Struttura del DNA e Replicazione: una presentazione universitaria

Biologia: Studio degli Esseri Viventi

Studio scientifico degli esseri viventi Gli organismi viventi sono fatti di cellule Le cellule sono le unità strutturali e fisiologiche di base di tutti gli organismi viventi Le istruzioni della cellula - o il "progetto" dell'esistenza- sono contenute nel suo genoma, che è la somma di tutte le molecole di DNA in essa contenute (l'informazione biologica è scritta nel linguaggio genetico comune a tutti gli organismi)

DNA: La Molecola della Vita

• Le molecole di DNA sono lunghe sequenze di 4 diverse subunità chiamate nucleotidi
• La sequenza nucleotidica contiene l'informazione genetica
• Specifici segmenti di DNA chiamati geni contengono l'informzione che la cellula usa per sintetizzare le proteine
• Le proteine costituiscono gran parte della struttura di un organismo e sono le molecole che governano le reazioni chimiche entro le cellule

DNA the Molecule of Life cell chromosomes gene T T C T A C C G A A DNA T A A T C A T Y GG:00:048 G G

Caratteristiche del Materiale Genetico

Dare Informazioni

fenotipo Indicazione precisa proteine (sequenza di aminoacidi)

Essere Trasmesse

Deve potersi duplicare senza errori per generazioni per mantenere costanti le caratteristiche (fenotipo) di una cellula e/o di una specie

Materiale Chimico Stabile

Il DNA è una molecola che resiste a lungo. Viene trasmessa fedelmente per milioni di generazioni mantenendo così le informazioni in modo utile

Evolversi

Deve avere la capacità di cambiare (mutazioni) e mantenere stabilmente i cambiamenti Questa capacità spiega la diversità tra le specie e l'evoluzione delle varie specie nel tempo. GENOTIPO (DNA) FENOTIPO (proteine)

Composizione Chimica del DNA

A Adenine T Thymine G Guanine C Cytosine Il DNA è un polimero di NUCLEOTIDI: - ZUCCHERO a 5 atomi di carbonio (pentoso): 2-desossiRIBOSIO - GRUPPO FOSFATO: acido fosforico (H3PO4) - BASE AZOTATA: Adenina, Guanina / Citosina, Timina (purine) (pirimidine)

Desossiribosio: Zucchero a Cinque Atomi di Carbonio

2-desossiRibosio: zucchero a cinque atomi di carbonio che manca di un gruppo ossidrile (-OH) in posizione 2 E' in forma chiusa tra C1 e C4; C, rimane fuori dall'anello. C1 è legato ad una delle 4 basi. C5 è legato a H3PO4 . H3PO4 BASE 5' 5' O HOCH2 O OH HOCH2 OH 1 4' C 0 1' 4' C H H C 1' I I 1 H H H C C 1 1 1 OH H OH Desossiribosio Ribosio - H C C 13' 2'| H H

Basi Azotate

NH2 O O CH3 Pirimidine N CH HN C HN CH CH CH O N N H H H Citosina (C) Timina (T) Uracile (U) (a) NH2 N Purine N HN CH HC N N H2N N H Adenina (A) Guanina (G) NH2 N N CH HC N N

Struttura di un Nucleotide

Un nucleotide o- O P O CH2 O II H H H H Gruppo fosfato OH OH Ribosio (zucchero a 5 atomi di carbonio) (c) (b) 4 tipi di NUCLEOTIDI: Adenina monofosfato (AMP) Timina monofosfato (TMP) Guanina monofosfato (GMP) Citosina monofosfato (CMP) Adenina (una base purinica) CH O N C N H N CH O

