Biologia molecolare: struttura e replicazione del DNA, ciclo cellulare

BIOLOGIA:

STRUTTURA DEL DNA E REPLICAZIONE:

Biologia studia gli esseri viventi che sono formati da cellule-> unità fisiologica strutturale di base. Le istruzioni per il funzionamento della cellula sono nel GENOMA-> somma di molecole di DNA presenti nella cellula. Le info del DNA danno le indicazioni per la sintesi delle proteine. Caratteristiche del DNA: info precise per il FENOTIPO, espressione delle proteine. Queste info vengono trasmesse da cellule madre a cellule figlie per mantenere costanti le caratteristiche della specie. Materiale genetico dev'essere stabile per essere tramandato fedelmente; deve anche però potersi evolvere e subire mutazioni, mantenendo questi cambiamenti in maniera stabile. Mutazione ->di solito ha una connotazione negativa; ma con la genomica moderna si è scoperto che il DNA muta molto spesso ma non per forza con mutazioni negative, bensi a scopo evolutivo. Questa capacità spiega la diversità tra le specie e la loro evoluzione.

CARATTERISTICHE DEL MATERIALE GENETICO:

Il materiale genetico deve dare informazioni per creare un FENOTIPO; deve dare indicazioni precise per generare PROTEINE; deve essere STABILE cioè mantenere le informazioni in modo utile e deve EVOLVERSI ossia poter attuare mutazioni per mantenere poi stabilmente i cambiamenti. GENOTIPO (DNA) -> FENOTIPO (proteine) COMPOSIZIONE CHIMICA DEL DNA: Le molecole di DNA sono lunghe sequenze di 4 diverse subunità chiamate nucleotidi. Il DNA è un polimero di nucleotidi; nucleotide-> zucchero a 5 atomi di carbonio 2( desossiribosio), 1 gruppo fosfato e 1base azotata (purine: adenina e guanina; pirimidine: citosina e guanina). La sequenza nucleotidica contiene l'info genetica. Il 2 desossiribosio è privo di un gruppo ossidrile in posizione 2; e diverso dal ribosio proprio per questo. I diversi nucleotidi si suddividono in 4 tipi:

• adenina monofosfato (AMP)
• timina monofosfato (TMP)
• guanina monofosfato (GMP)
• citosina monofosfato (CMP)

Due nucleotidi si legano tra loro tramite l'H3P04 che fa da ponte tra il Carbonio3 dello zucchero di un nucleotide e il Carbonio5 dello zucchero del nucleotidesuccessivo. Ilprimonucleotideavràliberalaposizione5e l'ultimo la posizione 3. Le due eliche sono antiparallele tra loro; le due estremità 3e 5 sono una in alto e una in basso. Tra le basi azotate dei due filamenti si instaurano legami a idrogeno secondo la legge della COMPLEMENTARIETA'-> A=T e C=G; sono legate sempre 1 purina con 1 pirimidina.

STRUTTURA MOLECOLARE DEL DNA:

Doppia elica-> due filamenti di DNA antiparalleli orientati 5'-3' e 3'-5' che si avvolgono a formare una struttura ad alfa elica leggermente destrorsa; questa struttura in realtà tende ad assumere una posizione diversa con alternanza di un solco maggiore e uno minore. Lo scheletro del DNA è fatto dal 2 desossiribosio e H3P04, le basi sono all'interno a tenere legati i due filamenti. L'alfa elica ha diametro di 20 Aº (Angstrom); tra due paia di basi ci sono 3,4 Aº. Le basi non sono nella realtà perfettamente perpendicolari all'asse e per questo presentano solchi, uno minore e uno maggiore. Il DNA si compatta a formare la cromatina e i cromosomi. Il DNA è lungo quasi 2m e deve stare nel nucleo delle cellule; per farlo si organizza in nucleosomi, strutture che si compattano ulteriormente a formare una struttura solenoide che è la base per la struttura del cromosoma. La cromatina è sempre compattata nel ciclo della cellula ma con forme distese (diametro di 30 nanometri). DNA-> contiene info genetica ed è SEMPRE organizzato in fibre di cromatina, ossia con proteine istoniche attorno alla quale sono arrotolate le doppie eliche.

