gli acidi nucleici

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come viene indicato il dna, qual’è la sua struttura, che funzioni svolge?

il dna o acido deossiribonucleico, è una molecola stabile ed è un acido nucleico, costituito da un doppio filamento avvolto ad elica,

svolge le funzioni di:

depositare l’informazione genetica nelle cellule o virus

trasferire il patrimonio genetico ereditario

come viene indicato il rna, qual’è la sua struttura, che funzioni svolge?

l’rna o acido ribonucleico, è una molecola meno stabile e anche esso è un acido nucleico, costituito da un singolo filamento.

svolge le funzioni di:

costruire ribosomi (rRNA)

permette la costruzione di proteine (tRNA, mRNA)

è coinvolto nella regolazione dell’espressione genica (microRNA)

da chi fu scoperto la struttura del DNA?

la struttura del DNA fu scoperto da Watson e Crick nel 1953

esponi brevemente la cronistoria del DNA

nel 1896 Miescher isolò dal nucleo di alcune cellule una sostanza di natura acida e ricca di fosforo, e la chiamò nucleina data la sua localizzazione, egli suppose che la nucleina fosse coinvolta nella trasmissione ereditaria, ma abbandonò questa ipotesi misurando la quantità di nucleina in alcune cellule uovo di un pesce e nei due tipi di gameti, (non sapeva ancora che nella cellula uovo esiste anche il dna mitocondriale)

20 anni dopo questa nucleina venne ribattezzata da un suo allievo Altmann acido nucleico

Sutton associò la nucleina ai cromosomi, poiché separandola da questi, ne osservò la scomparsa.

Nel 1928 Griffith scoprì l’esistenza del principio trasformante attraverso degli esperimenti con uno pneumococco che causa polmonite.

Questo batterio si presenta in due forme:

con la presenza di un capside che produce la malattia (ceppo S)

senza la presenza del capside che non produce malattia (ceppo R).

Notò che quando infettava i topo con il ceppo R questi non morivano, mentre se li infettava con il ceppo S si, inoltre se denaturava il ceppo S, i topi non morivano, ma se univa ceppo R e ceppo S denaturato questi ultimi morivano. Griffith chiamò questo processo trasformazione genica e ciò che la induceva principio trasformante

nel 1944 il principio trasformante fu identificato come DNA da Avery, MacLEod e McCarty.

nel 1952 Hersey e Chase usarono il Fago T2, costituito da acido nucleico e proteine, marcando le proteine con dello zolfo, e l’acido nucleico con il fosforo, e lo misero in presenza di batteri intatti. Una volta avvenuta l’infezione, centrifugando debolmente la miscela osservarono che quando fai venivano usati fagi. on dna marcato, la radioattività rimaneva nel pellet (quindi nelle cellule), mentre viceversa la radioattività era presente solo nel sopranante.

chargaff propose: La regola di Chargaff,

nel DNA, la quantità di adenina (A) è sempre uguale a quella di timina (T), e la quantità di citosina (C) è uguale a quella di guanina (G).
A = T e C = G.

per capire la struttura del DNA Franklin e Wilkins usarono un fascio di raggi C che deviato dai gusci elettronici della molecola di dna disegna delle macchie, così scoprirono la struttura elicoidale del dna, che ha un diametro costante di 2nm

nel 1953 Watson e Crick riuscirono a definire un modello molecolare di DNA coerente con i risultati ottenuti dai ricercatori.

qual’è la struttura chimica degli acidi nucleici?

il DNA e l’RNA sono polinucleotidi, i cui monomeri sono rappresentati dai nucleotidi. I nucleotidi del DNA sono chimati desossiribonucleotidi, quelli dell’RNA ribonucleotidi.

i nucleotidi sono costituiti da zucchero pentoso di il 2’D-desossiribosio (DNA), o il D-ribosio (RNA), una base azotata e un residuo di acido fosforico.

Nel DNA, al C2’ è legato un atomo di H, mentre nell’RNA è legato un gruppo OH.

