Gli acidi nucleici
Un'analisi del DNA di un campione biologico, come quelle usate nelle indagini scientifiche, parte da un'informazione scritta con solo quattro «lettere». Come fa una molecola così semplice a conservare le istruzioni di un organismo intero e a copiarle senza errori a ogni divisione cellulare? Lo scopriremo studiando come sono costruiti gli acidi nucleici.
Nucleotidi: i mattoni degli acidi nucleici
Gli acidi nucleici (DNA e RNA) sono polimeri formati da molte unità chiamate nucleotidi. Come le proteine sono catene di amminoacidi, così gli acidi nucleici sono catene di nucleotidi.
Le basi azotate sono di due famiglie:
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purine (due anelli): adenina (A) e guanina (G);
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pirimidine (un anello): citosina (C), timina (T) e uracile (U).
Nel DNA ci sono A, G, C, T e lo zucchero è il desossiribosio. Nell'RNA ci sono A, G, C, U e lo zucchero è il ribosio. L'uracile compare solo nell'RNA, al posto della timina.
Due nucleotidi consecutivi sono uniti dal legame fosfodiesterico: il fosfato in 5' del nucleotide che entra si lega all'ossidrile (–OH) in 3' dell'ultimo nucleotide della catena. Si forma così uno «scheletro» zucchero-fosfato, da cui sporgono le basi. Il filamento ha una direzione: un'estremità è 5' (fosfato libero), l'altra è 3' (–OH libero).
Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. a) Da quali tre componenti è formato un nucleotide? b) Quali basi azotate sono presenti nel DNA e quali nell'RNA? c) Qual…
Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi.
- a) Da quali tre componenti è formato un nucleotide?
- b) Quali basi azotate sono presenti nel DNA e quali nell'RNA?
- c) Qual è il legame che unisce due nucleotidi consecutivi?
DNA e RNA differiscono per alcune caratteristiche. a) Quale zucchero è presente in ciascuno? b) Quale base è presente solo nell'RNA? c) Cita tre tipi di RNA e la loro…
DNA e RNA differiscono per alcune caratteristiche.
- a) Quale zucchero è presente in ciascuno?
- b) Quale base è presente solo nell'RNA?
- c) Cita tre tipi di RNA e la loro funzione.
La doppia elica e le regole di Chargaff
Il DNA è formato da due filamenti avvolti a elica (modello di Watson e Crick, 1953). Le basi stanno all'interno e si appaiano in modo complementare con legami a idrogeno:
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A con T, con 2 legami a idrogeno;
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G con C, con 3 legami a idrogeno.
Ogni coppia unisce una purina e una pirimidina, quindi la larghezza dell'elica è costante. I due filamenti sono antiparalleli: uno procede in direzione 5'→3', l'altro in direzione 3'→5'.
Il perché dell'appaiamento è geometrico: solo queste coppie hanno la forma giusta per formare i legami a idrogeno nello spazio disponibile.
Il DNA ha struttura a doppia elica. a) Con quali regole si appaiano le basi? b) Quanti legami idrogeno si formano tra A-T e tra G-C? c) Che cosa significa che i due…
Il DNA ha struttura a doppia elica.
- a) Con quali regole si appaiano le basi?
- b) Quanti legami idrogeno si formano tra A-T e tra G-C?
- c) Che cosa significa che i due filamenti sono antiparalleli?
In un campione di DNA a doppio filamento la percentuale di adenina è il $22\%$. a) Calcola le percentuali di T, G e C. b) Spiega quale regola di Chargaff hai applicato.…
In un campione di DNA a doppio filamento la percentuale di adenina è il $22\%$.
- a) Calcola le percentuali di T, G e C.
- b) Spiega quale regola di Chargaff hai applicato.
- c) Calcola il numero totale di legami idrogeno in un frammento di $1.000$ coppie di basi con questa composizione.
Un frammento di DNA doppio filamento di $200$ coppie di basi contiene il $35\%$ di G+C. a) Calcola il numero di ciascuna delle quattro basi. b) Calcola il numero totale…
Un frammento di DNA doppio filamento di $200$ coppie di basi contiene il $35\%$ di G+C.
- a) Calcola il numero di ciascuna delle quattro basi.
- b) Calcola il numero totale di legami idrogeno e di gruppi fosfato (escludi le estremità).
