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Il DNA:
struttura, funzione
e replicazione
Autore: Chris Sorrentino
Cosa significa la parola “DNA”?
(ACIDO DEOSSIRIBONUCLEICO)
D.N.A. è un acronimo inglese, e sta per
DeoxyriboNucleic Acid
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Cosa sono gli acidi nucleici?
Gli acidi nucleici sono macromolecole polimeriche, formate da monomeri
chiamati nucleotidi. ...
Un nucleotide di un acido nucleico è
formato da una molecola di zucchero
legata ad un gruppo fosfato e ad una
base azotata...
LO ZUCCHERO
 E’ sempre un pentoso (cioè a 5 atomi di Carbonio,
numerati da 1 a 5 in senso orario)
 La differenza tra lo ...
• Sono composti eterociclici azotati, ossia
molecole cicliche contenenti sia carbonio che
azoto
• Si legano al C-1 del deo...
Il nucleoside
(2’)
(4’)
(5’)
Già a partire dal
nucleoside, gli atomi
di carbonio dello
zucchero sono indicati
con i numeri...
IL GRUPPO FOSFATO
• E’ la parte del nucleotide che possiede proprietà
acide, da cui Acido DeossiriboNucleico
• Si lega al ...
I 4 possibili nucleotidi del DNA
La struttura polimerica si realizza mediante legami fosfodiestere
tra nucleotidi successivi. Un fosfato funge da ponte tra...
La reazione avviene per
un attacco nucleofilo
da parte del gruppo
ossidrile 3„ del
nucleotide all‟atomo di
fosforo  di un...
Nel singolo polinucleotide
troviamo quindi un “asse”, lo
“scheletro” di zucchero-
fosfato, da cui sporgono le
basi azotate...
La molecola di DNA
(acido deossiribonucleico)
La molecola di DNA è formata da due
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I due filamenti polinucleotidici sono uniti
attraverso ponti ad idrogeno che si
formano tra le coppie di basi delle due
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Le coppie purina-purina sono troppo larghe
e quelle pirimidina-pirimidina troppo strette
per riempire esattamente lo spazi...
…La regola di complementarietà
Nota una certa sequenza di basi di un
filamento, è possibile determinare
esattamente la seq...
Associazione
idrofobica tra
le coppie di basi
All’interno della
molecola le basi
apolari, si
impaccano così
fortemente in ...
La doppia elica è asimmetrica rispetto all’asse
Solco maggiore
Solco minore
Le diverse dimensioni delle
basi fanno sì che ...
A-DNA B-DNA Z-DNA
Avvolgimento destrorso Avvolgimento sinistrorso
B-DNA: è la forma più diffusa
tra gli organismi, si evid...
Dove si trova il DNA?
…in un nucleo ben definito, delimitato
da doppia membrana, negli eucarioti
…in una regione del citop...
DNA di Escherichia coli
BATTERIO
DNA
(groviglio
filamentoso
esterno)
Nei batteri è presente una sola molecola di DNA, che ...
Il DNA batterico viene “superavvolto” dal cosiddetto
apparato degli enzimi topoisomerasi, che viene così
compattato median...
Negli eucarioti invece le molecole di DNA sono generalmente più
lunghe e più di una. Tutto il DNA contenuto
nel nucleo di ...
Con gli istoni il DNA forma strutture
caratteristiche dette
Un nucleosoma è
un insieme di 8
proteine
istoniche
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Nelle cellule sono presenti 5 tipi di istoni
divisi in 2 gruppi:
Istoni nucleosomici
H2A, H2B, H3, H4
Istoni H1
Responsabi...
I tratti di DNA che collegano due
nucleosomi sono detti DNA di connessione
I Nucleosomi vengono
impacchettati dall’istone
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Avvicinati tra loro
dall’istone H1, i
nucleosomi si
avvolgono lungo una
spirale a forma di
solenoide
Nel DNA esistono anch...
doppia
elica :
stadio più
sciolto
la struttura a
filo di perle in
cui il DNA si
avvolge attorno
all’ottamero
istonico
stru...
Il numero di cromosomi presente in una cellula è
detto cariotipo
Cariotipo dell’uomo: 22 coppie di
Autosomi + una coppia d...
IL DNA È IN GRADO DI REPLICARE SE STESSO
A cosa serve il DNA?
•Il DNA contiene tutta l’informazione concernente
struttura,...