La base azotata è legato al C1’ con un legame N-glicosidico, mentre l’acido fosforico è legato al C5’ con un legame estere

zucchero + base azotata= nucleoside

la parte variabile del nucleotidi è la base azotata,

le basi azotate sono costituite da anello eteroclici aromatici contenenti C e N, esse si dividono in purine, costituite da 2 anelli fusi (A e G), e pirimidine (T,U,C)

quali sono le funzioni dei nucleotidi?

l’ATP che è una singola molecola di nucleotide modificato svolge la funzione do molecola energetica

l’ATM ciclico (cAMP) è coinvolto nei meccanismi di trasduzione del segnale

il GTP legandosi alle proteina le attiva ed innesca una cascata di eventi all’interno della cellula

come viene costruita una catena poli-nucleotidica?

Due nucleotidi in una singola elica sono legati da un ponte fosfodiesterico, un legame covalente che si instaura tra il gruppo OH legato al C3’ del primo nucleotidi e il gruppo PO²₄ legato al C5’ del secondo

In una singola elica si identifica uno scheletro (backbone), costituito da un’ alternanza di molecole di zucchero e acido fosforico, nella base azotata è contenuta l’informazione genetica.

come viene fornita l’energia per dar vita all’elica nascente?

l’energia viene fornita dai nucleotidi stessi, in pratica nella reazione di polimerizzazione sono utilizzati nucleosidi trifosfato in 5’ che liberano energia per la formazione del ponte fosfodiesterico, in seguito alla rottura del legame tra P (α) e P(β). La successiva idrolisi del gruppo P-P (pirofosfato) rende la reazione irreversibile

qual’è la struttura della doppia elica?

Il DNA è costituito da due eliche complementari e antiparallele, avvolte attorno ad un asse in senso destrorso.

Le singole eliche sono complementari e questo comporta che per rispettare la costanza del diametro (2nm) se un’elica è presente una purina, mentre sull’altra una piramidi, la distanza tra purina e pirimidina è circa 1 nm.

le coppie canoniche 8BASI COMPLEMENTARI9 di base azotate sono adenanina-timina due legami a H, guaina-citosina 3 legami a H.

le due eliche sono antiparallele e corrono in direzioni opposte avendo la stessa polarità, individuata a partire dall’estremo 5’P verso l’estremo 3’OH.

nella doppia elica sono presenti dei solchi uno maggiore e uno minore che permettono l’accesso dell’informazione genetica.

qual’è la differenza tra DNA-B e DNA-Z?

la molecola di DNA-B è svolta in senso destrorso e ogni giro d’elica contiene 10 coppie di basi, il passo misura 3,4 nm

la molecola di DNA-Z presenta avvolgimento sinistrorso e si origina in regioni di DNA che presentano citosine metilati, la sua presenza è associata alla regolazione della trascrizione (come marker per il processo di trascrizione) e nella rottura dei cromosomi

cosa sono le sequenze palindromiche?

Le sequenze palindromiche sono delle sequenze che possono essere lette indifferentemente da destra verso sinistra e viceversa, e si generano in seguito all’inversione di un’elica rispetto all’altra di una sequenza ripetuta.

capita che queste sequenze siano separate da un tratto più o meno lungo, in questo caso si formerà un’ansa non appaiata di dimensioni variabili.

Le sequenze palindromiche inoltre possono formare strutture a forcina singole o multiple

quali sono le funzioni delle sequenze palindromiche?

si ipotizza che che le sequenze palindromiche possano essere segnali di riconoscimento per le proteine di regolazione, oppure segnalare alle endonucleasi un sito di taglio, o indicare il sito di inizio della replicazione del DNA. Le lunghezze delle sequenze palindromiche sono variabili da 300 a 1200 cn

cosa sono le forme tautomeriche?

le forme tautomerie di basi azotate sono delle basi che assumono raramente e temporaneamente delle conformazioni diverse circa le possibilità di accoppiamento. ad esempio una citosina in forma tautomeria non riconosce la guaina come partner e si lega all’adenina, ciò comporta l’insorgere di mutazioni puntiformi.

qual’è la struttura dell’RNA?

l’acido ribonucleico è un polimero lineare di ribonucleotidi.

il nucleotide presente nell’RNA è costituito da una molecola di ribosio, una base azotata ed una molecola di acido fosforico.

la base azotata è legata al C1’ con un legame N-glicosidico, mentre l’acido fosforico legato al C5’ con legame estere.

