STRUTTURA E FUNZIONE DELLE MOLECOLE BIOLOGICHE: DNA, RNA, PROTEINE

1. STRUTTURA E FUNZIONE DELLE MOLECOLE BIOLOGICHE: DNA, RNA, PROTEINE

2. Information Only Goes One Way The central dogma states that once “information” has passed into protein it cannot get out again. The transfer of information from nucleic acid to nucleic acid, or from nucleic acid to protein, may be possible, but transfer from protein to protein, or from protein to nucleic acid, is impossible. Information means here the precise determination of sequence, either of bases in the nucleic acid or of amino acid residues in the protein. Francis Crick, 1958

3. DNA Transcription Ribosome mRNA Translation Polypeptide (protein) Il Dogma Centrale della Biologia Cell

4. Il materiale genetico negli eucarioti è suddiviso in più molecole che costituiscono i cromosomi. Molti eucarioti hanno due copie di ciascun cromosoma presente nel nucleo, e per questo il loro assetto cromosomico viene detto DIPLOIDE. Il corredo diploide si forma in seguito alla fusione di due gameti, uno di origine paterna e l’altro di origine materna, questa fusione produce uno zigote che va incontro a sviluppo embrionale. Nei gameti prodotti mediante una particolare divisione cellulare (meiosi) troviamo soltanto una copia di ciascun cromosoma e questo assetto viene definito APLOIDE.

5. Il nostro genoma è costituito da circa 3 miliardi di paia di basi in fila l’uno dietro l’altra e che costituiscono un filamento lungo 1,8m. Questi cromosomi si trovano dentro il nucleo che ha un diametro di 6 mm.

6. Per stare in queste ridotte dimensione il DNA utilizza delle strutture proteiche attorno alla quale si compatta (istoni e proteine non istoni). I nucleosomi sono formati da un ottamero di istoni e su ognuno di essi si avvolge un filamento di DNA contenete 200bp. Essi poi si condensano ulteriormente in nucleofilamenti che si associano in anse su una struttura polisaccaridica detta Scaffold.

7. OH Phosphate NH2 P HO O Base O N N N N CH2 O Sugar H OH OH Nucleotide

9. I diversi nucleotidi sono uniti da un legame covalente tra il gruppo fosfato attaccato all’atomo di C in 5’ ed il C in 3’ del nucleotide successivo. Questo legame viene detto Fosfodiesterico . La struttura ripetuta zucch.-fosf.-zucch.-fosf. costituisce l’ossatura del DNA ed è molto stabile. Le due estremità del filamento non sono uguali: Il polinucleotide avrà ad un’estremità un C 5’ con un gruppo fosfato ed un’altra estremità un C 3’ con un gruppo OH.

10. La molecola di DNA consiste di due catene polinucleotidiche unite mediante le basi azotate e avvolte l’una sull’altra a formare una doppia elica destorsa. Le due catene sono antiparallele cioe’ i due filamenti sono orientati i direzione opposta: uno orientato in 5’-3’ e l’altro in 3’-5’. Gli scheletri di zucchero fosfato si trovano all’esterno della doppia elica, mentre le basi sono orientate verso l’asse centrale.

11. NH2 Thymine (DNA) Uracil (RNA) CH3 Adenine N N N N N N NH N N NH N O N O O O NH O O N N O NH2 NH2 Guanine Cytosine NH2 N N Due famiglie di Basi Purine Pirimidine

12. Cytosine O N N N N O N Guanine H H O N H N N N H H Basi complementariGuanina e Citosina

13. H H + N Adenine - - Uracil N N N O O N N + N N H Basi complementariAdenina e Uracile

14. + H H + N - Adenine - - Cytosine N N N N O N O H H N N N Basi non complementariAdenina e Citosina

16. Duplicazione

17. All’estremità crescente della catena, la DNA Polimerasi catlizza la formazione di un legame fosfodiesterico fra il gruppo 3’-OH del desossiribosio dell’ultimo nucleotide ed il fosfato in 5’del desossiribonucleotide trifosfato precursore. La formazione del legame provoca la liberazione di due dei tre fosfati dal dNTP. La direzione della DNA Polimerasi è 5’ 3’. Si genera un errore con una frequenza di 10-6. Con il meccanismo di correzione delle bozze l’errore è ridotto a 10-9.

