Testi x pdf

Nucleotidi, acidi nucleici

I Nucleotidi Hanno Tre Componenti

Nucleotidi (1)

Un Nucleotide è una molecola costituita da un composto ad anello contenente azoto (N) legato ad uno zucchero con 5 atomi di carbono.

Lo zucchero può essere o un riboso o un desossiribosio ed è a sua volta collegato ad uno o più gruppi fosfato.

Nucleotidi (2)

Gli anelli che contengono N sono chiamati “basi” per ragioni storiche: in condizioni acide ciascuno di essi può legare un protone (H+) e quindi aumentare la concentrazione di ioni OH- in soluzione acquosa.

Vi è una forte somiglianza chimica fra le diverse basi azotate:

La Citosina (C), la Timina (T) e l’Uracile (U) sono chiamate pirimidine in quanto tutte derivano da un anello a sei atomi detto anello pirimidinico.

La Guanina (G) e l’Adenina (A) sono composti purinici ed hanno un secondo anello a 5 atomi fuso con l’anello a 6 atomi.

Basi azotate presenti negli acidi nucleici

Negli acidi nucleici e nei nucleotidi, l’azoto in posizione 9 delle purine e l’azoto in posizione 1 delle pirimidine (rosso) sono legati al carbono 1’ del ribosio o del desossiribosio.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21514/figure/A805/?report=objectonly

I nucleosidi e i loro mono-, di- e tri-fosfati

Base Nucleoside Nucleotidi

DNA

Adenina (A) Deossiadenosina dAMP dADP dATP

Guanina (G) Deossiguanosina dGMP dGDP dGTP

Citosina (C) Deossicitidina dCMP dCDP dCTP

Timina (T) Deossitimidina dTMP dTDP dTTP

RNA

Adenina (A) Adenosina AMP ADP ATP

Guanina (G) Guanosina GMP GDP GTP

Citosina (C) Citosina CMP CDP CTP

Uracile (U) Uridina UMP UDP UTP

Nucleotidi (4)

• Oltre ad essere componenti degli acidi nucleici (DNA e RNA) i nucleotidi possono svolgere altre importanti funzioni. Es.

– La maggior parte dell’energia utilizzata dagli esseri viventi deriva dall’adenosina trifosfato (ATP)

– La guanosina trifosfato (GTP) è un nucleotide si lega d un gran numero di proteine (“proteine G”) e agisce da interrutore per attivarle.

• Proteine G monomeriche

• Proteine G trimeriche

Nucleotidi : Altre funzioni

• I nucleotidi possono giocare altri ruoli importanti:

– Il ribonucleotide ATP funge da trasduttore di energia in molte reazioni biochimiche.

– Il ribonucleotide GTP fornisce l’energia per la sintesi proteica.

– Il cAMP (AMP ciclico) è un ribonucleotide speciale que è essenziale per l’azione ormonale e per il trasferimento di informazione nel sistema nervoso.

“Proteine G”

Funzionano da interrutori molecolari. Quando legano la guanosina trifosfato (GTP) si attivano (“on”) e quando legano la guanosina difosfato si disattivano (“off”). Le proteine G regolano enzimi metabolici, canali ionici, trasportatori di membrana, e altre componenti delle attività cellulari, controllando la trascrizione, motilità, contrattilità e secrezione che, a loro volta, regolano funzioni sistemiche quali lo sviluppo embrionale, l’apprendimento e la memoria e l’omeostasi.

GTP

Caratteristiche Distintive del DNA e del RNA

DNA RNA Proteina

• Il DNA è una molecola informativa. L’informazione è immagazzinata nell’ordine in cui sono disposte le sue quattro basi differenti.

• Questo ordine è trasferito alle molecole di RNA, che sono usate per dirigere l’ordine degli amminoacidi delle proteine.

Acidi Nucleici : Il RNA può essere catalitico

• Alcune molecole di RNA dette ribozimi possono fungere da catalizzatori.