REPLICAZIONE DEL DNA:

Pagina 1 di 16Avviene nella fase di sintesi (fase S) del DNA per gli eucarioti; se noi apriamo il dna e ricopiamo ognuna delle due eliche alla fine della replicazione avremo le stesse due eliche che potranno dividersi nelle cellule figlie. Per essere trasmesso il dna deve potersi duplicare e questo meccanismo è SEMICONSERVATIVO -> il dna parentale viene aperto e ognuna delle due eliche viene utilizzata come stampo di un'elica nuova e le due figlie otterranno un'elica della cellula madre e un'altra di nuova sintesi, la duplicazione deve avvenire prima di dividersi per tramandare un'elica alle cellule figlie. Entrambi i nuovi filamenti di DNA vengono sintetizzati copiando i filamenti della cellula madre (filamenti di stampo), qui conta l'orientamento, e ciò avviene secondo COMPLEMENTARIETA:' 3'ATCCCGGAA5'-> STAMPO (3'-5') ↓ 5'TAGGGCCTT3'-> FILAMENTO NEOSINTETIZZATO (5'-3'-> la polimerasi può fare solo così) L'allungamento avviene (sempre in direzione 5'-3'. L'enzima DNA polimerasi lega OH- del C3 dell'ultimo nucleotide all'acido fosforico legato al C5 del successivo nucleotide mediante legame fosfodiesterico. Altri enzimi e fattori della replicazione del dna nei procarioti sono:

• elicasi (apre la doppia elica)
• SSB proteins (tengono aperte le eliche x non far richiudere il dna)
• DNA topoisomerasi (eliminano i super avvolgimenti del dna -> compattano il dna e hanno ruolo importante nelle terapie anti tumorali)
• primasi (sintetizzano l'innesco di RNA che è un piccolo frammento sintetizzato da essa)
• dna polimerasi -> non è in grado di iniziare la sintesi ex-novo, deve avere innesco già preparato
• dna ligasi

DNA polimerasi può aggiungere nucleotidi a estremità 3' solo in presenza di un innesco detto PRIMER (frammento di RNA a cui può legarsi la polimerasi col primo nucleotide) dato dalla primasi. Il complesso di inizio è necessario alla sintesi del dna e prevede l'ELICASI che apre la forcella di replicazione, le SB che mantengono distesi e staccati i filamenti e la topoisomerasi che elimina i super avvolgimenti. Origine di replicazione -> è una sequenza di dna tale da essere presente in vari punti per essere riconosciuta dall'elicasi per far sì che si attacchi e iniziare con la polimerasi a fare la sintesi del nuovo dna grazie all'innesco della primasi. Il filamento guida continua nella direzione di apertura della forcella replicandosi in maniera continua, mentre il filamento lento procederà in direzione opposta a quella della forcella e si replicherà in maniera. discontinua->in frammenti di Okazaki. Una volta duplicato il dna i primer (RNA) vengono rimossi e i tratti rimasti vuoti vengono riempiti anch'essi di DNA; i frammenti discontinui (Okazaki) vengono saldati dalla LIGASI. Attuale modello di replicazione-> nella realtà esiste probabilmente 1 dna polimerasi con due bracci che agiscono uno sul filamento guida e uno su quello lento; procedono insieme ma copiano due posizioni diverse.

REPLICAZIONE BIDIREZIONALE:

La forca replicativa è la regione tra la doppia elica parentale e la doppia elica replicata; le unità di replicazione possono essere uni o bi-direzionali a seconda che all'origine si siano formate 1 o 2 forche replicative. Eucarioti ->qui la replicazione avviene a partire da molti punti lungo il cromosoma, ed è detta ASINCRONA, diverse origini di duplicazione che si mattivano ni momenti diversi e forche replicative che si muovono ni direzione opposta. Hanno dna lineare e essi hanno nucleo; il replicone è l'unità di replicazione e ciascuno ha la propria origine da cui le forcelle si muovono in direzioni opposte. Qui l'enzima principale della replicazione è la DNA polimerasi alfa e delta. Procarioti ->dna circolare, 1 origine sola, SINCRONA, 2 biforcazione bidirezionali. Essi non hanno nucleo. Qui l'enzima principale della replicazione è la DNA polimerasi III.

