introduzione alla biologia molecolare, struttura e funzioni del dna
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LEZIONE I
INTRODUZIONE ALLA BIOLOGIA MOLECOLARE: STRUTTURA E
FUNZIONI DEL DNA Dott. Paolo Cascio
1. QUALI SONO LE BASI MOLECOLARI (BIOCHIMICHE) DEI
CARATTERI MORFOLOGICI OSSERVATI (ES. COLORE OCCHI,
FORMA ALI)?
2. QUALI SONO E DOVE SONO MATERIALMENTE LOCALIZZATE
NELLA CELLULA LE UNITA’ RESPONSABILI DELLA TRASMISSIONE
DEI CARATTERI EREDITARI?
MOLTI CARATTERI EREDITARI SONO MALATTIE METABOLICHE
CARATTERIZZATE DAL BLOCCO DI DETERMINATE REAZIONI
CHIMICHE. QUESTE MALATTIE SONO CAUSATE DALL’ASSENZA DI UN
ENZIMA SPECIFICO NORMALMENTE SINTETIZZATO DA UN GENE
PRESENTE NEGLI INDIVIDUI SANI.
DA QUI L’IPOTESI DEL “UN GENE, UNA PROTEINA”:
AD OGNI GENE CORRISPONDE UNA PROTEINA E VICEVERSA
PRINCIPALI COMPONENTI DEI CROMOSOMI:
1) ACIDO DESOSSIRIBONUCLEICO (DNA)
2) ISTONI: PICCOLE PROTEINE BASICHE CHE NEUTRALIZZANO
L’ACIDITA’ DEL DNA.
LE CELLULE CONTENGONO ANCHE UN ALTRO TIPO DI ACIDO
NUCLEICO: L’ACIDO RIBONUCLEICO (RNA).
L’RNA E’ LOCALIZZATO:
1 - NEL CITOPLASMA
2 - NEL NUCLEO IN PICCOLI GRANULI (NUCLEOLI)
NOMENCLATURA BASI AZOTATE E NUCLEOSIDI:
URIDINAURACILE
TIMIDINATIMINA
CITIDINACITOSINAPIRIMIDINICHE
GUANOSINAGUANINA
ADENOSINAADENINAPURINICHE
NUCLEOSIDIBASI
URIDINAURACILE
TIMIDINATIMINA
CITIDINACITOSINAPIRIMIDINICHE
GUANOSINAGUANINA
ADENOSINAADENINAPURINICHE
NUCLEOSIDIBASI
ORGANISMI DIVERSI PRESENTANO NEL LORO DNA DIVERSE QUANTITA’
DELLE QUATTRO BASI AZOTATE.
LA QUANTITA’ DI ADENINA E’ SEMPRE IDENTICA A QUELLA DI TIMINA
E QUELLA DI GUANINA A QUELLA DI CITOSINA
IL NUMERO TOTALE DI BASI PURINICHE NEL DNA E’
APPROSSIMATIVAMENTE UGUALE A QUELLO DELLE BASI
PIRIMIDINICHE
NATURA DELLE FORZE IDROFOBICHE
EFFETTO IDROFOBICO E’ IL NOME ASSEGNATO A QUELLE INTERAZIONI
CHE CONTRIBUISCONO A DIMINUIRE I CONTATTI CON L’ACQUA DELLE
SOSTANZE NON POLARI E DELLE SOSTAZE ANFIPATICHE. UN GRUPPO
NON POLARE NON PUO’ ACCETTARE O DONARE LEGAMI IDROGENO.
PER RECUPERARE L’ENERGIA DEI LEGAMI H PERSI, LE MOLECOLE
D’ACQUA SULLA SUPERFICIE IDROFOBICA SI ORIENTANO A FORMARE
UN RETICOLO (STRUTTURE A CLATRATI). SI DETERMINA QUINDI UNA
DIMINUZIONE DELL’ ENTROPIA DEL SISTEMA. PER LIMITARE QUESTA
DIMINUZIONE DI ENTROPIA (CHE E’ TERMODINAMICAMENTE
SFAVORITA) LE MOLECOLE NON POLARI VENGONO ESCLUSE DALLA
FASE ACQUOSA E FORMANO DEGLI AGGREGATI (IN MODO, CIOE’, CHE
IL RAPPORTO SUPERFICIE-VOLUME DIMINUISCA).
I FOSFATI E GLI ZUCCHERI SONO SOLUBILI IN ACQUA MENTRE LE BASI
SONO IDROFOBICHE.
NELLE CATENE POLINUCLEOTIDICHE LA DISTANZA TRA DUE
DESOSSIRIBOSI ADIACENTI E’ DI 0.6 nm, DI CONSEGUENZA TRA LE BASI
SI VIENE A CREARE UNO SPAZIO DI 0.27 nm DOVE PUO’ INSERIRSI
DELL’ACQUA.
PP
P
0.6nm
0.33nm
0.33nm
0.27nm
UN PRIMO MODO PER RIDURRE I CONTATTI DELLE BASI CON
L’AMBIENTE RICCO D’ACQUA DELLA CELLULA E’ QUELLO DI
FORMARE DEI LEGAMI CON LE BASI DI UN’ALTRA CATENA
POLINUCLEOTIDICA.