• La scoperta dei ribozimi ha fornito una soluzione per la questione su chi è comparso prima quando la vita è iniziata, le proteine o gli acidi nucleici?

• Dato che il RNA può essere sia informazionale che catalitico, esso potrebbe avere funzionato come catalizzatore sia per la sua stessa replicazione che per quella delle proteine.

Le cellule contengono istruzioni che:

Specificano STRUTTURA

Dettano FUNZIONE

Regolano ATTIVITA’

Le istruzioni vengono trasmesse fedelmente alle cellule figlie

L’informazione ereditaria é trasmessa sotto forma di unità distinte, i GENI costituiti da DNA.

L’informazione del DNA passa:

fra generazioni di cellule: REPLICAZIONE DEL DNA

all’interno di ogni cellula: TRASCRIZIONE + TRADUZIONE

Nucleotidi (4)

Sia il DNA che l’RNA vengono sintetizzati a partire da nucleosidi trifosfati:

Per il DNA: dATP, dCTP, dGTP e dTTP

Per il RNA: ATP, CTP, GTP e UTP.

In entrambi i casi, dal momento in cui ogni nucleoside viene legato, i secondo e terzo gruppi fosfato vengono rimossi (idrolizzati).

RNA

Da un punto di vista chimico, l’RNA è molto simile al DNA. Tuttavia, ci sono alcune differenze principali:

o L’RNA usa lo zucchero RIBOSIO invece del Desossiribosio nel suo scheletro (“backbone”).

o L’RNA usa la base URACILE (U) invece della Timina (T). Anche U è complementare ad A.

o L’RNA tende ad essere a singolo filamento (“single strand”), ma alcune regioni possono ripiegarsi formando zone a doppio filamento.

Differenze funzionali tra RNA e DNA

o Il DNA ha una singola funzione; l’ RNA ha molteplici funzioni

Esempi di tipi di RNA: tRNA, mRNA, rRNA.

Differenze Chimiche fra DNA e RNA (2)

Sia il RNA che il DNA formano lunghe catene polinucleotidiche, non ramificate, in cui diverse basi puriniche o pirimidiniche sono riunite mediante legami N-glicosidici ad un’impalcatura strutturale di zuccheri-fosfato.

Le catene hanno una polarità. La sequenza di un acido nucleico viene per convenzione letta da 5’ a 3’. Ad esempio, la sequenza della molecola di RNA qui rappresentata é AUGC, mentre quella della molecola di DNA é ATGC.

La sequenza di basi porta in se l’informazione, ossia, la sequenza ATGC comporta un’informazione diversa di quella di AGCT nonostante le stesse basi siano coinvolte.

Conseguenze della struttura chimica del RNA/DNA

L’impalcatura strutturale del DNA é più stabile, specialmente in condizione alcalina. Il gruppo OH nella posizione 2’ del RNA può formare intermediari 2’-3’ fosfodiestere in condizioni basiche, che si rompono, dando una miscela di nucleosidi 2’ e 3’ monofosfati. Perciò il polinucleotide RNA é instabile.

Il 2’ desossiribosio permette allo zucchero di assumere una conformazione a minore energia nell’impalcatura del DNA. Ciò aiuta ad aumentare la stabilità dei polinucleotidi.

La deaminazione della Citidina a Uridina può essere identificata nel DNA, ma non nel RNA, perchè la deaminazione della citidina nel DNA porta a Uridina non a Timidina. Le basi Uridina nel DNA vengono rimosse da un sottogruppo di enzimi di riparo e sostituita con basi citidina.

Regola di Chargaff

James Watson & Francis Crick

http://www.achievement.org/autodoc/photocredit/achievers/wat0-013

Conclusioni di Watson & Crick sulla struttura del DNA (1953)

•Tratte dai dati cristallografici di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins

Due catene polinucleotidiche elicoidali si avvolgono attorno ad un asse centrale con un diametro di 20 angstroms (10-10 m). Le due catene sono antiparallele (scorrono in direzioni opposte). Le impalcature di zucchero-fosfato rimangono all’esterno della struttura. Le basi azotate sono perpendicolari all’asse dell’elica e separate da 3.4 angstroms. La struttura elicoidale si ripete ogni 34 angstroms, e quindi ci sono 10 basi per giro dell’elica.

