Acidi nucleici - 3
presentazione del prof. Ciro Formica
Struttura dei nucleotidi; Le basi azotate; Il criterio di
complementarietà delle basi azotate; L'antiparallelismo delle due
catene polinucleotidiche di una molecola di DNA.
Il modello a doppia elica di Watson e Crick: correlare la sua
struttura con le sue funzioni. Le caratteristiche degli Acidi nucleici.
L’organizzazione del DNA nella cellula eucariote. Gli istoni
Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it,
wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org
I legami chimici nella doppia elica del DNA
2
Basi azotate: purine e pirimidine
PURINE: 2 anelli eterociclici
Numerazione della base azotata:
nelle purine (2 anelli) in senso
antiorario da 1 a 9
PIRIMIDINE: 1 anello eterociclic
Numerazione della base azotata: nelle
pirimidine in senso antiorario da 1 a 6 nel
3
singolo anello
Purine: ADENINA, GUANINA
ADENINA
In posizione 6: NH2
GUANINA
In posizione 2: NH2
In posizione 6: C=O
4
Pirimidine: CITOSINA, TIMINA, URACILE
TIMINA
In posizione 1: CH3
In posizione 4 e 6: C=O
CITOSINA
In posizione 6: NH2
In posizione 4: C=O
URACILE
In posizione 4 e 6: C=O
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I NUCLEOSIDI
Composti organici formati da una base purinica
o pirimidinica e un pentoso (ribosio o
desossiribosio), uniti con legame N-glicosidico. I
nucleosidi vengono prodotti per idrolisi parziale
dei nucleotidi. I principali nucleosidi sono
l'adenosina, la guanosina, la citidina, l'uridina,
la timidina e l'inosina.
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Esempio di nucleoside
ADENOSINA: ADENINA
GUANOSINA: GUANINA
CITIDINA: CITOSINA
TIMIDINA: TIMINA
Quando al posto del RIBOSIO
c’è il DEOSSIRIBOSIO, il
nome è preceduto da deossi:
DEOSSIADENOSINA
DEOSSIGUANOSINA
DEOSSICITIDINA
DEOSSITIMIDINA
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I NUCLEOTIDI
Esteri fosforici di un nucleoside formati dalla
funzione alcolica –OH di un pentoso (ribosio o
deossiribosio) esterificata con una o più molecole di
acido fosforico + legame N-glicosidico con una base
azotata (purina o pirimidina).
Il termine “estere” viene in genere usato per
indicare gli esterialcol+acidi organici, ma si
estende anche agli esterialcol+ acidi inorganici
Esempi
Acido+
Base forte  Sale
Acido
organico+
alcol
Acido
inorganico+ alcol
 Estere
organico
 Estere
inorganico
CH3-COOH + NaOH
Prodotto finale
CH3-COO-Na
Acetato di sodio
CH3-COOH + CH3CH2-OH
CH3-COO-CH2CH3
Acetato di
etile
Acido fosforico + etanolo
Fostato di etile
Viene eliminata una molecola di H2O come nelle condensazioni
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Zuccheri: ribosio e deossiribosio
Numerazione degli zuccheri: in senso orario da 1’ a 5’, I primi 4
carboni sull’anello, il 5 fuori dall’anello.
Nel DEOSSIRIBOSIO manca un atomo di OSSIGENO in posizione 2’
9
Gruppi fosfato
Formula molecolare
Formula molecolare
Formula molecolare
1 H3PO4
3 H3PO4
2 H3PO4
Formula di struttura
OI
HO-P=O
I
OH
Formula di struttura
O- OI
I
HO-P-O-P=O
I
I
OH OH
Formula di struttura
O- O- OI
I
I
HO-P-O-P-O-P=O
I
I
I
OH OH OH
trifosfato
Monofosfato
difosfato
Ciascun gruppo fosfato acquista una carica negativa quando cede un idrogeno;
altri atomi di idrogeno vengono eliminati a causa dei legami dell’ossigeno.
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L’esempio più noto di nucleotide:
l’ATP (adenosintrifosfato)
Il legame tra il
ribosio C5’ e il fosfato
è un processo di
ESTERIFICAZIONE,
che avviene tra un
gruppo acido
(fosfato) e un
ossidrile (del
ribosio), con
eliminazione di una
molecola di H2O.
Il legame tra ribosio
C1’ e base azotata
avviene con l’azoto
11
N9.
