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Struttura chimica e fisica degli acidi nucleici - Coggle Diagram
Struttura chimica e fisica degli acidi nucleici
PANORAMICA E FUNZIONI
La funzione del DNA è quella di conservare e trasmettere l’informazione genetica (istruzione per la sintesi proteica organizzate in geni)
Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi costituiti da uno zucchero pentoso, una base azotata, un gruppo fosfato (quest’ultimo invariato tra DNA e RNA).
Il flusso dell’informazione si divide in tre fasi principali: TRASCRIZIONE, dove vi è una copiatura del DNA in mRNA per il trasporto di informazioni al di furoi del nucleo. TRADUZIONE, dove l’mRNA viene letto dai ribosomi per la sintesi delle proteine (strutturali\enzimatiche).
REGOLAZIONE GENICA, cioè il controllo spazio-temporale e quantitativo dell’espressione genica (regolazione epigenetica, proteine regolatrici, stabilità dell’mRNA)
Eccezioni direzionali: Trascrittasi inversa (da RNA a DNA) e replicazione RNA RNA (es. virus COVID-19) possibili. Impossibile il passaggio da proteine a RNA.
Componenti chimiche dei nucleotidi
Basi azotate (idrofobiche, disposte all’interno dell’elica): Purine (a doppio anello aromatico): Adenina (A), Guanina (G) sono comuni sia a RNA che al DNA. Pirimidine (singolo anello aromatico): Citosina in DNA\RNA, Timina nel DNA e Uracile nell’RNA. La differenza tra Timina e Uracile sta nel gruppo metilico presente nella Timina in posizione 5 sull’anello pirimidinico. Le basi azotate si accoppiano AT, GC.
Zucchero pentoso (idrofilo, costituisce il “corrimano” esterno assieme al fosfato): nel DNA troviamo il Deossiribosio e presenta un solo gruppo -OH in posizione 3’. Il deossiribosio determina una maggiore stabilità molecolare (scissione dei filamenti a 95-100°C) e permette l’organizzazzione fissa a doppia elica. Nell’RNA troviamo invece il Ribosio, che presenta due gruppi -OH in posizione 2’ e 3’. Il gruppo -OH in posizione 2’ conferisce reattività e instabilità (scissione a 65°C), ma è essenziale per i processi di maturazione dell’RNA. Generalmente è a singolo filamento, ma si può trovare ibridato con il DNA oppure ripiegato su sè stesso a formare strutture tridimensionali
Gruppo fosfato (idrofilo, carico negativamente, rivolto verso l’esterno).
Formazione dei legami e direzionalità
Legame N-glicosidico: Tra C1 dello zucchero e N1 (piirimidine) o N9 (purine) della base azotata con formazione del NUCLEOSIDE
Legame fosfodiesterico: tra zucchero e gruppo fosfato in posizione 5’ formando il NUCLEOTIDE (mono, di o tri-fosfato)
Polimerzzazione (legame tra due nucleotidi): il gruppo fosfato del nucleotide entrante si lega all’ossigeno in 3’ del nucleotide precedente. La reazione è accompagnata dalla scissione\eliminazione di un pirofosfato (2 gruppi fosfato) per fornire energia e di un idrogeno dall’OH in 3’). L’idrogeno eliminato può essere tracciato tramite rilevatori di pH per il sequenziamento del DNA.
Polarità della catena (5’->3’): l’estremità 5’ ha il carbonio 5’ impegnato con gruppi fosfato liberi mentre l’estremità 3’ ha un carbonio 3’ con un gruppo -OH libero. Le reazioni enzimatiche (sintesi, degradazione) sono specifiche per direzione. Convenzionalmente, le sequenze si scrivono in direzione 5’ -> 3’. Alcuni DNA (come quelli dei batteri) hanno una forma circolare ed è privo di estremità libere, quindi la direzionalità e dedotta dal prodotto di trascrizione.
Regola di Chargaff e trasmissione genetica
La percentuale di adenina è uguale alla timina, e la guanina alla citosina. Rapporto A/T e G/C è approssimato a 1
La proporzione totale di A+T rispetto a G+C varia tra le specie ma è costante in individui della stessa specie
Il codice genetico è definito dall’ordine esatto e variabile delle basi, non dalla loro equivalenza quantitativa
Vi possono essere delle anomalie causate da mutazioni geniche che possono essere mantenute o perse per selezione naturale che vanno a variare il rapporto 1:1
Il DNA viene duplicato e trasmesso intatto alle cellule figlie, l’RNA trascritto dipende dall’espressione tessuto specifica
Rapporto geni/trascritti: ESEMPIO UMANO: 24.000 geni producono almeno 85.000 trascritti diversi (circa 3 trascritti per gene)
Struttura fisica: scoperta e parametri
Fu utilizzata la diffrazione dei raggi X su fibre di DNA orientate come metodo di indagine da Wilkins e Franklin.
La prima ipotesi di modello strutturale fu proposta da Pauling nel 52: il DNA ha 3 eliche con lo scheletro zucchero-fosfato rivolto verso l’esterno e le basi azotate esterne. Solo l’anno dopo Watson e crick smentirono il modello proposto da Pauling, attuarono una costruzione per “prova-errore” con modelli fisici. Le basi sono affacciate internamente (e spiegano la regola di Chargaff e il diametro sempre costante) e gli zuccheri-fosfati verso l’esterno
Parametri geometrici: A-T formano 2 legami idrogeno, G-C formano 3 legami idrogeno e le basi sono disposte quasi perpendicolarmente all’asse. Il DNA ha una struttura regolare, doppia elica destrorsa e catene antiparallele. Il passo d’elica si compie ogni 34 angstrom, il diametro è di 20 angstrom e la distanza tra le coppie è di circa 3,4 angstrom (circa 10 coppie per giro, rotazione di 36° a base).
La doppia elica presenta dei solchi, causati dall’asimmetria degli zuccheri (posti sullo stesso lato a causa della polarità opposta). Il solco maggiore espone molti atomi donatori\accettori di legami idrogeno, offre specificità (“linguaggio ricco) per l’interazione con l’alfa-elica delle proteine. Il solco minore è dimensionato dalla distanza fisica tra i gruppi fosfato.
Stabilità e flessibilità della doppia elica.
La doppia elica è flessibile, requisito essenziale per l’impacchettamento cromosomico, la replicazione e la trascizione. Alcuni fattori vanno a destabilizzare la doppia elica (fattori di REPULSIONE): gli scheletri zucchero-fosfato carichi negativamente che tengono a respingersi tra loro
Vi sono poi delle forze che invece stabilizzano la doppia elica: le forze di van der Waals (impilamento\stacking) data dalla sovrapposizione verticale degli anelli aromatici. Vi è una stabilizzazione tramite orbitali pi greco per minimizzare il contatto con l’acqua e dipende dalla sequenza specifica. Abbiamo poi i legami ad idrogeno che si formano tra le basi azotate appaiate (forniscono specificità, ma solo parziale stabilità temrodinamica). Le interazioni idrofobiche prodotte dalla disposizione interna delle basi azotate al riparo dall’ambiente acquoso. Infine abbiamo le interazioni carica-carica generata dalla repulsione dei fosfati schermata da interazioni con cationi (ioni Mg+) e proteine ricche di aminoacidi basici (Lys Arg)
Un DNA ricco di G-C è fisicamente più stabile a un DNA ricco di A-T per il maggior numero di legami idrogeno ed effetti di stacking