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