribosio Adenina Desossiadenosina DNA D-ribosio Uracile Uridina RNA 2 -desossi-D-ribosio Timina Timidina DNA D-ribosio Guanina Guanosina RNA 2 -desossi-D-ribosio Guanina Desossiguanosina DNA D-ribosio Citosina Citidina RNA 2 -desossi-D-ribosio Citosina Desossicitidina DNA © Zanichelli editore, 2014 15

I nucleotidi: formula di struttura Nucleotidi purinici O Nucleotidi pirimidinici © Zanichelli editore, 2014 16

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi monofosfati L'RNA e il DNA sono formati da catene di nucleotidi 5'-monofosfati, legati tra loro da un legame 5' -3' fosfodiesterico, ovvero tra il gruppo fosforico al C 5 dello zucchero di un nucleotide e il gruppo –OH al C 3 dello zucchero del nucleotide adiacente. © Zanichelli editore, 2014 17

Acidi nucleici: struttura generale Da un punto di vista chimico, nel polimero di DNA o RNA si può distinguere uno scheletro zuccherofosfato, costituito dai pentosi legati tra loro dai gruppi fosforici, che conferisce la struttura portante. DNA © Zanichelli editore, 2014 scheletro zuccherofosfato 18

Acidi nucleici: struttura generale Le basi non fanno parte della struttura portante, ma possono essere considerate delle catene laterali, analogamente ai gruppi R degli amminoacidi nelle catene polipeptidiche. Le basi conferiscono a un acido nucleico molte delle sue caratteristiche. RNA Le basi dei nucleotidi sono analoghe a gruppi funzionali © Zanichelli editore, 2014 19

Il DNA: la doppia elica In natura, il DNA si trova sotto forma di due filamenti appaiati. I due filamenti di DNA assumono la forma di una doppia elica. © Zanichelli editore, 2014 20

Il DNA: appaiamento di basi Gli appaiamenti non sono casuali: l'adenina può appaiarsi solo alla timina, formando due legami idrogeno; la citosina si appaia solo alla guanina, formando tre legami a idrogeno. © Zanichelli editore, 2014 21

Il DNA: complementarietà A causa degli appaiamenti obbligati tra le basi, la sequenza (cioè l'ordine in cui si susseguono i nucleotidi nel polimero) di un filamento della doppia elica non potrà essere identica a quella dell'altro filamento, ma sarà complementare. In virtù della complementarietà, conoscendo la sequenza di un filamento è possibile ricavare quella del filamento opposto. © Zanichelli editore, 2014 22

Il DNA: antiparallelismo Si considera primo nucleotide di un filamento di DNA quello con l'estremità 5'-fosfato non impegnata in un legame; l'ultimo sarà quello con l'estremità 3'-OH libera. Per via della complementarietà delle basi, i filamenti opposti di DNA sono orientati in senso antiparallelo, ovvero alla sequenza da 5' a 3' di un filamento, corrisponde la sequenza complementare dell'altro ma orientata da 3' a 5'. © Zanichelli editore, 2014 23

I diversi tipi di RNA (I) Nella cellula esistono diversi tipi di RNA con specifiche funzioni: • RNA messaggero (m. RNA): contiene l'informazione corrispondente a una proteina e ne rende possibile la sintesi da parte del ribosoma; • RNA ribosomiale (r. RNA): essenziale per la formazione del ribosoma. È l'RNA più abbondante nella cellula; © Zanichelli editore, 2014 24

I diversi tipi di RNA (II) • RNA transfer (t. RNA): è un corto RNA che trasporta gli aminoacidi al ribosoma. Esistono t. RNA specifici per ciascun aminoacido; • micro. RNA (mi. RNA): sono RNA che non codificano per alcuna proteina, ma si legano agli m. RNA inibendone la funzione. © Zanichelli editore, 2014 25

RNA: aspetti strutturali L'RNA è presente nelle cellule come singolo filamento. Le sequenze complementari tendono ad appaiarsi creando strutture secondarie, ovvero corti tratti di RNA a doppia elica. Queste strutture sono essenziali per le funzioni dell'RNA. Un esempio di RNA altamente strutturato è il t. RNA. La struttura del t. RNA © Zanichelli editore, 2014 26