... una modesta proposta...

It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.” -Watson & Crick, “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,” Nature 1953.

“Non è sfuggito alla nostra attenzione che l’appaiamento specifico che abbiamo postulato suggerisce immediatamente un possibile meccanismo di copiatura per il materiale genetico”

DNA polimerasi

Tutti le DNA polimerasi note condividono due proprietà fondamentali che hanno implicazioni critiche per la replicazione del DNA:

Tutte le polimerasi sintetizzano il DNA soltanto nel verso 5’ a 3’, aggiungendo un dNTP al gruppo idrossilico della catena in crescita.

Le DNA polimerasi possono aggiungere un nuovo desorriribonucleotide soltanto ad un “primer” (innesco) preformato che è legato mediante ponti di idrogeno al templato; non sono in grado di iniziare la sintesi del DNA de novo catalizzando la polimerizzazione di dNTPs liberi.

Da questo punto di vista, le DNA polimerasi differiscono dalle RNA polimerasi, che possono inziare la sintesi di un nuovo filamento di RNA in assenza di un primer.

TIPI PRINCIPALI DI RNA PRODOTTI NELLE CELLULE

Tipo di RNA Funzione

mRNA RNA messaggeri, codificano per

proteine

rRNA RNA ribosomiali, formano la

struttura di base dei ribosomi e

catalizzano la sintesi proteica

tRNA RNA transfer, fondamentali per la

sintesi proteica come adattatori fra

mRNA e aminoacidi

snRNA piccoli RNA nucleari, agiscono in una

varietà di processi nucleari, compreso lo

splicing del pre-mRNA

snoRNA piccoli RNA nucleolari, usati per

processare e modificare chimicamente gli

rRNA

Altri RNA non codificanti Agiscono in diversi processi cellulari,

compreso sintesi dei telomeri, disattivazione

del cromosoma X, trasporto di proteine

nell’ER, regolazione genica (microRNA)*.

(*)http://en.wikiversity.org/wiki/RNA_interference

http://en.wikipedia.org/wiki/RNA_interference

Funzione e struttura del RNA

La struttura terziaria del RNA é simile a quella del DNA, ma ci sono diverse differenze importanti:

Il RNA di solito forma coppie di basi intramolecolari

L’informazione trasportata dal RNA non é ridondante perchè queste coppie di basi sono intramolecolari.

I solchi maggiore e minore sono molto meno pronunciati.

Tutti i ruoli svolti dal RNA (strutturale, adattatore informazionale, trasferimento di informazione) sono coinvolti nella decodificazione trasportata dal DNA.

RNA polimerasi nelle cellule eucariotiche

Tipo di polimerasi

Geni trascritti

RNA polimerasi I

geni degli rRNA 5.8S, 18S e 28S

RNA polimerasi II

tutti i geni che codificano

proteine, più geni di snoRNA e alcuni geni di snRNA

RNA polimerasi III

geni dei tRNA, geni di rRNA 5S,

alcuni geni di snRNA e geni per altri piccoli RNA

RNA polimerasi mitocondriale* geni mitocondriali

RNA polimerasi dei cloroplasti* geni dei cloroplasti

*Le RNA polimerasi mitocondriale e dei cloroplasti sono simili agli enzimi batterici

TERMINOLOGIA DEL PROCESSAMENTO DEL DNA E DEL RNA

Termine Significato letterale Processo in cui sono

coinvolti gli acidi nucleici

Replicazione Fare un duplicato identico

Usare una molecola di DNA come riferimento per ottenere due copie di molecole figlie identiche

Trascrizione Copiare informazione da un supporto ad un altro, come avviene ad es. quando si passa da un nastro audio ad un testo scritto

Copiare la sequenza di basi di una molecola di DNA sotto forma di sequenza di basi di una molecola di RNA

Traduzione Prendere informazione da una lingua e convertirla in un’altra lingua

Prendere la sequenza di codoni del mRNA e convertirla in una catena di aminoacidi di una proteina

Maturazione del RNA

TRASCRITTO primario: molecola di RNA appena prodotta per trascrizione del DNA.

