Biologia molecolare: DNA, codice genetico e sintesi proteica

Introduzione alla Biologia Cellulare

Nello studio della biologia e in particolare della biologia molecolare l'interesse parte ovviamente da cellule poco complessa da studiare, quelle procariotiche, cellule che non presentano nucleo, hanno una regione definita nucleoide in cui troviamo il Dna ma comunque non è una regione delimitata. Queste cellule sono anche sprovviste di organelli se non per i ribosomi che sono di piccole dimensioni e fondamentali per la sintesi proteica. Invece la cellula eucariotica è dotata di nucleo, dove troviamo il Dna, il quale è protetto da una membrana nucleare che lo separa dall'ambiente intracellulare permettendo il passaggio di sostanze attraverso i pori.

Il Dna contenuto nel nucleo è complessato in strutture dette cromosomi, costituite da Dna + Istoni sotto forma di cromatina. (legame Dna-istoni è dati dalla carica + delle proteine e - del dna) Inoltre la cellula eucariote contiene organuli specifici per tutte le diverse funzioni necessarie.

Codice Genetico

il codice genetico umano è costituito da circa 20000 geni e questi geni portano alla formazioni tantissimi trascritti di m-RNA che arrivando nei ribosomi grazie alla trascrizione, ogni codone, cioè l'insieme di tre nucleotidi, porterà alla formazione di un amminoacido. Il codice genetico è costituito da 64 triplette di cui 61 codificanti e 3 non codificanti, ma la caratteristica principale del codice genetico è la sua ridondanza, cioè che ogni amminoacido può essere codificato da + triplette.

Proteine

Abbiamo fatto questo breve excursus per arrivare a parlare delle proteine, polimeri costituiti da diversi amminoacidi. Gli amminoacidi sono molecole costituite da un carbonio alpha chirale legato a un idrogeno, un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e un gruppo R che differenzia gli amminoacidi tra loro. Il legame che unisce i diversi amminoacidi per portare alla formazione della struttura primaria delle proteine è un legame di tipo covalente detto peptidico che si forma per condensazione tra gruppo amminico e carbossilico (quindi tra l'estremità N e C) con perdita di acqua. Le proteine poi possono anche assumere una struttura secondaria con organizzazione degli amminoacidi ad alfa-elica o beta-foglietto, attraverso il folding (ripiegamento) arrivano ad una struttura terziaria ed infine la struttura quaternaria di una proteina è data dall'unione di 4 subunità proteiche (4 proteine terziare legate tra loro, spesso 2unità alfa e 2 unità beta)

Acidi Nucleici

Gli acidi nucleici sono costituiti da nucleotidi: gruppo fosfato+zucchero pentoso+base azotat. Se non è presente il gruppo fosfato diventa nucleoside-> lo zucchero è pentoso, quindi un anello eterociclico formato da 5 atomi di C, ognuno dei quali è fondamentale per la formazione del Dna:

• C-1': attraverso il legame beta-glicosidico lega una base azotata
• C-2': differenzia ribosio (lega OH) con desossiribosio (che lega solo H)
• C-3'5': sono indispensabili perchè sono quelli che permettono legame dell'acido nucleico con i nucleotidi.

-> le basi azotate si dividono in due classi:

• puriniche: A-G formate da due anelli
• pirimidiniche: T-C formate da singolo anello

Diversi esperimenti porteranno alla scoperta del Dna, i principali sono quelli di Watson and Crick che determinarono la struttura a doppia elica del Dna e le fotografie della rifrazione dei raggi x di Rosalind Franklin saranno fondamentali per arrivare a studiare e conoscere il Dna come lo conosciamo oggi.