PP
P
0.6nm
P
PP
PP
18nm
LO SPAZIO FRA LE BASI ADIACENTI PUO’ ESSERE ELIMINATO FACENDO
RUOTARE L’ASSE DELLE CATENE ZUCCHERO-FOSFATO DI 30 GRADI, IN
MODO CHE LE BASI INTERAGISCANO TRA LORO CON INTERAZIONI DI
TIPO IDROFOBICO TRA LE NUVOLE ELETTRONICHE DEGLI ANELLI
AROMATICI
PPP
P
IL DNA ASSUME UNA CONFORMAZIONE AD ELICA E NON A
“GRADINATA” PERCHE’ IN QUESTO CASO SI VERREBBERO A CREARE
DEI CONTATTI INACCETTABILI TRA GLI ATOMI DELLE BASI
SOVRAPPOSTE. TALI CONTATTI VENGONO FACILMENTE ELIMINATI
ATTRAVERSO UNA LEGGERA ROTAZIONE IN SENSO ORARIO DELLE
BASI IMPILATE
CARATTERISTICHE DELLA DOPPIA ELICA DI DNA-B:
• ELICA DESTRORSA.
• IN CIASCUNA CATENA I NUCLEOTIDI ADIACENTI SONO RUOTATI
L’UNO RISPETTO ALL’ALTRO DI 34.6°. PER QUESTO MOTIVO LA
DOPPIA ELICA COMPLETA UN GIRO APPROSSIMATIVAMENTE
OGNI 10.4 COPPIE DI BASI.
• CIASCUN GIRO DELLA DOPPIA ELICA SI ESTENDE PER 3.40 nm
(PASSO DELL’ELICA). OGNI COPPIA DI BASI INCREMENTA LA
LUNGHEZZA DELL’ELICA DI 0.33 nm.
• IL DIAMETRO DELLA DOPPIA ELICA E’ DI 2.37 nm.
SULLA SUPERFICIE DEL DNA SONO PRESENTI DUE SOLCHI: IL SOLCO
MAGGIORE E QUELLO MINORE
DNA A:
1.FORMA CHE IL DNA ASSUME IN CONDIZIONI DI BASSA UMIDITA’
2.NELLA CELLULA IL DNA E’ SEMPRE PRESENTE NELLA FORMA B
INTERCALATA DA BREVI SEQUENZE IN CONFORMAZIONE A
3.HANNO, INVECE, CONFORMAZIONE A LE MOLECOLE DI RNA A DOPPIO
FILAMENTO E LE MOLECOLE IBRIDE DNA-RNA
NEL DNA B LE BASI GIACCIONO VICINO ALL’ASSE DELL’ELICA,
MENTRE NEL DNA A SONO SPOSTATE VERSO L’ESTERNO
INOLTRE NEL DNA A LE BASI SONO INCLINATE DI CIRCA 20° RISPETTO
ALL’ASSE DELL’ELICA.
I DUE SOLCHI SONO SIMILI.
LA FORMA B DEL DNA E’ FAVORITA IN AMBIENTE ACQUOSO
PROBABILMENTE PERCHE’ TALE CONFORMAZIONE NON PERMETTE
L’ACCESSO DELL’ACQUA NELL’INTERNO IDROFOBICO DELLA
MOLECOLA E PERMETTE, INVECE, LA FORMAZIONE A LIVELLO DEL
SOLCO MINORE DI PONTI H CHE STABILIZZANO LA STRUTTURA
L’RNA NON PUO’ MAI ASSUMERE LA CONFORMAZIONE B PERCHE’
L’OSSIDRILE IN 2 DEL RIBOSIO IMPEDISCE STERICAMENTE LA
FORMAZIONE DI QUESTA STRUTTURA
LA STRUTTURA A DOPPIO FILAMENTO FORNISCE UN MODELLO
SEMPLICE ED ELEGANTE PER SPIEGARE LA CAPACITA’ DEL DNA DI
DUPLICARSI.
LA REPLICAZIONE DEL DNA E’ SEMICONSERVATIVA:
DURANTE UN CICLO DI REPLICAZIONE CIASCUNO DEI DUE FILAMENTI
E’ USATO COME STAMPO PER LA SINTESI DI UN NUOVO FILAMENTO
COMPLEMENTARE.
AGENTI DENATURANTI:
1 CALORE
2 pH < 3 >10
I CROMOSOMI SONO FORMATI DA UN’UNICA MOLECOLA DI DNA ALLA
QUALE SONO ASSOCIATE MOLTEPLICI PROTEINE CHE CONCORRONO A
MANTENERNE LA STRUTTURA E A REGOLARE L’ESPRESSIONE GENICA
DIMENSIONI CROMOSOMA:
FAGO T7 40.000 PAIA DI BASI
E. Coli 4.000.000 PAIA DI BASI
MAMMIFERI 80.000.000 PAIA DI BASI
MOLTI BATTERI CONTENGONO PLASMIDI:
PICCOLE MOLECOLE DI DNA CIRCOLARE CHE CONTENGONO ALCUNE
MIGLIAIA DI PAIA DI BASI.
CONFERISCONO RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI
EPISOMI: SI INTEGRANO NEL CROMOSOMA BATTERICO.
PLASMIDI NON TRASFERIBILI: NON SI INTEGRANO NEL CROMOSOMA
BATTERICO.
PLASMIDI A CONTROLLO RILASSATO: 10-100 PER BATTERIO
PLASMIDI A CONTROLLO STRINGENTE: 1-2 PER BATTERIO
I PLASMIDI SONO FACILMENTE PURIFICABILI E IN PRESENZA DI Ca++ I
BATTERI CAPTANO I PLASMIDI
IL DNA CIRCOLARE RILASSATO PUO’ FORMARE UNA MOLECOLA A
SUPERAVVOLGIMENTO NEGATIVO
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