Anche per l’RNA vale il concetto di polarità individuata dal 5’P verso il 3’OH

che tipi di RNA esistono?

rRNA ribosomiale: costituente dei ribosomi

mRNA messaggero: porta l’informazione che deve essere tradotta in proteina

tRNA transfert: impegnato nella sintesi di proteine

scRNA piccoli RNA citoplasmatici: si trovano come componenti di ribonucleoproteine

snoRNA piccoli RNA nucleari: coinvolti nella maturazione dell’rRNA

miRNA microRNA: piccolissime catene di RNA coinvolte nella regolazione dell’espressione genica

quali sono le strategie di compatimento del DNA ed RNA?

nei virus, il genoma DNA o RNA può essere a singolo o doppio filamento, lineare o circolare

nei virus con dna lineare a doppia elica avviene un compatimento per avvolgimento centimetro (dalla periferia al centro)

nei piccoli genomi circolar avviene una superspiralizzazione con avvitamento destrorso, la molecola avrà minor numero di giri d’elica

quando il numero d’elica viene alterato si determina la formazione di topoisomeri.

gli enzimi che agiscono variando il numero di giri d’elica si chiamano topoisomerasi.

nei procarioti il DNA si trova come molecola circolare, localizzata nel nucleone, il compattamento consiste in domini ad anse stabilizzati da proteine e RNA

negli eucarioti il Dna è avvolto su nucleosomi (ottametri di istoni H2a, H2B, H3, H4 e H1)

gli istoni della prima classe si organizzano a formare strutture ottomeriche a rocchetto che permettono la formazione del filo di collana di perle. le perle sono formate da DNA e e proteine isteriche mentre il filo è solo DNA.

l’istone H1 stabilizza il nucleosoma ancorando il dNA al rocchetto, il tratto di DNA compreso tra due nucleosomi è detto DNA linker.

la fibra a collana di perle ha uno spessore di 10 nm e compattandosi ulteriormente avviene un super avvolgimento

più rocchetti formano un solenoide di 30 nm

cos’è un cromosoma metafisico e che differenza c’è tra eucromatina ed eterocromatina?

un cromosoma metafisico è formato a delle superanse di nucloeosoma

eucromatina: poco compatta trascrizionalmente attiva

etercromatina molto compatta, trascrizionalmente inattiva

eterocromatina costitutiva: super compatta e mai trascritta

facoltativa: può essere inattivata in certi momenti

lo stato della cromatina è regolato da acetilazione, fosforilazione, mediazione, ubiquitinazione, sumoilazione

cos’è una struttura scaffold?

è un’impalcatura proteica che funge da scheletro interno, costituita da proteine non istoniche

quali sono i parametri fisici del DNA?

Densità del DNA

• Dipende dalla composizione in basi:

  • G≡C (3 legami H) → più compatto → più denso

  • A=T (2 legami H) → meno denso

• Si misura in g/cm³, tipicamente ~1,7 g/cm³ in soluzione satura di CsCl.

Gradiente di densità

• Tecnica: ultracentrifugazione in CsCl

• Molecole di diversa densità migrano fino a fermarsi dove la densità della soluzione è uguale alla loro.

• Serve a separare DNA, RNA o plasmidi.

Punto isopicnico

• Punto preciso nel gradiente dove densità DNA = densità CsCl

• Il DNA si concentra in una “banda visibile” senza muoversi.

Viscosità del DNA

• DNA è lungo e lineare → fa aumentare la viscosità delle soluzioni acquose.

• Se si denatura o taglia in frammenti → diminuisce la viscosità.

• Utile per capire integrità e lunghezza delle molecole.

Assorbimento a 260 nm

• Le basi azotate assorbono luce UV a 260 nm.