La sintesi degli acidi nucleici: le polimerasi • Il DNA e l'RNA nella cellula sono sintetizzati dai nucleotidi trifosfati e da un filamento di DNA che funge da stampo. • Gli enzimi per la sintesi sono le polimerasi e le DNA polimerasi sono specifiche nell'unire i desossinucleotidi trifosfati, generando DNA. • Le RNA polimerasi sono specifiche per i ribonucleotidi trifosfati e quindi sintetizzano RNA. © Zanichelli editore, 2014 27

Le DNA polimerasi (I) Le DNA polimerasi necessitano di tre elementi: • un filamento di DNA stampo; • un corto innesco (primer) di DNA complementare al filamento stampo, che fornirà l'estremità 3'-OH di partenza; • una miscela dei quattro desossinucleotidi trifosfati. © Zanichelli editore, 2014 28

Le DNA polimerasi (II) La DNA polimerasi si lega al filamento stampo a livello dell'innesco complementare, poi lega il nucleotide trifosfato che porta la base complementare a quella presente sul filamento stampo. Alla fine si forma un legame fosfodiesterico, con liberazione dei due fosfati non utilizzati (pirofosfato) e allungamento della catena di DNA di un nucleotide. © Zanichelli editore, 2014 29

Le RNA polimerasi funzionano in maniera analoga, ma non necessitano di un primer. Il posizionamento della RNA polimerasi sul filamento di DNA da copiare è guidato sia dalla sequenza dello stampo, sia da proteine accessorie che legano la polimerasi. © Zanichelli editore, 2014 30

La replicazione del DNA: generalità (I) • Ogni cellula, prima di dividersi, deve duplicare il suo DNA per trasmettere l'informazione genetica alle cellule figlie. • Questo è possibile grazie a un complesso di numerosi enzimi e proteine. • L'enzima centrale è la DNA polimerasi, che genera una copia complementare di ciascun filamento del DNA originale. © Zanichelli editore, 2014 31

La replicazione del DNA: generalità (II) Da una doppia elica parentale saranno generate due doppie eliche, di cui un filamento sarà neosintetizzato e uno sarà quello della coppia originale: per questo la replicazione del DNA viene detta semiconservativa. © Zanichelli editore, 2014 32

La replicazione del DNA: meccanismo (I) La DNA polimerasi necessità di altri enzimi: • primasi (che sintetizza il primer) • elicasi (che aprono la doppia elica parentale); • ligasi (che uniscono i diversi segmenti neosintetizzati per ricostituire l'integrità del cromosoma). © Zanichelli editore, 2014 33

La replicazione del DNA: meccanismo (II) © Zanichelli editore, 2014 34

DNA e codice genetico (I) L'ordine dei nucleotidi, cioè l'informazione necessaria alla sintesi delle proteine, è innanzitutto copiata nell'm. RNA, che esce dal nucleo e si lega al complesso proteico che sintetizza le proteine, il ribosoma. L'informazione genetica utilizza un codice a triplette: tre nucleotidi specificano un singolo aminoacido. Ciascuna tripletta prende il nome di codone. © Zanichelli editore, 2014 35

DNA e codice genetico (II) Per sintetizzare una proteina di 100 aminoacidi servono almeno 300 nucleotidi, a cui vanno aggiunte le sequenze che indicano l'inizio e la fine della sequenza codificante. Nel codice, per ogni amminoacido esiste più di un codone, ci sono tre codoni di fine sequenza e uno solo di inizio. Tabella del codice genetico © Zanichelli editore, 2014 36

La sintesi proteica (I) • La fase in cui l'informazione genetica è copiata dal DNA nell'm. RNA è detta trascrizione e avviene nel nucleo grazie all'RNA polimerasi. • La fase in cui la proteina è sintetizzata a partire dall'm. RNA è detta traduzione e avviene nel citoplasma, a livello dei ribosomi, localizzati in prossimità del reticolo endoplasmatico rugoso. © Zanichelli editore, 2014 37

La sintesi proteica (II) Sia la trascrizione sia la traduzione hanno tre fasi: 1) inizio; 2) allungamento; 3) terminazione. RNA polimerasi e ribosoma necessitano quindi di segnali che indichino il punto di inizio e di fine, rispettivamente, dell'm. RNA e della catena polipeptidica. © Zanichelli editore, 2014 38

La sintesi proteica (III) • I segnali per la RNA polimerasi consistono di speciali sequenze di DNA chiamate promotori e terminatori. • Il segnale di inizio per il ribosoma è il codone per la metionina AUG. • Il segnale di terminazione per il ribosoma è dato dai codoni di stop: UAA, UAG, UGA. © Zanichelli editore, 2014 39