18. Filmato legame

19. Denaturazione e svolgimento dell’elica (elicasi) Stabilizzazione del DNA Formazione del Primosoma (primasi\elicasi) Sintesi

20. Filmato duplicazione

21. TRASCRIZIONE

22. RNA acido ribonucleico

23. Il genoma di un organismo consiste di sequenze di coppie di basi distribuite sui cromosomi, il cui numero dipende dalla specie. Le sequenze di coppie di basi specifiche che vengono trascritte prendono il nome di geni, per cui il processo di trascrizione viene anche indicato come espressione genica. La trascrizione si realizza mediante un processo biochimico catalizzato da un enzima chiamato RNA Polimerasi che a differenza della DNA Polimerasi può iniziare da sola la sintesi di nuove catene. L’RNA Polimerasi ha sempre la stessa direzione 5’ 3’.

27. La trascrizione produce 3 differenti classi di molecole di RNA mRNAvengono tradotti in polipeptidi rRNAla traduzione avviene sui ribosomi (organelli cellulari) formati da proteine e rRNA tRNAsvolgono la funzione di portare gli amminoacidi sui ribosomi

28. 5’ 3’ 3’ 5’ RNA Pol. Ribosome mRNA Ribosome 5’ Trascrizione e Traduzione nei Procarioti

29. Un gene strutturale procariotico può essere suddiviso in 3 porzioni: Una sequenza adiacente al punto di inizio di trascrizione chiamato promotore,con la quale interagisce l’RNA Polimerasi. Sequenza codificante. Sequenza adiacente alla fine di un gene dove termina la trascrizione, terminatore.

30. Il promotore di un gene eucariotico è organizzato in una serie di elementi promotori, o moduli promotori. Partendo da quello più vicino al sito d’inizio di trascrizione, gli elementi promotori sono il TATA box,il CAAT box e il GC box. Gli elementi sono chiamati così per le sequenze generali di basi di DNA che contengono. Gli elementi promotori sono fondamentali per la regolazione dell’espressione genica.

31. L’RNA polimerasi non è capace di riconoscere da sola il proprio promotore. E’ necessaria la presenza di proteine specifiche, chiamate fattori generali di trascrizione che permettono l’inizio della trascrizione. Nei geni che codificano per le proteine alcuni fattori trascrizionali si legano a sequenze specifiche del promotore, mentre altri sembra che si leghino direttamnete all’RNA polimerasi quando questa inizia la trascrizione.

32. Un gene che codifica per una proteina può possedere un grande assortimento di sequenze di DNA coinvolte nella regolazione della trascrizione. Queste sequenze vengono definite elementi di regolazione e possono essere localizzate sia a monte sia a valle del punto d’inizio della trascrizione dell’RNA. Questi elementi regolatori possono legare dei fattori trascrizionali specifici,cioè proteine coinvolte nell’attivazione o nella repressione della trascrizione di un gene. Gli elementi regolatori in posizione più distale sono chiamati enhancers e sono necessari per ottenere il massimo grado di trascrizione per un dato gene.

33. Esistono degli elementi, chiamati silencer, che hanno caratteristiche simili agli enhancer, ma che reprimono la trasrizione anziché attivarla.

34. I trascritti primari dei geni che specificano gli RNA sono generalmente delle molecole di RNA precursore o pre-RNA. Terminata la trascrizione, per ottenere degli RNA funzionali, le molecole di pre-RNAdevono essere modificate. Possiamo individuare due tipi di modificazioni principali: Modificazioni chimiche,nelle quali vengono modificate le basi (sia negli eucarioti che nei procarioti). Processamento dell’RNA, per il quale sequenze presenti nel pre-RNA sono eliminate in modo specifico e preciso (solo eucarioti).

35. Cytoplasm Nuclear pores AAAAAA AAAAAA DNA Transcription RNA RNA Processing G G mRNA Export Nucleus Trascrizione negli Eucariotici

36. L’estrmità 5’ è modificata dall’aggiunta di un cappuccio in seguito ad un processo chiamato 5’ CAPPING,questo comporta l’aggiunta di una guanina (7-metilguanosina) al nucleotide terminale in 5’, mediante un insolito legame 5’-5’, in contrapposizione al consueto legame 5’-3’.Il CAP serve per il corretto attacco al ribosoma. All’estremità 3’ viene aggiunta una sequenza di 50-250 A importante per la stabilità dell’m-RNA.

37. Generalmente l’introne inizia con GU al 5’ e finisce con AG al 3’. Viene effettuato un taglio alla giunzine in 5’. L’estremita’ 5’ libera dell’introne si piega su se stessa formando un occhiello e si unisce ad una A, che fa parte di una sequenza chiamata sequenza del punto di Ramificazione. Taglio al sito di giunzione 3’ di splicing e ligazione delle due sequenze codificanti. Il processamento avviene in complessi specifici Spliceosoma costitutite da molecole ribonucleoproteiche.

38. Filmato splicing

39. Filmato trascrizione

40. Il linguaggio nucleotidico La sequenza di nucleotidi dell’mRNA viene letta per gruppi di 3 nucleotidi. Le parole nel linguaggio nucleotidico sono costituite da 3 lettere che corrispondono a 3 basi. Queste parole costituite da 3 basi sono chiamate codoni. Ciò significa che ci sono 43 = 64 uniche parole. Quindi uno stesso amminoacido può essere codificato da diversi codoni (molti codoni sono quindi sinonimi), questo viene chiamato DEGENERAZIONE DEL CODICE.

41. OH NH2 P HO O Adenine N N O N N CH2 O B A S E S H O O Guanine P HO O N NH O SUGAR-PHOSPHATE BACKBONE N NH2 N CH2 O Arginine H O NH2 Adenine P HO O N N O N N CH2 O OH H Codoni

42. Perchè non usare codoni più corti? Se ogni codone fosse solo di 2 basi, ci sarebbero 42 = 16 possibili unici codoni. Questi non basterebbero per codificare i 20 amminoacidi esistenti più i codoni di stop.

43. Il Codice Genetico Neutral Non-polar Polar Basic Acidic S E C O N D B A S E U C A G UUU UUC UUA UUG UCU UCC UCA UCG UAU UAC UAA UAG UGU UGC UGA UGG F I R S T B A S E U U C A G T H I R D B A S E Phe Tyr Cys Ser Stop Leu Stop Trp CUU CUC CUA CUG CCU CCC CCA CCG CAU CAC CAA CAG CGU CGC CGA CGG C U C A G His Leu Pro Arg Gln† AUU AUC AUA AUG ACU ACC ACA ACG AAU AAC AAA AAG AGU AGC AGA AGG U C A G A Asn† Ser Ile Thr Lys Arg †Have amine groups Met/ start GUU GUC GUA GUG GCU GCC GCA GCG GAU GAC GAA GAG GGU GGC GGA GGG U C A G G Asp Val Ala Gly* *Listed as non-polar by some texts Glu

44. Ogni sequenza si presta ad essere tradotta in tre griglie di lettura differenti, a seconda del punto in cui inizio il processo di decodificazione sulla molecola. In tutti i casi sarà soltanto una delle 3 griglie a dar vita ad una proteina funzionale. I codoni dell’mRNA non riconoscono direttamente gli amminoacidi, esistono delle molecole adattatrici.

45. Methionine A C C 73 1 72 2 71 3 70 4 69 5 68 6 67 59 7 66 Py A* U* 65 64 63 62 C 16 Pu 17 9 A Pu 17:1 13 12 Py 10 49 50 51 52 G C T y G* Py 22 23 Pu 25 47:16 G A 26 47:15 20 20:2 20:1 27 1 43 44 28 42 45 46 29 41 47 30 40 47:1 31 39 Py* 38 U Pu* U 34 36 C 35 A Anticodon Assumono una conformazione secondo il modello a trifoglio Le differenze nelle sequenze nucleotidiche determinano la capacità di legare un amminoacido specifico L’ansa II contiene la sequenza di 3 nucleotidi detta ANTICODONEche si appaia, durante la traduzione al codone dell’mRNA Questo appaiamento è fondamentale per l’inserimento dell’amminoacido corretto,come specificato dalla m-RNA, nella catena polipeptidica in crescita. tRNA

46. TRADUZIONE La sintesi proteica ha luogo sui ribosomi, dove il messaggio genetico codificato sotto forma di mRNA viene tradotto nella stessa direzione Il polipeptide è sintetizzato a partire dall’estremità N all’ C. 5’ 3’

47. fMet P A Large subunit E UAC 5’ GAG...CU-AUG--UUC--CUU--AGU--GGU--AGA--GCU--GUA--UGA-AT GCA...TAAAAAA 3’ mRNA Small subunit Traduzione - Inizio

48. Polypeptide Arg Met Phe Leu Ser Aminoacyl tRNA Gly P A UCU Ribosome E CCA 5’ GAG...CU-AUG--UUC--CUU--AGU--GGU--AGA--GCU--GUA--UGA-AT GCA...TAAAAAA 3’ mRNA Traduzione - Allungamento

49. Polypeptide Met Phe Leu Ser Arg Gly P A Ribosome E CCA UCU 5’ GAG...CU-AUG--UUC--CUU--AGU--GGU--AGA--GCU--GUA--UGA-AT GCA...TAAAAAA 3’ mRNA Traduzione - Allungamento Aminoacyl tRNA

50. H O AMINE ACID Alanine Serine H N C OH H H O O C H N C OH H N C OH R H ANYTHING C C H H Amino Acid H H C C H H HO H H2O H H O O H N C N C OH C C H H H H C C H H HO H Sintesi Proteica