Il ciclo di divisione cellulare
L’informazione genetica si replica durante la fase S.
Se l’informazione si replicasse senz...
LA REPLICAZIONE È:
1. semiconservativa
2. bidirezionale
3. semidiscontinua
Secondo il modello semiconservativo, la
replicazione comporta le seguenti fasi:
1. Svolgimento progressivo delle
due caten...
La replicazione è semiconservativa
la replicazione è
semiconservativa perché
ciascuna nuova molecola di
DNA contiene un
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La replicazione del DNA
inizia presso una specifica
sequenza di nucleotidi
detta punto di origine
della replicazione, che
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La replicazione del DNA nei
Procarioti ha un unico sito di
origine della replicazione
Procarioti
Eucarioti
La replicazione...
•DNA ELICASI SI LEGAAL DNA
•SEPARA LA DOPPIA ELICA
•IL MOVIMENTO DELL’ELICASI
RICHIEDE IDROLISI DI ATP
La molecola di DNA-
polimerasi riconosce i
nucleotidi sul filamento
parentale del DNA e sceglie
quelli da aggiungere di vo...
La DNA-polimerasi è in grado di sintetizzare il nuovo
filamento solo nella direzione 5’-3’ in quanto richiede un
terminale...
A partire da ogni forca di replicazione, la sintesi dei
nuovi filamenti di DNA avviene in entrambe le direzioni
La replica...
Mentre un filamento di DNA è duplicato con continuità, lo stesso non
vale per il suo complementare. Si è visto che in ques...
SSB
Primasi
5‟-3‟
DNA Ligasi
DIREZIONE DI SINTESI: 5‟ 3‟
Un‟elica viene replicata in maniera continua
L‟altra in maniera d...
Perché nel DNA c‟è la timina e non l‟uracile?
Le basi vengono modificate da
reazioni che avvengono sia in
condizioni fisio...
Il DNA invecchia?
Man mano che la cellula
invecchia, avvengono
continuamente
mutazioni a carico del
DNA, a cui il corpo
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Le mutazioni possono
verificarsi
spontaneamente per
errori nei processi di
recplicazione del
DNA o per l’azione
dei cosidd...
Nel processo di
invecchiamento non è
coinvolto solo il DNA
nucleare, ma anche
quello dei mitocondri!!
Anche il DNA mitocon...
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Il DNA: struttura, funzione e replicazione

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Una lezione dettagliata sulla struttura, funzione e meccanismo di replicazione della più importante molecola biologica

(La presentazione contiene immagini reperite sul web, utilizzate per fini puramente didattici; qualora fossero stati infranti copyright, si prega di segnalarlo all'autore, grazie)

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Il DNA: struttura, funzione e replicazione

  1. 1. Il DNA: struttura, funzione e replicazione Autore: Chris Sorrentino
  2. 2. Cosa significa la parola “DNA”? (ACIDO DEOSSIRIBONUCLEICO) D.N.A. è un acronimo inglese, e sta per DeoxyriboNucleic Acid Letteralmente… Acido nucleico contenente deossiribosio
  3. 3. Cosa sono gli acidi nucleici? Gli acidi nucleici sono macromolecole polimeriche, formate da monomeri chiamati nucleotidi. Furono isolati per la prima volta da Miescher nel 1860 dal nucleo dei globuli bianchi del sangue (da cui l’aggettivo nucleico). Negli organismi viventi si trovano due tipi di acidi nucleici: DNA RNA
  4. 4. Un nucleotide di un acido nucleico è formato da una molecola di zucchero legata ad un gruppo fosfato e ad una base azotata Com’è fatto un nucleotide?
  5. 5. LO ZUCCHERO  E’ sempre un pentoso (cioè a 5 atomi di Carbonio, numerati da 1 a 5 in senso orario)  La differenza tra lo zucchero del DNA e quello dell’RNA consiste rispettivamente nella presenza/assenza dell’atomo di ossigeno in posizione 2 RIBOSIODEOSSIRIBOSIO Nel DNA Nell’RNA L’atomo di ossigeno in meno nel DNA conferisce a tale molecola una minore reattività chimica ed una maggiore stabilità rispetto all’ RNA Acido DeossiriboNucleico
  6. 6. • Sono composti eterociclici azotati, ossia molecole cicliche contenenti sia carbonio che azoto • Si legano al C-1 del deossiribosio, formando con esso i nucleosidi LE BASI AZOTATE Nel DNA troviamo Attenzione!!! Nell’RNA invece possono essere presenti tutt’e 5 le basi. In genere al posto della timina si trova l’uracile, ma nei tRNA sono presenti entrambe!!!
  7. 7. Il nucleoside (2’) (4’) (5’) Già a partire dal nucleoside, gli atomi di carbonio dello zucchero sono indicati con i numeri 1’, 2’,…, 5’ per distinguerli dagli atomi di carbonio presenti nelle basi azotate
  8. 8. IL GRUPPO FOSFATO • E’ la parte del nucleotide che possiede proprietà acide, da cui Acido DeossiriboNucleico • Si lega al carbonio 5 dello zucchero reagendo con un gruppo alcolico (legame fosfoestere) Gruppo fosfato + Nucleoside Nucleotide
  9. 9. I 4 possibili nucleotidi del DNA
  10. 10. La struttura polimerica si realizza mediante legami fosfodiestere tra nucleotidi successivi. Un fosfato funge da ponte tra l’ossidrile in 3’ del pentoso di un nucleotide e l’ossidrile in 5’ del pentoso del nucleotide adiacente Come si passa dai singoli nucleotidi al polimero?
  11. 11. La reazione avviene per un attacco nucleofilo da parte del gruppo ossidrile 3„ del nucleotide all‟atomo di fosforo  di un nucleoside 5„- trifosfato, causando il rilascio del pirofosfato e la formazione del legame. Tale reazione in vivo è catalizzata dalla DNA polimerasi Formazione del legame fosfodiestere del DNA Legame fosfodiestere
  12. 12. Nel singolo polinucleotide troviamo quindi un “asse”, lo “scheletro” di zucchero- fosfato, da cui sporgono le basi azotate, disposte col piano della molecola perpendicolarmente ad esso 3’ 5’ Il legame conferisce una direzionalità 5’ 3’ ad ogni filamento
  13. 13. La molecola di DNA (acido deossiribonucleico) La molecola di DNA è formata da due filamenti polinucleotidici, avvolti ad elica e con orientamento anti-paralello, cioè i due filamenti sono orientati in direzioni opposte: uno in direzione 5’-3’, l’altro in direzione 3’-5’
  14. 14. I due filamenti polinucleotidici sono uniti attraverso ponti ad idrogeno che si formano tra le coppie di basi delle due catene la guanina si lega solo alla citosina formando tre ponti ad idrogeno (GΞC) l’adenina si combina con la timina formando due legami ad idrogeno (A=T) COME SONO UNITI I DUE FILAMENTI?
  15. 15. Le coppie purina-purina sono troppo larghe e quelle pirimidina-pirimidina troppo strette per riempire esattamente lo spazio tra i due filamenti In tal modo è mantenuta mediamente costante la distanza tra i due filamenti di DNA Perché questi accoppiamenti di basi? Da ciò discende…
  16. 16. …La regola di complementarietà Nota una certa sequenza di basi di un filamento, è possibile determinare esattamente la sequenza di basi del suo complementare
  17. 17. Associazione idrofobica tra le coppie di basi All’interno della molecola le basi apolari, si impaccano così fortemente in senso ortogonale all’asse dell’elica e parallelamente l’una all’altra sullo stesso filamento in modo da escludere l’acqua e formare un ambiente stabile apolare (core idrofobico) Stabilità della doppia elica BASI Core idrofobico Esterno polare con P 5’ 3’
  18. 18. La doppia elica è asimmetrica rispetto all’asse Solco maggiore Solco minore Le diverse dimensioni delle basi fanno sì che i due filamenti non siano equidistanti dall’asse dell'elica, generando solchi di dimensioni diverse (maggiore e minore)
  19. 19. A-DNA B-DNA Z-DNA Avvolgimento destrorso Avvolgimento sinistrorso B-DNA: è la forma più diffusa tra gli organismi, si evidenziano un solco maggiore ampio e un solco minore stretto A-DNA: è stato riscontrato solo in vitro in condizioni di bassa umidità. si evidenziano un solco maggiore stretto e un solco minore ampio Z-DNA: la distinzione tra solchi non è netta e l‟impalcatura zucchero-fosfato è a zig-zag. Riscontrato in vivo in alcuni casi Mediante analisi della diffrazione a raggi X sono state identificate tre forme strutturali di DNA:
  20. 20. Dove si trova il DNA? …in un nucleo ben definito, delimitato da doppia membrana, negli eucarioti …in una regione del citoplasma chiamata nucleoide, nei procarioti Il DNA è presente in tutti i viventi, e si trova… …Ma è presente anche nei mitocondri e nei plastidi!!!
  21. 21. DNA di Escherichia coli BATTERIO DNA (groviglio filamentoso esterno) Nei batteri è presente una sola molecola di DNA, che distesa misura 1,5 mm, una lunghezza ben superiore ai 2 μm di diametro medio della cellula procariota!!
  22. 22. Il DNA batterico viene “superavvolto” dal cosiddetto apparato degli enzimi topoisomerasi, che viene così compattato mediante numerose torsioni Come si sistema il DNA nella cellula batterica?
  23. 23. Negli eucarioti invece le molecole di DNA sono generalmente più lunghe e più di una. Tutto il DNA contenuto nel nucleo di una cellula qualsiasi del nostro corpo, disteso, sarebbe lungo circa due metri. Il diametro del nucleo è di circa 5 micron!!! Come fa il nucleo della cellula eucariota a contenere tutto il DNA? Grazie ad un’associazione fra DNA e specifiche proteine dette ISTONI!
  24. 24. Con gli istoni il DNA forma strutture caratteristiche dette Un nucleosoma è un insieme di 8 proteine istoniche attorno al quale si avvolge un tratto di DNA.
  25. 25. Nelle cellule sono presenti 5 tipi di istoni divisi in 2 gruppi: Istoni nucleosomici H2A, H2B, H3, H4 Istoni H1 Responsabili del ripiegamento del DNA nei nucleosomi. Intorno ad ogni ottamero di istoni sono avvolte circa 150 paia di basi Responsabili dello stiparsi dei nucleosomi
  26. 26. I tratti di DNA che collegano due nucleosomi sono detti DNA di connessione I Nucleosomi vengono impacchettati dall’istone H1 a formare una FIBRA. L’associazione di DNA ed istoni viene chiamata cromatina
  27. 27. Avvicinati tra loro dall’istone H1, i nucleosomi si avvolgono lungo una spirale a forma di solenoide Nel DNA esistono anche proteine non istoniche che formano lo scaffold, un’impalcatura attarno alla quale la cromatina si avvolge assumendo una struttura ad ANSE
  28. 28. doppia elica : stadio più sciolto la struttura a filo di perle in cui il DNA si avvolge attorno all’ottamero istonico struttura a solenoide in cui gli istoni si trovano ravvicinati l'uno all'altro fase non condensata della cromatina (cromosomi in interfase) fase condensata della cromatina (cromosomi in metafase)
  29. 29. Il numero di cromosomi presente in una cellula è detto cariotipo Cariotipo dell’uomo: 22 coppie di Autosomi + una coppia di eterocromosomi Il numero dei cromosomi solitamente varia al variare della specie UOMO (Homo sapiens) 46 CAVALLO (Equus caballus) 66 CANE (Canis familiaris) 78 TOPO (Mus musculis) 40 RANA (Rana esculenta) 26 DROSOFILA (Drosophila melanogaster) 8 SPECIE Numero di CROMOSOMI
  30. 30. IL DNA È IN GRADO DI REPLICARE SE STESSO A cosa serve il DNA? •Il DNA contiene tutta l’informazione concernente struttura, funzione e sviluppo di un organismo e si serve dell’RNA per dirigere la sintesi delle proteine •Poiché le cellule sono capaci di dividersi tramite mitosi e meiosi, le cellule figlie devono avere lo stesso patrimonio genetico
  31. 31. Il ciclo di divisione cellulare L’informazione genetica si replica durante la fase S. Se l’informazione si replicasse senza essere seguita dalla mitosi, le nostre cellule raddoppierebbero il contenuto di DNA ad ogni replicazione
  32. 32. LA REPLICAZIONE È: 1. semiconservativa 2. bidirezionale 3. semidiscontinua
  33. 33. Secondo il modello semiconservativo, la replicazione comporta le seguenti fasi: 1. Svolgimento progressivo delle due catene polinucleotidiche avvolte a spirale 2. Separazione delle catene per apertura dei ponti idrogeno tra basi complementari appaiate 3. Sintesi, ad opera dell'enzima DNA polimerasi, su ogni catena separata di una catena nuova complementare
  34. 34. La replicazione è semiconservativa la replicazione è semiconservativa perché ciascuna nuova molecola di DNA contiene un filamento intatto del DNA originale (DNA PARENTALE) e un filamento neosintetizzato
  35. 35. La replicazione del DNA inizia presso una specifica sequenza di nucleotidi detta punto di origine della replicazione, che richiede la presenza di particolari enzimi detti elicasi, che “svolgono” la doppia elica rompendo i legami idrogeno Punto di Origine Forcella di replicazione Forcella di replicazione B o l l a d i R e p l i c a z i o n e Dove inizia?
  36. 36. La replicazione del DNA nei Procarioti ha un unico sito di origine della replicazione Procarioti Eucarioti La replicazione del DNA negli Eucarioti ha molti siti di origine Dove inizia?
  37. 37. •DNA ELICASI SI LEGAAL DNA •SEPARA LA DOPPIA ELICA •IL MOVIMENTO DELL’ELICASI RICHIEDE IDROLISI DI ATP
  38. 38. La molecola di DNA- polimerasi riconosce i nucleotidi sul filamento parentale del DNA e sceglie quelli da aggiungere di volta in volta al filamento di nuova sintesi in modo che ognuno sia complementare al nucleotide affrontato sull’elica parentale Come agisce la DNA-polimerasi?
  39. 39. La DNA-polimerasi è in grado di sintetizzare il nuovo filamento solo nella direzione 5’-3’ in quanto richiede un terminale 3’-OH libero a cui agganciare il nucleotide successivo. Per poter funzionare, questo complesso necessita di un innesco iniziale di RNA (primer) RNA PrimerDNA Polymerase Nucleotide 5’ 5’ 3’ Filamento stampo Cosa fa la DNA polimerasi?
  40. 40. A partire da ogni forca di replicazione, la sintesi dei nuovi filamenti di DNA avviene in entrambe le direzioni La replicazione è bidirezionale Data però l’unidirezionalità (5’- 3’) con cui la DNA polimerasi opera, solo uno dei due neofilamenti potrebbe essere sintetizzato…
  41. 41. Mentre un filamento di DNA è duplicato con continuità, lo stesso non vale per il suo complementare. Si è visto che in questo caso la DNA polimerasi III replica piccoli pezzetti di DNA (frammenti di Okazaki) a partire da diversi primer. In seguito i primer sono rimossi dalla polimerasi I e sostituiti con pezzi di DNA e la ligasi provvede ad unire i frammenti La replicazione è semidiscontinua
  42. 42. SSB Primasi 5‟-3‟ DNA Ligasi DIREZIONE DI SINTESI: 5‟ 3‟ Un‟elica viene replicata in maniera continua L‟altra in maniera discontinua: frammenti di Okazaki (1,2,3,4, …) Primasi 5‟-3‟ DNA Ligasi
  43. 43. Perché nel DNA c‟è la timina e non l‟uracile? Le basi vengono modificate da reazioni che avvengono sia in condizioni fisiologiche che in seguito all’azione di agenti ambientali La citosina ha la tendenza a convertirsi in uracile per deaminazione Poiché la T è la normale base del DNA ogni U presente nel DNA è sicuramente una C deaminata
  44. 44. Il DNA invecchia? Man mano che la cellula invecchia, avvengono continuamente mutazioni a carico del DNA, a cui il corpo risponde con meccanismi di riparazione. Nelle cellule invecchiate, l’attività di riparazione diventa inefficiente Purtroppo sì!!
  45. 45. Le mutazioni possono verificarsi spontaneamente per errori nei processi di recplicazione del DNA o per l’azione dei cosiddetti agenti mutageni presenti nell’ambiente, come gran parte dei raggi UV e le radiazioni ionizzanti Cause dell‟invecchiamento del DNA
  46. 46. Nel processo di invecchiamento non è coinvolto solo il DNA nucleare, ma anche quello dei mitocondri!! Anche il DNA mitocondriale è causa dell‟invecchiamento! Studi recenti sembrano confermare che il DNA mitocondriale, che viene ereditato dalla madre, può contribuire all’invecchiamento del figlio in base a quanto si è danneggiato nelle cellule materne

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