LA TELOMERASI:

Pagina 2 di 16Telomeri: estremita dei cromosomi, non contengono geni, sono sequenze ripetute tipiche di ogni specie. Telomerasi: polimerasi specializzate specifiche per la sintesi e il riconoscimento dei telomeri, ossia i frammenti iniziali e finali, allungando i filamenti e creando un innesco -> per far si che non si perda materiale genetico. Con la vecchiaia esse perdono capacità replicativa e di riconoscimento, ma le cellule tumorali riattivano la loro capacità e diventano immortali. La telomerasi contiene molecole RNA con sequenze complementari alle ripetizioni telomeriche della propria specie; questo RNA copia le sequenze del telomero e le aggiunge alla fine del filamento stampo, dopodiché la DNA polimerasi può riempire il gap.

TRASCRIZIONE DELL'RNA:

Molti rna non codificano x proteine; molti partecipano alla traduzione, al meccanismo di conversione, ma non sintetizzano -> rna non-coding, hanno funzioni di regolazione sui geni. La parte codificante del nostro genoma è minoritaria; molte sequenze sono di regolazione ("junk dna"). Ala base di tutto ciò vi è la TRASCRIZIONE -> solo una piccola parte di dna viene trascritto in rna. L'RNA ha un singolo filamento: la trascrizione dal dna al rna produce quindi 1 solo filamento. DOGMA CENTRALE -> modalità con cui le info del dna diventano utilizzabili dalla cellula: il dna ha capacità di replicare se stesso grazie alla doppia elica e rende se stesso trascrivibile in rna con la trascrizione; nel passaggio finale di TRADUZIONE ossia nella resa in proteine ci sarà una conversione quindi da nucleotidi ad aminoacidi.

CONFRONTO DNA E RNA:

RNA: singolo filamento, ribosio come zucchero (e non desossi ribosio), tra le basi azotate-> Uracile al posto di Timina mRNA -> messaggero, anche lui singolo filamento; porta info x proteine tRNA -> trasporta aminoacidi rRNA -> ribosomiale, parte attiva dei ribosomi nella traduzione; insieme alle proteine ribosomiali costituisce i RIBOSOMI dove si sintetizzano le proteine. Trascrizione e traduzione nei procarioti sono CONTEMPORANEE e avvengono nel citoplasma! L'rna messaggero non deve subire trasformazioni, viene direttamente codificato in proteina. Negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione nel citoplasma, IN MOMENTI DIVERSI; dopo certe trasformazioni Urna può essere usato nella sintesi proteica. Trascrizione a livello molecolare -> è una reazione di polimerizzazione con cui si sintetizza RNA; avviene in direzione 5' >- 3'; solo 1 filamento viene copiato e in modo selettivo, solo certe sezioni vengono copiate. Il filamento copiato è detto "filamento di senso" ->filamento codificante. L'altro non copiato è detto "filamento non senso". Quindi li filamento di RNA sarà complementare al filamento di senso e uguale al non senso: 5'CCGGAAGGCT3' filamento di non senso 3'GGCCTTCCGA5' filamento di senso (codificante) ->5'CCGGAAGGCU3' RNA ->è uguale al filamento non senso con il solo cambiamento di Tin U. Enzima che sintetizza RNA -> RNA-POLIMERASI; differisce dalla DNA polimerasi perché può partire senza bisogno di un innesco. Per la trascrizione si crea una sorta di BOLLA DI TRASCRIZIONE-> si apre la doppia elica e avviene la trascrizione di 1 solo filamento di 3' 5'. Trascrizione nei PROCARIOTI avviene nel citoplasma-> 1 sola RNA polimerasi per mRNA, tRNA e RNA; RNA polimerasi composta da subunità-> core (2 subunità alfa, beta e beta') che effettua la trascrizione, e subunità sigma che posiziona l'RNA polimerasi in maniera corretta per iniziare la trascrizione delle zone selezionate da trascrivere, ossia di una determinata sequenza di DNA corrispondente a un preciso gene. *RNA ribosomiale-> non sono definiti in nucleotidi ma in SVEDBERG (S) per la loro dimensione. Pagina 3 di 16