Struttura del DNA

Il DNA è composto da una doppia elica, costituita da filamenti complementari tra loro ma in direzione antiparallela. Questa molecola ha un andamento regolare, ogni giro di elica contiene circa 10,5 coppie di basi. La doppia elica è costituita da solco maggiore e solco minore, due porzioni molto importanti per l'interazione con la molecola, infatti dal solco maggiore riusciamo a distinguere sia le coppie di basi sia l'orientamento delle coppie e quindi è possibile un'interazione specifica. (fattori di trascrizione devo attaccarsi a sequenze specifiche) Il legame tra le due eliche è un legame a idrogeno mentre il legame tra due nucleotidi dato dai ponti fosfato è di tipo fosfodiesterico. Il DNA prende questa conformazione perchè i nucleotidi sono insolubili in acqua mentre lo zucchero è idrofilo di conseguenza per avere maggiore stabilità lo zucchero sarà esposto esternamente mentre le basi saranno nascoste all'interno e compattate tra loro contribuendo grazie a questa forza di impilamento una maggiore stabilità del DNA stesso. Come abbiamo detto A lega sempre T attraverso 2 legami a idrogeno mentre C e G legano mediante 3 legami a idrogeno, seguendo sempre le regole di Chargaff:

• numero di A e T = C e G
• rapporto tra basi è sempre 1 -> A=T=C=G

La doppia elica può essere destrorsa se avvolta in senso orario (il filamento che sta sopra si avvolge verso destra), o sinistrorsa in senso antiorario.

Forme del DNA

Il Dna si trova in 3 forme diverse:

• DNA B: la + frequente, 10.5bp, destrosa, forma data dall'anello ribosioDNA A: elica leggermente schiacciata e larga, forma quando lega altre molecole
• DNA Z: alterna forma sin e anti del ribosio, sinistrorsa

RNA

RNA: molecola singolo filamento, mantiene orientamento 5'-3' La differenza principale è la presenza di uracile al posto della timina (che perde un gruppo metile) e che sul carbonio 2' del ribosio troviamo un OH, ma in realtà un'altra grande differenza è data dalla differente costanza e regolatezza nell'appaiamento delle basi. Infati nell'RNA non ci sono vincoli per interazioni precise che portano alla formazione di protrube, di anse e di forcine date da un appaiamento non possibile che non segue in modo canonico le regole. Questa possibilità di formare strutture secondario caratterizzate dall'impossibilità di formare legami tra basi non complementari è data proprio dall'O in 2'.

Funzioni dell'RNA

L'RNA può avere diverse funzioni:

• intermediario (mRNA)
• strutturale (rRNA)
• decodifica (tRNA)
• regolazione della traduzione
• catalitica-> velocizzano le reazioni chimiche (ribozima): un esempio è la ribonucleasi che taglia i ribonucleotidi nel processo di maturazione dell'mRNA portandolo a RNA maturo caricato con amminoacidi per andare nel ribosoma.

Topologia del DNA

TOPOLOGIA DEL DNA: studio delle conformazione del DNA oggi parliamo dei superavvolgimenti che il DNA compie su se stesso: Il DNA come molecola non ha estremi liberi per girare, deve mantenere la sua forma di conseguenza tende ad attorcigliarsi su stesso per sopperire all'ulteriore torsione che gli viene applicata quando andiamo a toglierla. Però comunque non può fare infiniti super avvolgimenti ma ne può fare tanti quanto il rapporto tra dimensione del genome/periodicità dell'elica.

PAGINA 19-20 Ma come faccio ad eliminare e togliere dei superavvolgimenti? intervengono le topoisomerasi I e II che tagliano la singola o la doppia elica creando un nuovo 5' e un nuovo 3', fa passare in mezzo e toglie il superavvolgimento e l'OH in 3' fa l'attacco e ripristina il ponte fosfodiestrico. Questo rilassamento è fondamentale per permettere di procedere senza intoppi durante la replicazione e la trascrizione, in quanto attorcigliamenti porterebbero a bloccare il macchinario.