• Permette di quantificare il DNA:

  • A260 = 1 → 50 µg/mL DNA

• Rapporto A260/A280 dà purezza:

  • ≈1,8 → DNA puro

  • <1,8 → possibile contaminazione proteica

Come possono le proteine interagire con gli acidi nucleici?

Le proteine possono interagire con gli acidi nucleici (DNA e RNA) attraverso diversi meccanismi:

• Legami elettrostatici: molte proteine hanno residui basici (lisina, arginina) che interagiscono con il gruppo fosfato carico negativamente degli acidi nucleici.

• Legami idrogeno e interazioni di stacking: alcuni amminoacidi si legano alle basi azotate tramite legami a idrogeno o interazioni π-π.

• Domini specifici di riconoscimento: proteine come i fattori di trascrizione hanno motivi strutturali (es. helix-turn-helix, zinc finger, leucine zipper) che permettono il riconoscimento di sequenze specifiche di DNA.

• Interazioni con la struttura secondaria: proteine leganti RNA riconoscono strutture come forcine (hairpins) o regioni a doppio filamento.

Queste interazioni sono fondamentali per processi come replicazione, trascrizione, traduzione e regolazione genica.

cosa sono i domini proteici?

I domini proteici sono regioni della proteina che assumono una struttura tridimensionale stabile e indipendente, capace di svolgere una funzione specifica. Ogni dominio può contribuire a:

• legare DNA, RNA o altre proteine,

• catalizzare reazioni,

• regolare l’attività della proteina.

Nel contesto dell’interazione con gli acidi nucleici, alcuni domini sono specializzati nel riconoscere sequenze specifiche di DNA o strutture di RNA.

quali sono i domini proteici che interagiscono con gli acidi nucleici?

• HTH (Helix-Turn-Helix)

  • Struttura: due α-eliche unite da un breve tratto (turn).

  • Meccanismo: una delle eliche ("recognition helix") si inserisce nel solco maggiore del DNA e riconosce sequenze specifiche tramite legami idrogeno e interazioni van der Waals.

  • Funzione: tipico dei fattori di trascrizione procariotici (es. repressore lac) e di molte proteine regolatrici negli eucarioti.

• ZF (Zinc Finger)

  • Struttura: piccolo dominio stabilizzato da uno ione Zn²⁺ coordinato da residui di cisteina e istidina.

  • Meccanismo: il dito di zinco forma una piega compatta che permette a un’α-elica di inserirsi nel solco maggiore del DNA e riconoscere sequenze specifiche.

  • Funzione: molto diffuso nei fattori di trascrizione eucariotici; la combinazione di più ZF in tandem consente un riconoscimento di sequenze più lunghe.

• LZ (Leucine Zipper)

  • Struttura: motivo con leucine ripetute ogni 7 amminoacidi che formano una coiled-coil (due α-eliche avvolte tra loro).

  • Meccanismo: il dominio consente la dimerizzazione di due proteine, portando le loro eliche di riconoscimento del DNA in posizione ottimale per legarsi al solco maggiore.

  • Funzione: tipico di proteine regolatrici della trascrizione negli eucarioti

cos’è la denaturazione e come avviene?

• È la separazione dei due filamenti della doppia elica.

• Può avvenire per aumento di temperatura o in presenza di agenti chimici (urea, formammide).

• Durante la denaturazione si rompono i legami a idrogeno tra le basi azotate e le interazioni idrofobiche, ma non i legami covalenti dello scheletro zucchero-fosfato.

cos’è la temperatura di fusione?

• È la temperatura alla quale il 50% delle molecole di DNA è denaturato.

• Dipende da:

  • contenuto in GC (più GC = Tm più alta, perché le coppie G≡C hanno 3 legami H),

  • lunghezza del DNA,

  • forza ionica della soluzione.

cos’è l’effetto ipercromico?

L’effetto ipercromico è l’aumento dell’assorbimento della luce UV a 260 nm quando il DNA passa da doppia elica a filamenti singoli.
Succede perché le basi azotate, normalmente impilate e “nascoste” nella doppia elica, diventano esposte e assorbono più radiazione.
Questo fenomeno è usato per misurare la denaturazione del DNA e per determinare la temperatura di fusione (Tm).

cos’è l’assorbanza?

