La replicazione del DNA e la trascrizione dell'RNA in Biologia

La replicazione del DNA

La replicazione del DNAI e la Trascrizione dell'RNA 6 Ottobre 2023 Biologia Applicata- Corso di Scienze Biomediche

I 3 modelli di replicazione del DNA

DNA originario Dopo un ciclo di duplicazione SEMICONSERVATIVO XXXX < XXXX In base al modello semiconservativo ciascuna molecola di DNA contiene un intero filamento vecchio e un intero filamento nuovo. CONSERVATIVO XXXX In base al modello conservativo la molecola originaria viene mantenuta e si assiste alla sintesi di un'intera molecola nuova. DISPERSIVO XXXX In base al modello dispersivo la sintesi del DNA origina due molecole i cui filamenti sono costituiti da frammenti di DNA vecchio e neosintetizzato.

La replicazione è semiconservativa

DNA originario Dopo un ciclo SEMICONSERVATIVO XXXX < In base al modello semiconservativo ciascuna molecola di DNA contiene un intero filamento vecchio e un intero filamento nuovo. CONSERVATIVO XXXX < XXXX XXXX In base al modello conservativo la molecola originaria viene mantenuta e si assiste alla sintesi di un'intera molecola nuova. DISPERSIVO XX XXXX In base al modello dispersivo la sintesi del DNA origina due molecole i cui filamenti sono costituiti da frammenti di DNA vecchio e neosintetizzato.

Le due fasi della replicazione

1. La doppia elica del DNA viene denaturata per separare i due filamenti STAMPO e per renderli così disponibili per nuovi appaiamenti di basi
2. Man mano che i nucleotidi si appaiano al filamento STAMPO, vengono uniti da legami covalenti FOSFODIESTERE a formare un filamento con sequenza di basi COMPLEMENTARE a quella del FILAMENTO STAMPO

Il legame fosfodiesterico

Filamento in crescita Estremo 5' Filamento stampo Estremo 3' OH T A Fosfato C G Zucchero Base T A I nuovi nucleotidi sono addizionati sull'estremo 3'. C G OH Estremo 3' G Estremo 5' C C C si appaia con G. OH Estremo 3' Estremo 5' Filamento in crescita Estremo 5' Filamento stampo Estremo 3' OH T A C G L'enzima DNA polimerasi addiziona il successivo deossiribonucleotide al gruppo -OH sull'estremo 3' del filamento in crescita, con rilascio di pirofosfato. C G DNA polimerasi .. C G OH Estremo 3' C lone pirofosfato I legami tra i fosfati vengono idrolizzati, con liberazione dell'energia che sostiene la reazione. Estremo 5' loni fosfato T A

La DNA polimerasi

A DNA DNA polimerasi Primer di RNA B Filamento stampo Nuovo filamento 3' 5' "Pollice" 3ʹ 5' "Dita" DNA polimerasi La replicazione del DNA inizia con il legame di un grosso complesso proteico, il complesso di PRE-REPLICAZIONE che si lega ad un sito specifico chiamato ORIGINE DI REPLICAZIONE (ORI). Di questo complesso fa parte la DNA POLIMERASI, che catalizza l'aggiunta di nucleotidi al filamento di DNA in crescita

La replicazione nei procarioti

Nei procarioti il filamento di DNA circolare viene aperto a livello dell'ORI dove si lega il complesso di PRE-REPLICAZIONE, il quale svolgerà il DNA in entrambe le direzioni dando origine a due FORCELLE di REPLICAZIONE. La velocità è di circa 1000bp/ secondo per cui in 40 minuti tutto il cromosoma viene replicato A Cromosomi procariotici 1 La sequenza ori lega il complesso che avvia la replicazione. 2 Due forcelle di replicazione avanzano in direzioni opposte, allontanandosi l'una dall'altra. ori ori Complesso di pre-inizio 09 ori 00 ori T bp= base pairs=paia di basi

La replicazione negli eucarioti

Negli eucarioti i filamenti sono molto lunghi, anche milioni di bp e sono lineari. Questo fa si che, perchè la replicazione si verifichi in tempi brevi, ci siano più siti ORI ai quali si possono legare i complessi di PRE-REPLICAZIONE, dispersi ad intervalli di 10000- 40000bp. Anche in questo caso le forcelle di replicazione si muovo in direzioni OPPOSTE B Cromosomi eucariotici ori ori ori Contengono origini di replicazione multiple. Inizio della replicazione 00 Le forcelle si muovono in direzioni opposte 0.00 2000000000

Gli step di replicazione (prima parte)

1) I DENATURAZIONE. due filamenti si separano in un processo chiamato 2) Le forze di Van der Wals che tengono uniti i due filamenti ed i legami H vengono rotti dalle DNA ELICASI che utilizzano l'energia derivata dall'idrolisi dell'ATP per ricavare energia. 3) I filamenti separati vengono inoltre legati dalle Single Strand Binding Protein (SSBP) che impediscono che i due filamenti si riuniscano DNA polimerasi III Stampo per il filamento anticipato L'elicasi provvede allo srotolamento della doppia elica, denaturando il DNA e formando la forcella di replicazione 3' 5' Crescita continua Topoisomerasi e girasi Filamentio anticipato (leading strand) Crescita discontinua 3' 5' Filamento ritardato (lagging strand) RNA primer DNA parentale 3' 5' / Proteine ssb, stabilizzatrici dei singoli filamenti Stampo per il filamento ritardato RNA primasi

Gli step di replicazione (seconda parte)