Catena Polinucleotidica di DNA

b) Catena polinucleotidica di DNA Estremità 5' 0- 1 -0-P= 0 1 O I 5' 2H2 A O H H H H O H 1 -O-P= 0 - o 1 5' CH2 G O - H H H H O H 1 -0-P=0 Legame fosfo- diesterico - O 1 5' CH2 T 0 H H 3' H OH DH Estremità 3' Due nucleotidi si legano tra loro tramite l'H3PO4 che fa da ponte tra: - C3 dello zucchero di un nucleotide - C5 dello zucchero del nucleotide successivo Una lunga catena di nucleotidi sarà per esempio 5'- 3': - il primo nucleotide avrà l' H3PO4 libero in C5 - l'ultimo nucleotide avrà l'ossidrile (-OH) libero in C3. H 13' Legame fosfo- diesterico 3'3' end 5' end Strand continues Strand continues CH3 H 1 O ······· HUN 0-P=0 0 HC T == -C CH H N H H N A C -N- HỌC 5" 0 HỌC 5' H H H O 3 H 0=P-O - HC =N 0 ....... H- N 3' O C G C-C H H 5 O C C CH o HỌC 5' H H c- N H H - ....... 0 3 1 O H 0=P-O 1 1 H 0 - H C. C N O C A C C ....... 0 H- T CH O HỌC 5 1 H H C N H O 3' 1 O=P-O 1 H O C HC O N CH H H C HỌC 0 11 0 HỌC 5' N - H 1 H O H 0=P-0 Strand continues Strand continues 3' end 5' end 5'-to-3' direction 5'-to-3' direction 1 HC=N 0-P=0 1 3 CH2 H H H - N HỌC 5' Z NEC 2. H H = 0 H H H 1 1 C - N- H ....... O N 3 C H H N H-N G From Part 1 O ....... H-N H H O H 3' 1 C = H 3' I- N C H O N -H c C= 0 0 N H O H 0-P=0 H O C N H - H H N-H N= ....... N HỌC N ~H =0 H H N = O 0-P=0 - H =O O 0-P=0 o=P -o- / CH2 C H G CH2 0 -0- P =0 o= -0- CH A H CH2 O -O P o 0= P -O- Citosina Guanina H 1 H H N-H ··· O 1 1 C C-C 11 H-C N ·· · H-N C-N 1 N-C C=N Desossiribosio O ... H-N Desossiribosio H Le basi di un filamento sono legate a quelle dell'altro filamento con legami ad idrogeno secondo la legge della COMPLEMENTARIETA': A=T e C=G Sono sempre legate tra di loro una purina e una pirimidina. (a) a) Coppia di basi adenina-timina (doppio legame idrogeno) Timina H I- H CH3 O ... H-N 2 1- C C C C H-C N-H ··· N C- -N N C C=N 11 Desossiribosio O H Desossiribosio a) Coppia di basi guanina-citosina (triplo legame idrogeno) 12 G C CH2 O O -0- PO o=P 0- CI T H. A CH2 -O-P=0 o=P-O- O O CH2 G C 3 5' Adenina 1 CH2 C N= C5 T C T A A A G A T 3 1 3 5 T T C G A G C

Dettagli Strutturali del DNA

0.34 nm 3.4 nm 2 nm 1 - - -- C G P sugar-phosphate backbone C G T A P P A T P P G C P complementary base pairing C G P hydrogen bonds sugar phosphate 5' end P 2' 3' 5 T A 1 S 4 4 S base 5 3 2' deoxyribose C. 5 C 0 C C 4' - 1 1 1 1 - P a. 3' end P

Struttura del DNA

Due filamenti di DNA antiparalleli* (5'-3'; 3'-5') si avvolgono ad alfa elica leggermente destrorsa (scala a chiocciola) Lo scheletro è costituito dal 2-desossiribosio e dagli H3PO4. Le basi giacciono all'interno. (scalini della scala a chiocciola) *Filamenti orientati in direzioni opposte: se estremità 5' = testa e 3'= coda, antiparallelo significa che la testa di un filamento si trova in corrispondenza della coda dell'altro

Modello Molecolare e Diagramma Schematico

a) Modello molecolare b) Diagramma schematico Asse dell'elica 1 O A = T. T=A- P K-1 nm-> -H ICEG. Coppie di basi (C ed N) -G=C- T=A 1 · A = T 1 0,34 nm 1 C Solco minore - TI= A- A=T- 3,4 nm 1 G- -G=C- 1 Solco maggiore -G=C -A = T- 1 Coppie di basi Coppie di basi Ossature Ossature 12.37 nm L'alfa elica ha un diametro di 20 Aº (1A° =10 -8 cm/ 1 nm=10 A° ). Lungo l'elica ci sono 10 paia di basi ogni 34 A° ; tra due paia di basi (2 scalini) ci sono 3,4 A° . Le basi non sono perfettamente perpendicolari all'asse dell'alfa elica, l'elica è quindi destrorsa. L'alfa elica all'esterno presenta un alternarsi di un solco maggiore (punto di accessibilità per le proteine verso le basi) ed un solco minore Minor groove [0.33nm - - 3.40nm Major groove Sugar-phosphate backbones Base pair K VAVA T C(a) (b) 5' 3' CC G A T C (G GC K A COG TA 3.4 nm AT G C T A CCG 0.34 nm G C A T CC G 5' 3' 2 nm Phosphorus Minor groove Carbon in sugar-phosphate “backbone" Hydrogen Oxygen Major groove Bases

Organizzazione del Cromosoma Eucariotico

+1400 nm - 700 nm 300 nm Fibra di 30 nm 30 nm Cromosoma condensato Cromatina condensata Proteina dello scaffold Il DNA si avvolge attorno ad un agglomerato di istoni Cromatina distesa Nucleosomi impaccati ) Istone 11 nm T Nucleosomi 2 nm DNA a doppia elica - Figura 11-14 Organizzazione di un cromosoma eucariotico. (Visuals Unlimited/K.G. Murti)