L’assorbanza è la misura di quanta luce una sostanza in soluzione assorbe a una certa lunghezza d’onda.

• Si misura con uno spettrofotometro.

• È collegata alla concentrazione della molecola

• Il DNA assorbe la luce a 260 nm grazie alle basi azotate.

• Si usa per:

  • quantificare il DNA (più assorbanza → più DNA),

  • monitorare denaturazione e rinaturazione (con effetto ipercromico).

dove si trova il DNA?

Il DNA non si trova solo nel nucleo:

• negli eucarioti animali è presente anche nei mitocondri,

• nelle piante è presente sia nei mitocondri sia nei cloroplasti.

quali sono le dimensioni del genoma?

• La grandezza di un genoma si misura in chilobasi (kb, 10³ basi) o megabasi (Mb, 10⁶ basi).

• Le dimensioni genomiche sono molto variabili tra organismi diversi.

• Un genoma più grande non significa necessariamente maggiore complessità: ci sono organismi con DNA enorme ma non complessi (es. alcune piante o anfibi).

• La complessità biologica dipende più dal numero e dalla regolazione dei geni, non solo dalla quantità totale di DNA.

cos’è il valore C0t?

• Il valore C₀t è uno strumento sperimentale per analizzare la complessità e la ripetitività del DNA.

• Si basa sulla curva di rinaturazione: quando il DNA denaturato viene raffreddato, i tratti complementari si riappaiamo con velocità diversa a seconda della loro frequenza.

• DNA con sequenze ripetute si rinatura velocemente; DNA unico (non ripetuto) si rinatura più lentamente.

• Il C₀t curve viene usato per stimare la proporzione di DNA ripetitivo vs unico in un genoma.

cos’è il dna selfish?

Il DNA “selfish” (o DNA egoista) è quel DNA che:

• non codifica per geni utili all’organismo,

• si replica e si mantiene nel genoma solo per la propria “sopravvivenza”,

• spesso è formato da sequenze ripetute, trasposoni o retrotrasposoni, che possono copiare e inserire se stessi in nuove posizioni.

cos’è un cromosoma?

Un cromosoma è una struttura altamente condensata di DNA e proteine istoniche e non istoniche, che permette di compattare e organizzare il genoma all’interno del nucleo. Durante la divisione cellulare i cromosomi diventano visibili al microscopio ottico.

cos’è un centromero o costrizione primaria?

• È la regione centrale del cromosoma che collega i due cromatidi fratelli.

• Serve da sito di attacco per le proteine del cinetocore, necessarie per l’ancoraggio delle fibre del fuso mitotico.

che tipi di cromosomi esistono?

• Metacentrici → centromero al centro, bracci di uguale lunghezza.

• Submetacentrici → centromero spostato, un braccio più corto e uno più lungo.

• Acrocentrici → centromero molto vicino a un’estremità, con un braccio molto corto e uno molto lungo.

• Telocentrici → centromero all’estremità, con un solo braccio (non presenti nell’uomo).

cos’è la costrizione secondaria?

• È una strozzatura del cromosoma diversa dal centromero.

• Spesso contiene i geni per l’rRNA → questa regione è chiamata organizzatore nucleolare (NOR).

• Intorno a questa zona si forma il nucleolo, dove avviene la sintesi di rRNA e l’assemblaggio dei ribosomi.

• Non ha ruolo nella divisione cellulare, ma è essenziale per la funzione nucleolare.

cosa sono le coesine?

• Le coesine sono complessi proteici che tengono uniti i cromatidi fratelli dalla fase S fino all’anafase della divisione cellulare.

• Garantendo l’adesione, assicurano una corretta segregazione cromosomica.

qual’è la funzione dei territori che occupano i cromosomi?

• Nel nucleo, i cromosomi occupano territori specifici e stabili, evitando un mescolamento casuale.

• Questo ordine è importante per la regolazione genica e l’integrità genomica.

• Se un cromosoma o una sua parte si trova in una posizione anomala, può favorire riarrangiamenti cromosomici → con conseguenti patologie genetiche o tumorali.