La molecola dell’ATP in 3D
L’immagine riproduce la struttura tridimensionale dell’ATP ricavata dai dati contenuti in
Protein Data Bank del NCBI. Sono rispettati i raggi di Van der Waals
Legenda: carbonio – grigio, azoto – blu, fosforo – giallo, ossigeno – rosso [per concessione di
Sung Choe]
Tratto da: Darnell, Lodish et al. “Molecular cell biology - W.H.Freeman and Co cap 2- fig NN
12
Altre basi azotate: caffeina, acido urico, acido orotico
CAFFEINA
In posizione 2 e 6: C=O
ACIDO URICO
In posizione 2, 6 e 8:
C=O
Inoltre: INOSINA e PSEUDOURIDINA basi anomale del tRNA
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Caratteristiche della doppia elica
Le bp (basi appaiate) si trovano su piani perpendicolari all’asse della DE,
che è stabilizzata anche dalle interazioni idrofobiche tra le basi azotate 14
doppia elica e basi complementari
I due filamenti sono antiparalleli perché
decorrono entrambi in direzione 5’3’
Appaiamento delle basi del DNA
Hydrogen bonds
Youtube: Corso citologia-DNA e cromosomi
3’
5’
A=T
GC
http://www.youtube.com/watch?v=el81jTUd
l7s
Phosphate-sugar T = A
backbone
A=
G T
C
hybridized
strands
T=
A C
G
CG
A=T
T
A
C
A=
T =T
A
A
T
G
G
C
denatured C
G
5’
3’
strands
C
G C
G
3
’
5
’
G
C
5
’
3
’
Riassumiamo i dati sul DNA
A
G
C
T
A/T
G/C
A+G/
C+T
%G+
C
Uomo
31,0
19,1
18,4
31,5
0,98
1,04
1,00
37,5
Topo
28,6
21,4
21,7
28,4
1,01
0,99
1,00
43,1
Drosophila
27,3
22,5
22,5
27,6
0,99
1,00
0,99
45,0
Mais
25,6
24,5
24,6
25,3
1,01
1,00
1,00
49,9
E. coli
26,0
24,9
25,2
23,9
1,09
0,99
1,04
50,1
Percentuale di basi azotate nei DNA di varie specie
Dati di
Franklin
Distanza tra 2 eliche
Negli acidi nucleici solo radioattività da 32P
Dati di Pauling
2 nm
In caso di legame
purina-purina
> 2 nm
In caso di legame
pirimidina-pirimidina
< 2 nm
appaiamento
Dati di
Chargaff
i filamenti formano
una spirale , come
per le proteine
A-T (31%)
G-C (19%)
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Riassunto animato del DNA
http://www.dnaftb.org/19/animation.html
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Le 3 forme di DNA eucariote
Parametro
DNA A
DNA B
DNA Z
Bp/giro
11
10
12
Diametro (nm)
2.6
1.9
1.8
Destrorso
Destrorso
Sinistrorso
2,6
3,32
3.7
20°
6°
7°
11
10,5
12
Orientamento elica
Distanza tra le coppie di
basi (nm)
Inclinazione basi rispetto
all'asse della doppia elica
Coppie di basi per giro
bp = base pairs (coppie di basi)
nm = nanometri 10-9 m
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Notare l’andamento sinistrorso
della forma Z, di minore
diametro, rispetto a quello
destrorso di A e B.
La forma B è la più comune tra
gli eucarioti
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Com’è organizzato il DNA nella cellula
eucariote: il nucleosoma e gli istoni
Oltre l’80% di DNA nelle cellule eucariotiche è
organizzato sotto forma di nucleosomi ripetuti ognuno
dei quali consiste di 200 bp di DNA associate ad un
ottametro definito “core” istonico (H2A, H2B, H3, H4)
ed un istone “linker” H1.
L’ottamero è organizzato in:
tetramero H32-H42 posto al centro del NUCLEOSOMA
+ 2 eterodimeri H2A, H2B attorno al tetramero.
Gli istoni hanno p.m. 11-16 kD, H3 e H4 sono molto
conservati dall’evoluzione.
Il DNA è organizzato intorno agli istoni con superelica
sinistrorsa, 1,65 giri e 10-11 bp.
21
Nucleosoma e istoni
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A livello molecolare le interazioni del
DNA con le proteine istoniche sono
dovute a vari tipi di legami:
- legami idrogeno che si instaurano
tra gruppi fosfato del DNA e i residui
amminici degli istoni,
- interazioni elettrostatiche con la
catena basica laterale.
Linker H1-caratteristiche:
Si trova negli eucarioti superiori
stabilizza strutture cromatiniche
superiori mediante neutralizzazione
delle cariche elettrostatiche del DNA
di unione, attraverso il suo dominio
C-terminale molto ricco di residui
amminoacidici carichi positivamente.
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Dalla doppia elica al cromosoma
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Dalla doppia elica al cromosoma
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RNA e trascrizione
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RNA e trascrizione
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Il nuovo mondo degli RNA
RNA non è solo:
mRNA – veicola le informazioni dal DNA ai ribosomi per la biosintesi proteica
tRNA – trasporta gli amminoacidi ai ribosomi
rRNA – componente strutturale e funzionale basilare del ribosoma
ma anche:
Spliceosomal RNAs – parte del macchinario che stacca l’RNA non-codificante
(introni)
Small nucleolar RNAs (snoRNAs) –modifica l’rRNA del nucleolo.
MicroRNAs (miRNAs) – brevi (21 nucleotidi) RNA che inibiscono la traduzione dei
mRNA : sono oltre 250 e regolano più di 10.000 geni
Small interfering RNAs (siRNAs) – simili ai precedenti ma innescano la distruzione
dei mRNAs.
Inoltre esistono degli mRNA non codificanti:
da pseudogeni, 20.000 geni non più funzionanti che accumulano mutazioni
antisenso, 9%: prodotti durante la trascrizione in senso opposto a quello normale
RNA implicati nell’inattivazione genica di uno dei 2 cromosomi sessuali della
femmina XX
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