Replicazione del DNA Prima della Divisione Cellulare

DNA Replication Prior to Cell Division C Cytosine Guanine G T Thymine Adenine AT CG -TA G AT CG TA GC AT CG TA GC AT G T A A GC- GC AT AT CG CG TA G TA GC - A GC T AT G - AT CG CG TA - TA GC GC AT AT CG CG TA TA G Complementary New Strand Parent Strands Complementary New Strand A GC Y-GA 98-647 -T

Replicazione del DNA

IL DNA per essere trasmesso deve potersi duplicare. Ogni cellula madre che si divide deve dare l'intero patrimonio genetico alle due cellule figlie. Prima della divisione, il DNA si duplica in maniera SEMICONSERVATIVA in modo che ogni cellula figlia riceva: - un filamento preesistente (della cellula madre) - un filamento di nuova sintesi Parentale Prima generazione Seconda generazione

Sintesi dei Nuovi Filamenti di DNA

- I nuovi filamenti di DNA vengono sintetizzati copiando i filamenti preesistenti ( filamenti di stampo) secondo la legge della complementarietà: 3'ATCCCGGAA5' (stampo) 5'TAGGGCCTT3' ( filamento neosintetizzato) - L'allungamento avviene sempre in direzione 5' - 3' - L'enzima DNA-POLIMERASI lega all'-OH del C3 dello zucchero dell'ultimo nucleotide l'acido fosforico legato al C, del successivo nucleotide (legame fosfodiesterico) - La DNA-polimeraSi utilizza nucleotidi trifosfati per ricavare l'energia necessaria a formare il legame fosfodiesterico (ATP, CTP, GTP, TTP) ATP + ENZIMA -> AMP + P +P + ENERGIA (A-R-P~P~P) (A-R-P) ( ~~ )

Meccanismo di Allungamento del DNA

5' 3' 3 5' A T Base G 3' 5' Nucleotide legato alla catena in crescita dalla DNA polimerasi 3' A 5' T ОН C Fosfati rilasciati C 3' 3' 5' 3' 5' A ... ... ST C G G C T A OH G 3' 5' 5'a) Meccanismo di allungamento del DNA Elica nuova Elica stampo 5' 5' 1 0 H 1 0-P=0 0-P=0 I 1 0 I .0 T=A CH2 1 HỌC T A -O - O 0 O=P-O- O=P-O- I O 1 H H O "0-P=0 -0-P=0 DNA polimerasi 1 CH, + 1 P-O-P-OH HỌC HỌC I O I 1 O=P-O- 0=P-O- 0 H C 3' 0-P=0 O o 0 1 O ₸ A CH2 I O 1 O=P-O- O=P-O- OH H OH H H G 3' Desossiribonucleoside trifosfato entrante 1 T O T O I O O 1 O=P-O- O=P-O- - H H O C O CH2 1 O O 1 O=P-0 O=P-O- -o-o -··· in 5' 5' 0=0-0 1 di un legame fosfo- diesterico OH H H O H O=0-0 O CH2 0-P-O-P-O-P-O-CH2 O T =A 1 HỌC 1 O I H O CH2 CH2 I Direzione di crescita della catena da 5' a 3' C O CH I 1 0 H 1 1 CH2 HỌC 0-1-0-0 H H C O O G c CH 0- G= C Formazione -

Principali Enzimi e Fattori della Replicazione del DNA

• Elicasi
• SSB (single-strand binding) proteins
• DNA Topoisomerasi
• Primasi
• DNA polimerasi
• DNA ligasi

Inizio della Sintesi del DNA

- La DNA-polimerasi non è in grado di iniziare la sintesi ex-novo, ma può solo aggiungere nucleotidi ad un innesco già preparato. L'innesco (PRIMER) è costituito da un corto frammento di RNA prodotto da una RNA-polimerasi detta PRIMASI - Il complesso di inizio è un sistema enzimatico che comprende, oltre alla primasi: > ELICASI : si incunea fra i due filamenti stampo e apre la forcella di replicazione > proteine SSB (single-strand binding): capaci di legare i singoli filamenti di stampo e tenerli distesi > TOPOISOMERASI : capaci di svolgere i superavvolgimenti che si formano a valle della forcella di replicazione

Sequenza dell'Origine di Replicazione

Sequenza dell'origine di replicazione Elica di DNA parentale 1 La proteina iniziatrice si lega all'origine di replicazione Proteina iniziatrice 2 La DNA elicasi si lega alla proteina iniziatrice DNA elicasi 3 L'elicasi si porta sul DNA 4 L'elicasi denatura l'elica e si lega alla DNA primasi formando il primosoma Primosoma DNA primasi 5 La primasi sintetizza un primer di RNA che viene allungato in una catena di DNA dalla DNA polimerasi Bolla replicativa RNA primer DNA polimerasi