Genoma

Il genoma può essere analizzato nello stato aploide, dove si osserva un singolo filamento di DNA e un assetto cromosomico, non quello diploide.Quando un gene è presente in organismi lontani tra loro, significa che è essenziale. Aumentando la complessità del genoma, i geni si disperdono in un "mare" di DNA non codificante, riducendo la densità genica, che è la quantità di DNA occupata da un gene rispetto alla totalità del genoma. La densità genica diminuisce man mano che cresce la complessità degli organismi, poiché, negli eucarioti, si aggiungono sequenze come gli introni, che non codificano per proteine, ma che sono comunque funzionali, in quanto hanno un ruolo regolatore. Nel genoma umano, il 95% è costituito da introni e solo il 5% da sequenze codificanti. Gli introni vengono rimossi durante il processo di splicing dell'mRNA, mentre gli esoni (sequenze codificanti) sono separati da introni. Accanto ai geni codificanti per proteine, esistono anche RNA non codificanti, come i microRNA (miRNA), che regolano la trascrizione e la traduzione dei geni. Inoltre, nel genoma ci sono pseudogeni (copia di geni attivi che non vengono espressi), e sequenze ripetute come i micro-satelliti, che hanno funzioni regolatrici.

Ciclo Cellulare Eucariotico

Il ciclo cellulare eucariotico è composto da diverse fasi, tra cui la fase S, durante la quale avviene la duplicazione del DNA. Questo processo si conclude con la mitosi, che consente la separazione dei cromosomi e la formazione di due cellule figlie. I cromosomi eucariotici sono caratterizzati da due telomeri, un centromero (che facilita la separazione dei cromosomi durante la mitosi) e origini di replicazione multiple, essenziali per garantire una replicazione rapida e accurata del DNA.

Telomeri e Cromatina

I telomeri sono sequenze specifiche localizzate alle estremità dei cromosomi e vengono protetti dall'enzima telomerasi, che impedisce l'accorciamento del DNA durante il ciclo cellulare. Quando si esamina il DNA nelle cellule eucariotiche, esso è compattato nei nucleosomi, la struttura fondamentale della cromatina. Questi nucleosomi, a loro volta, sono organizzati in una struttura più complessa che consente di impacchettare il DNA all'interno del nucleo. La cromatina è presente in due forme: una più condensata e inaccessibile e una più aperta e accessibile per la trascrizione dei geni. La differenza tra queste forme è determinata dalle modifiche chimiche che avvengono sugli istoni (proteine attorno alle quali il DNA è avvolto), e queste modifiche influenzano l'espressione genica.

Differenze Cellule Eucariotiche e Procariotiche

Le cellule eucariotiche possiedono un nucleo, mentre le cellule procariotiche non hanno un nucleo delimitato da una membrana, ma solo una regione chiamata nucleoide dove è localizzato il materiale genetico. Inoltre, i batteri contengono piccole molecole di DNA chiamate plasmidi, che possono essere trasferiti tra batteri, conferendo vantaggi evolutivi come la resistenza agli antibiotici.

Interazione DNA-Proteine

Un aspetto fondamentale del DNA è la sua struttura a doppia elica, che presenta solchi maggiore e minore. Il solco maggiore è più informativo, poiché consente l'interazione specifica con le sequenze del DNA, mentre il solco minore è meno informativo e consente interazioni indipendenti dalla sequenza. Durante l'interazione del DNA con le proteine, il solco maggiore è utilizzato per il riconoscimento specifico delle sequenze, mentre il solco minore facilita il compattamento del DNA.

Nucleosoma e Istoni

Nel contesto della cromatina, il nucleosoma (DNA avvolto 1,65 volte) è formato da un core di otto proteine istone (H2A, H2B, H3 e H4), intorno al quale il DNA è avvolto per formare una struttura simile a una "collana di perle". Gli istoni sono ricchi di amminoacidi carichi positivamente come arginina e lisina, che favoriscono l'interazione con il DNA, che ha una carica negativa. Le modifiche chimiche sulle code N-terminali degli istoni, come la metilazione o l'acetilazione, sono cruciali per regolare la condizione di condensazione della cromatina e quindi l'espressione dei geni.

Differenziazione Cellulare

Infine, la differenziazione cellulare, pur avendo tutte le cellule lo stesso genoma, dipende dall'espressione dei geni. Alcuni geni sono attivi in una cellula (per esempio, quelli necessari per la funzione di una cella muscolare), mentre altri sono "spenti" a seconda dello stato di