MATURAZIONE: Modificazioni chimiche necessarie per produrre un mRNA funzionale a partire dal trascritto primario (precursore):

RIMOZIONE DI REGIONI DEL TRASCRITTO PRIMARIO (es. splicing del mRNA).

AGGIUNTA DI MODIFICAZIONI DI SPECIFICI NUCLEOTIDI (particolarmente negli tRNA).

Associazione con proteine.

Passaggio dal nucleo al citoplasma

STRUTTURA DEI GENI DEGLI EUCARIOTI

La maggior parte dei geni degli eucarioti contiene segmenti di sequenze codificanti (esoni) interrotte da sequenze non-codificanti (introni).

Le sequenze di spaziatura (“spacers”) sono lunghe sequenze di DNA non codificanti che rimangono fra i geni.

Cooper – The Cell, a Molecular Approach (2nd ed.)

mRNA (1)

Il RNA messaggero o mRNA é una copia

dell’informazione trasportata da un

gene sul DNA.

Il ruolo del mRNA é quello di trasportare

l’informazione contenuta nel DNA fino

all’apparato di traduzione.

Il mRNA é eterogeneo in dimensioni e

sequenza.

mRNA (3)

Il mRNA non viene sintetizzato direttamente nella cellula eucariotica.

Esso é trascritto nel nucleo sotto forma di RNA nucleare eterogeneo (“heterogeneous nuclear“ RNA, hnRNA).

Il hnRNA contiene introni ed esoni.

Gl introni sono rimossi mediante “splicing” del RNA, lasciando gli esoni, che contengono l’informazione, riuniti fra di loro.

In alcuni casi, singoli nucleotidi possono venire aggiunti nel mezzo di una sequenza di mRNA mediante un processo detto di “editting” del RNA.

In tutte le cellule, ogni ribosoma consiste di una subunità grande e una piccola. Le due subunità contengono rRNAs di diversa lunghezza e un insieme diverso di proteine. Tutti i ribosomi contengono due molecole principali di rRNA (rosso scuro) – 23S e 16S rRNA nei batteri, 28S e 18S rRNA negli eucarioti – e uno o due piccoli rRNA (rosso chiaro). Le proteine sono disegnate L1, L2, ecc e S1, S2, ecc., a seconda che siano presenti nella subunità grande (“large”) o piccola (“small»).

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21603/figure/A888/?report=objectonly

Subunità dei ribosomi

PROCARIOTI

EUCARIOTI

La molecola di tRNA viene sintetizzata in due parti, Il corpo del tRNA é trascritto da un gene tRNA. Il braccio accettore (“acceptor stem”) é lo stesso per tutte le molecole di tRNA ed é aggiunto dopo che il corpo é stato sintetizzato. Esso viene sostituito spesso durante il tempo di vita di una molecola di tRNA. Il braccio accettore è il sito che trasporta uno specifico aminoacido, che é stato attaccato da una amino-acil-tRNA sintasi. L’anticodone legge l’informazione in una sequenza del mRNA mediante accoppiamento di basi.

STRUTTURA DEGLI RNA A FORMA TRIDIMENSIONALE COMPLESSA

(es. rRNA, tRNA) (1)

Sia gli rRNA che i tRNA devono la loro attività alle loro complesse

strutture secondaria e terziaria.

Diversamente dal DNA che ha struttura a doppia elica relativamente definita indipendentemente dalla sua origine, gli RNA si ripiegano in complesse forme tridimensionali, notoriamente diverse da un tipo di RNA all’altro.

Perciò, come le proteine, gli RNA sono in grado di svolgere molte funzioni, perchè possono assumere un gran varietà di forme.