La primasi si lega al filamento stampo e sintetizza un primer di RNA. Primasi Filamento stampo 3' 5' .5' Primer di RNA Primer di RNA 3' 5' 5' 2 Quando il primer è completato, la primasi si stacca e si lega la DNA polimerasi, che inizia a sintetizzare nuovo DNA. DNA polimerasi Primasi Nuovo filamento 3 3 5' 5' 4) La PRIMASI sintetizza un filamento di RNA complementare al FILAMENTO STAMPO, il PRIMER 5) La DNA POLIMERASI si può legare all'ORI e aggiungerà quindi nucleotidi all'estremità 3' del PRIMER, che successivamente verrà degradato, cosicche la nuova molecola sia costituita esclusivamente da DNA

La replicazione avviene in direzione 5'->3'

3 Filamento guida 5' Doppia elica 3' RNA primer 3 DNA polimerasi 5' 5' Forca replicativa 3' 5' Filamento in ritardo (Primo frammento di Okazaki) Direzione di replicazione 3' 5' Filamento guida 3 RNA primer 5' 5.3 Frammenti di Okazaki 3' 5' Il FILAMENTO GUIDA è sintetizzato senza interruzione nella direzione della forca di replicazione. FILAMENTO RITARDATO invece viene sintetizzato in direzione opposta In entrambi i casi comunque, la sintesi parte da dei PRIMER di RNA Il FILAMENTO RITARDATO, viene sintetizzato come una serie di corti frammenti, chiamati FRAMMENTI di OKAZAKI.

Sintesi del filamento guida e ritardato

Primasi Filamento copia Primer di RNA 1 Primer di RNA 3' 5' 5' 3' 1 Stampo del filamento copia 1 La primasi produce un primer di RNA. 2 La DNA polimerasi addiziona i nucleotidi sul nuovo frammento di Okazaki soltanto sull'estremo 3', continuando fino a incontrare il frammento di Okazaki precedente. DNA polimerasi Frammento di Okazaki 5' 3' 3' 5' 5' 3' Per la sintesi del FILAMENTO GUIDA (leading) è necessario un solo primer. Nel filamento RITARDATO (lagging), ogni frammento di OKAZAKI richiede invece un suo proprio primer

Gli step di replicazione (terza parte)

Frammento di Okazaki 5' 3' 5' 3' 5' 3' DNA polimerasi 3 Una differente DNA polimerasi idrolizza il primer e lo sostituisce con DNA. Spazio vuoto 3' 5' 5' 3' DNA līgasi (aperta) 3' 5' 5' 3' DNA ligasi (chiusa) 4 La DNA ligasi catalizza poi la formazione del legame fosfodiesterico che infine congiunge due frammenti di Okazaki contigui. 6) Quando la DNA polimerasi ha sintetizzato il filamento, i primer di RNA vengono rimossi e UNA DIFFERENTE DNA POLIMERASI rimpiazza queste parti mancanti con nuovo DNA. 7) La piccola interruzione rimanente fra due frammenti di OKAZAKI consecutivi, viene giuntata dalla DNA LIGASI che catalizza la formazione del legame FOSFODIESTERICO

Gli enzimi coinvolti nella replicazione

Enzima	Funzione
Elicasi	Svolge la doppia elica in corrispondenza delle forche di replicazione rompendo i legami a idrogeno che tengono insieme i due filamenti
Proteina che lega il singolo filamento (SSB)	Si lega ai singoli filamenti di DNA ed impedisce la riformazione della doppia elica prima che i singoli filamenti siano stati utilizzati come stampo per la replicazione
Topoisomerasi	Taglia uno o entrambi i filamenti di DNA, evitando l'eccessivo avvolgimento durante la replica- zione, e li risalda in una configurazione più rilassata
DNA polimerasi	Lega le subunità nucleotidiche tra loro per formare un nuovo filamento di DNA a partire da un filamento di DNA stampo
DNA primasi	Sintetizza tratti di RNA (primer) sul filamento in ritardo. Avvia la replicazione del filamento guida
DNA ligasi	Lega tra loro i frammenti di Okazaki unendo l'estremità 3' del nuovo frammento di DNA all'estremità 5' del tratto di DNA adiacente

I telomeri

All'estremità dei cromosomi sono presenti delle sequenze ripetute (TTAGGG), chiamati TELOMERI, che si ripetono circa 2500 volte. Queste sequenze svolgono un ruolo di protezione dell'informazione genetica Nel caso dei frammenti di OKAZAKI, una volta che il PRIMER viene rimosso non può essere rimpiazzato da nuovo DNA perché non c'è spazio per un nuovo sito di innesco. Questo comporterebbe che ad ogni REPLICAZIONE, una porzione di cromosoma andrebbe perso (circa 50- 250 bp). Telomerasi NPH2 NOP10 TERT Telomero GAR GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG 3' CCCAATCCCA5' AAUCCC Discherina Stampo di RNA (TERC) Questo processo viene evitato da un enzima chiamato TELOMERASI, che catalizza l'aggiunta dei nucleotidi necessari a ripristinare la sequenza telomerica. Questo meccanismo è tipico delle CELLULE STAMINALI

Accorciamento dei cromosomi e telomerasi

A DNA parentale Telomero 5' 3' 3' Nuovi filamenti La rimozione dell'innesco di RNA porta a un accorciamento del cromosoma a ogni ciclo di replicazione. Il progressivo accorciamento dei cromosomi porta infine alla morte cellulare. 5' Telomerasi (B) Stampo di RNA 3' Una breve sequenza di RNA nella telomerasi funge da stampo per il DNA. Questo enzima addiziona la sequenza telomerica all'estremo 3' del cromosoma. 3' 3' Spazio vuoto La lunghezza originale del DNA cromosomico è stata ristabilita. Si noti lo spazio vuoto lasciato dalla rimozione dell'innesco per la replicazione del DNA. Telomeri 3' B20 TELOMERASE . . . . 3 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . £ £ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .