Biologia applicata (BIO13) Docente: Prof.ssa Cecilia Garrè a.a. 2007/08 Percorso Formativo Speciale CL EDUCATORE PROFESS

1. Biologia applicata (BIO13) Docente: Prof.ssa Cecilia Garrè a.a. 2007/08 Percorso Formativo Speciale CL EDUCATORE PROFESSIONALE Facoltà di Medicina e Chirurgia

2. Dal DNA AI CROMOSOMI

3. CARATTERISTICHE DEL MATERIALE GENETICO 1) Dare informazioni fenotipo Indicazione precisa proteine (sequenza di aminoacidi) 2) Essere trasmesso Deve potersi duplicare senza errori per molte generazioni, per mantenere costanti le caratteristiche (fenotipo) di quella cellula e/o di quella specie 3) Essere un materiale chimico stabile Il DNA è una molecola che vive a lungo. Viene trasmessa fedelmente per milioni di generazioni mantenendo così le informazioni in modo utile. 4) Evolversi Deve avere la capacità di cambiare (mutazioni) e di mantenere stabilmente questi cambiamenti. Questa capacità spiega la diversità tra le specie e l’evoluzione delle varie specie nel tempo. GENOTIPO FENOTIPO (DNA) (proteine)

4. COMPOSIZIONE CHIMICA DEL DNA Il DNA è un polimero di NUCLEOTIDI 1 nucleotide è costituito da: -ZUCCHERO a 5 atomi di carbonio: 2-desossiRIBOSIO -GRUPPO FOSFATO: Acido fosforico (H3PO4) -BASE AZOTATA: Adenina, Guanina, Citosina, Timina (purine) (pirimidine) 2-desossiRibosio è uno zucchero a cinque atomi di carbonio (Riboso) che manca un gruppo ossidrile (-OH) in posizione 2. Lo zucchero è in forma chiusa tra il C1 e il C4, pertanto il C5 rimane fuori dall’anello. Al C1 è legata una delle 4 basi mentre al C5 è legato H3PO4 Desossiribosio Ribosio

5. 4 tipi di nucleotidi: Adenina monofosfato (AMP) Timina monofosfato (TMP) Guanina monofosfato (GMP) Citosina monofosfato (CMP)

6. Struttura del DNA 2 nucleotidi si legano tra loro tramite l’H3PO4 che fa da ponte tra la posizione C3 dello zucchero di un nucleotide e la posizione C5 dello zucchero del nucleotide successivo. Una lunga catena di nucleotidi sarà per esempio: 5’- - - 3’ cioè il 1° nucleotide avrà l’ H3PO4 libero in C5 e l’ultimo nucleotide avrà l’ossidrile (-OH) libero in C3 2 filamenti di DNA antiparalleli* si avvolgono ad alfa elica destrorsa (ricorda una scala a chiocciola) -Lo scheletro è costituito dal 2-desossiribosio e dagli H3PO4. -Le basi giacciono all’interno (scalini della scala a chiocciola)

7. L’alfa elica ha un diametro di 20 A° (1A°=10 –8 cm/ 1 nm=10 A°). Ci sono 10 paia di basi ogni 34 A° quindi tra 2 paia di basi (1 scalino) ci sono 3,4 A°. Le basi non sono perpendicolari all’asse dell’alfa elica, l’elica è quindi destrorsa. L’alfa elica all’esterno presenta un alternarsi di un solco grande (punto di accesso per le proteine verso le basi) ed un solco piccolo 20 A° 10 A° 20 A° Le basi di un filamento sono legate a quelle dell'altro filamento con legami ad idrogeno (H) secondo la legge della Complementarietà: A=T e CG. -Il legame ad H è un legame debole, ma altamente direzionale. -I legami ad H tra le basi sono responsabili della formazione dell’alfa elica.

8. REPLICAZIONE DEL DNA IL DNA per essere trasmesso deve duplicarsi. Ogni cellula madre che si divide deve dare l’intero patrimonio genetico alle due cellule figlie. Quindi, prima della divisione cellulare il DNA si duplica in modo che ogni cellula figlia riceva: -1 filamento preesistente (della cellula madre) -1 filamento di nuova sintesi La duplicazione del DNA è semiconservativa -Essendo il legame ad idrogeno un legame debole l’elica è facilmente apribile, per replicarsi i due filamenti si separano e ciascuno fa da stampo per il filamento di nuova sintesi.

9. -I nuovi filamenti di DNA vengono sintetizzati copiando i filamenti preesistenti (filamenti di stampo) secondo la legge della complementarietà: 3’ATCCCGGAA5’ (stampo) 5’TAGGGCCTT3’ (filamento neo-sintetizzato) -L’allungamento avviene sempre in direzione 5’ - 3’ -L’enzima DNA-POLIMERASI lega, all’-OH del C3 dello zucchero dell’ultimo nucleotide, l’acido fosforico legato al C5 del successivo nucleotide (legame fosfodiesterico) -La DNA-polimerasi utilizza nucleotidi trifosfati (ATP, CTP, GTP, TTP) per ricavare dalla scissione dei 2P l’energia necessaria a formare il legame fosfodiesterico.

10. -La sintesi richiede l’apertura di una forcella di replicazione, ma poiché i due filamenti sono antiparalleli, la direzione di allungamento sarà: -sul filamento GUIDA continua e procederà nella direzione di apertura della forcella di replicazione -sul filamento LENTO avverrà a tratti discontinui (Frammenti di Okazachi)e procederà in direzione opposta all’apertura della forcella di replicazione -La DNA-polimerasi non è in grado di iniziare la sintesi ex-novo, ma può solo aggiungere nucleotidi ad un innesco già preparato. L’innesco (primer) è costituito da un frammento di RNA prodotto da una RNA-polimerasi detta PRIMASI. -Il complesso di inizio (PRIMOSOMA) comprende, oltre alla primasi: -l’ELICASI che si incunea fra i due filamenti stampo e apre la forcella di replicazione -le proteine SSB capaci di legare i singoli filamenti di stampo e tenerli distesi -le TOPOISOMERASI capaci di svolgere i superavvolgimenti positivi che si formano a valle della forcella di replicazione; tagliano il DNA a valle della forcella e consentono una rotazione del filamento che viene poi rinsaldato eliminando il superavvolgimento. SSB

11. -Una volta che il DNA è stato duplicato i primer (RNA) vengono rimossi dalla attività di taglio di una DNA-polimerasi capace anche di riempire i tratti rimasti vuoti con DNA -I frammenti discontinui vengono saldati dall’enzima LIGASI

12. Esiste uno stretto coordinamento tra la sintesi del filamento guida e del filamento lento. Il filamento lento si avvolge intorno a un braccio della polimersai invertendo così la direzione fisica (non biochimica) di sintesi della nuova catena. I nucleotidi vengono aggiunti contemporaneamente al filamento guida e lento poiché le 2 polimerasi adesso, tenendosi in contatto, lavorano insieme come parte di un singolo complesso anche se si spostano verso l’estremità opposte dei loro rispettivi stampi. Procarioti: la DNA pol. III è un dimero asimmetrico con 2 siti catalitici per l’addizione di nucleotidi Eucarioti: modello simile, ma polimerasi a e d agiscono come i bracci simmetrici della DNA pol. III dei procarioti

13. PROCARIOTI -1 origine -1 sola bolla di replicazione -bidirezionale: 2 forche replicative

14. EUCARIOTI -La replicazione in eucarioti avviene a partire da molte origini lungo il cromosoma -Le bolle di replicazione si aprono in tempi successivi: Replicazione ASINCRONA

15. DIFFERENZE NELLA REPLICAZIONE TRA PROCARIOTI ED EUCARIOTI PROCARIOTI EUCARIOTI  Non hanno nucleo Hanno il nucleo Il DNA è circolare Il DNA è lineare Enzima principale della replicazione: DNA-polimerasi III DNA-polimerasi alfa e delta 1 sola bolla di replicazione Molte bolle di replicazione

16. TELOMERI TELOMERASI Problema: replicazione terminale del filamento lento Manca l’estremità 3’OH utilizzabile per colmare la lacuna lasciata dalla rimozione dell’innesco. Rischio catena sempre più corta ad ogni evento replicativo Struttura delle sequenze telomeri: sequenze ripetute ricche in G e C nel filamento con estremità 3’ Risoluzione:Polimerasi specializzata in grado di aggiungere alle estremità cromosomiche blocchi ripetuti della sequenza telomerica -Contengono molecole RNA con sequenze complementari alle ripetizioni telomeriche della propria specie -sequenze ripetute del telomero copiate dall’RNA nell’enzima -aggiunge le ripetizioni alla fine del filamento stampo -DNA polimerasi può riempire la lacuna lasciata dalla rimozione dell’innesco terminale.