Come per le proteine, il ripiegamento degli RNA segue certe regole.

Durante il ripiegamento delle catene proteiche che lavorano in ambiente acquoso i residui idrofobici vengono portati all’interno-

Nell’RNA il ripiegamento dipende dalla formazione di regioni che hanno coppie di basi complementari.

Le regioni di basi appaiate formano tipicamente degli “steli” a doppio filamento (e a doppia elica), connessi ad “anse” a filamento singolo.

STRUTTURA DEGLI RNA A FORMA TRIDIMENSIONALE COMPLESSA

(es. rRNA, tRNA) (2)

A differenze del DNA, costituito unicamente dalle coppie di basi A-T e G-C, il RNA contiene spesso coppie di basi non convenzionali e basi azotate modificate.

Queste regioni peculiari spesso fungono da siti di riconoscimento per proteine ed altri RNA

Promuovono il ripiegamento del RNA

Aiutano a stabilizzare la struttura della molecola.

L’appaiamento delle basi fra le diverse molecole di RNA svolge un ruolo cruciale nella gran parte delle attività in cui sono coinvolti gli RNA.

L’RNA si può ripiegare in strutture specifiche. L’RNA è in gran parte a singolo filamento, ma spesso contiene brevi tratti di nucleotidi che possono formare coppie di basi convenzionali con sequenza complementari presenti altrove sulla stessa molecola. Queste interazioni, insieme ad ulteriori interazioni di appaiamento “non convenzionale” di basi, permettono ad una molecola di RNA di ripiegarsi in una struttura tridimensionale che è determinata dalla sua sequenza di nucleotidi. (A) Diagramma di una struttura ripiegata di RNA che mostra soltanto interazioni di appaiamento convenzionale; (B) struttura con interazioni di accoppiamento convenzionale (rosso) e non convenzionale (verde); (C) struttura di un RNA reale, una porzione di un introne di gruppo 1. Ciascuna interazione di accoppiamento convenzionale é indicata da un “piolo” nella doppia elica. Le basi in altre configurazioni sono indicate da pioli spezzati.

RNA transfer (tRNA)

Il tRNA é la molecola portatrice di informazione con funzione di adattatore.

Rappresenta l’interfaccia diretta fra la sequenza di aminoacidi di una proteina e l’informazione sul DNA. Perciò essa decodifica l’informazione sul DNA.

Ci sono più di 20 diverse molecole di tRNA. Tutte hanno da 75 a 95 nucleotidi.

Tutti i tRNA di tutti gli organismi hanno una struttura similare: in verità, un tRNA umano può funzionare in un lievito.

Nelle molecole di tRNA ci sono 4 braccia (accettore, braccio D, braccio T pseudouridina C, braccio anticodone) e 3 “loops.” (loop D, loop T e loop anticodone).

Talvolta le molecole di tRNA hannno un loop extra o variabile (uno é illustrato in giallo nella figura).

Struttura dei tRNA Struttura primaria e secondaria (1)

Tutti i tRNA hanno una sequenza simile di 73 a 93 nucleotidi.

L’estremità 3’ finisce sempre con la sequenza CCA, in cui il gruppo idrossilico 3’ del ribosio della A terminale é il punto di legame covalente per l’aminoacido.

Essi contengono un certo numero (7-15%) di basi uniche/ o modificate. Queste vengono modificate post-trascrizionalmente dopo la sintesi, mediante

l’enzima RNA polimerasi.

Struttura dei tRNA Struttura primaria e

secondaria (2)

In particolare, l’adenosina (A) nella prima o 5’ posizione dell’anticodone (corrispondente alla terza o posizione 3’ del codone) é sempre modificata in inosina (I) che manca del gruppo aminico (-NH2) nell’anello purinico.

L’inosina può appaiarsi con A, U o C e perciò spiega molta della degenerazione del Codice Genetico (Teoria di Wobble).

Adenosina

Struttura dei tRNA Struttura Terziaria del tRNA (1)

La struttura terziaria del tRNA é meglio descritta come una forma compatta a “L”.

L’anticodone é un loop a singola elica all’estremità della Figura, che ulteriormente si appaierà con la tripletta codone.

L’aminoacido é legato alla A terminale sulla parte superiore destra.

I siti attivi (anticodone e aminoacido) sono separati al massimo.

Struttura dei tRNA Struttura Terziaria del tRNA (2)

Come succede con le proteine, la struttura terziaria é dettata dalla sequenza primaria.

La struttura terziaria é stabilizzata da appaiamento tra basi e accatastamento di basi.

Due aree (braccio anticodone e braccio accettore) formano una doppia elica.

CODICE GENETICO

Codice mediante il quale la sequenza nucleotidica di una molecola di DNA o di RNA specifica la sequenza amminoacidica di un polipeptide.

Consiste di codoni a tre nucleotidi che specificano un particolare amminoacido oppure dicono al ribosoma di fermare la traduzione e rilasciare il polipeptide.

Con poche eccezioni, tutti gli organismi viventi utilizzano lo stesso codice.

(Mathews et al., Biochimica)

Codiced Genetico (segue)

Un gene una catena polipeptidica

Corrispondenza lineare solo nei PROCARIOTI.

EUCARIOTI: sequenze codificanti (esoni) + sequenza non codificanti (introni)

ATTENZIONE: alcuni geni NON codificano per proteine (mediante un mRNA), codificano per gli altri RNA: tRNA, rRNA, snRNA, snoRNA, ecc.

Codiced Genetico (segue)

CODICE GENETICO detto «DEGENERATO» O «RIDONDANTE»:

Un singolo amminoacido può essere specificato da più di una tripletta di nucleotidi.

Non significa malfunzionalità (ambiguità).

Aumenta l’adattabilità del sistema di codificazione.

Il codice genetico non è sovrapposto:

– Ogni nucleotide è parte di una sola tripletta.

Decodificazione di una molecola di mRNA

Ogni aminoacido addizionato all’estremità crescente della catena polipeptidica viene selezionato mediante appaiamento complementare di basi fra l’anticodone nel tRNA a cui é legato e il codone successivo nella catena del mRNA

One gene --> one protein

Same language/monomers

Different language/monomers

Genetic code

• Triplet code

Three basepairs specify one amino acid = codon

Genetic code

• Triplet code

DNA Template strand = complementary to mRNA

Coding strand = nontemplate strand = similar sequence to mRNA

Genetic code

• Triplet code

DNA Template strand = complementary to mRNA

Coding strand =

nontemplate strand =

similar sequence to mRNA

Uracil used instead of Thymine

Genetic code

• Triplet code

• Nonoverlapping

Genetic code

• Triplet code

• Nonoverlapping

• Degenerate

- 4 nucleotides -- > 20 amino acids doublet code --> 42 --> 16 combinations

triplet code --> 43 --> 64 combinations

Genetic code

• Triplet code

• Nonoverlapping

• Degenerate

Each amino acid specified by more than one nucleotide triplet (codon)

61 codons code for amino acids

triplet code --> 43

--> 64 combinations

61 codons code for amino acids

• AUG = Met = start

• UAG

• UAA Stop

• UGA

Genetic code

Genetic code

«WOBBLE» NEL CODICE GENETICO (TENTENAMENTO) (1)

D’accordo con il codice genetico, una cellula avrebbe bisogno di tRNA con 61 diversi anticodoni per complementare i 61 codoni disponibili.

Tuttavia, dovuto alla degenerazione del codice genetico, la terza base è meno discriminatoria per l’aminoacido delle altre due basi.

«WOBBLE» NEL CODICE GENETICO (TENTENAMENTO) (3)

I tRNA inoltre contengono una serie nucleotidi modificati.

Uno di questi nucleotidi è l’inosina (I).

Se il tRNA contiene una Inosina nell’anticodone in posizione “wobble”, questo tRNA può leggere codoni che hanno A, U oppure C nella terza posizione.