- c) Spiega perché la temperatura di fusione (melting) del DNA aumenta con il contenuto di G+C.
Lunghezza e impacchettamento
Tra due coppie di basi consecutive ci sono circa $0{,}34\ \text{nm}$. Perciò la lunghezza del DNA è $L = N \cdot 0{,}34\ \text{nm}$, con $N$ numero di coppie. Per un genoma umano aploide ($3{,}2 \cdot 10^{9}$ coppie) si ottiene circa $1{,}1\ \text{m}$: un filo lunghissimo da far entrare in un nucleo di pochi micrometri. Il DNA si avvolge attorno a proteine, gli istoni: ogni tratto avvolto su un nucleo di otto istoni forma un nucleosoma, che si ripiega ulteriormente a formare la cromatina e i cromosomi.
Lo stesso legame a idrogeno spiega anche la stabilità termica: le coppie G-C ne hanno tre, quindi un DNA ricco di G+C richiede più energia (temperatura di fusione più alta) per separare i filamenti.
Il genoma umano aploide contiene circa $3{,}2\times10^{9}$ coppie di basi. La distanza tra due coppie di basi consecutive è circa $0{,}34\ \text{nm}$. a) Calcola la…
Il genoma umano aploide contiene circa $3{,}2\times10^{9}$ coppie di basi. La distanza tra due coppie di basi consecutive è circa $0{,}34\ \text{nm}$.
- a) Calcola la lunghezza del DNA di un genoma aploide in metri.
- b) Calcola la lunghezza del DNA di una cellula diploide.
- c) Spiega come questa lunghezza entra nel nucleo, citando istoni e nucleosomi.
Replicazione del DNA
Prima di ogni divisione la cellula copia il suo DNA. La replicazione è semiconservativa: ogni molecola figlia contiene un filamento originale e uno nuovo.
Meselson e Stahl (1958) fecero crescere batteri in un terreno con azoto pesante $^{15}\text{N}$ e poi li trasferirono in un terreno con $^{14}\text{N}$ leggero. Separarono il DNA per centrifugazione, in base alla densità:
| Generazione | Bande di DNA |
|---|---|
| iniziale ($^{15}\text{N}$) | una banda pesante |
| dopo 1 replicazione | una banda intermedia |
| dopo 2 replicazioni | una banda intermedia e una leggera |
Dopo la prima generazione la banda intermedia esclude il modello conservativo (avrebbe dato una pesante e una leggera). Dopo la seconda la comparsa della banda leggera esclude il modello dispersivo (avrebbe dato sempre una sola banda, via via più leggera).
Gli enzimi principali:
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elicasi: apre la doppia elica rompendo i legami a idrogeno;
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primasi: sintetizza un breve innesco di RNA (primer);
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DNA polimerasi: allunga il filamento nuovo solo in direzione 5'→3', aggiungendo nucleotidi complementari;
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ligasi: salda i frammenti tra loro.
Poiché la polimerasi lavora solo in direzione 5'→3' e i filamenti sono antiparalleli, un filamento (guida) è sintetizzato in modo continuo, l'altro (in ritardo) a pezzi, i frammenti di Okazaki, poi uniti dalla ligasi.
La replicazione del DNA è semiconservativa, come dimostrato dall'esperimento di Meselson e Stahl. a) Descrivi l'esperimento con l'azoto $^{15}\text{N}$ e $^{14}\text{N}$…
La replicazione del DNA è semiconservativa, come dimostrato dall'esperimento di Meselson e Stahl.
- a) Descrivi l'esperimento con l'azoto $^{15}\text{N}$ e $^{14}\text{N}$ e il risultato dopo una e due generazioni.
- b) Spiega perché i risultati escludono i modelli conservativo e dispersivo.
- c) Descrivi il ruolo di elicasi, DNA polimerasi, primasi e ligasi, e spiega perché un filamento viene sintetizzato in modo discontinuo.
RNA, trascrizione e traduzione
L'RNA differisce dal DNA: zucchero ribosio, base uracile al posto della timina, ed è di norma a singolo filamento. Tre tipi principali:
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mRNA (messaggero): porta l'informazione di un gene al ribosoma;
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tRNA (di trasporto): porta l'amminoacido corretto ed ha un anticodone complementare al codone;
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rRNA (ribosomiale): componente strutturale e catalitico dei ribosomi.
Nella trascrizione l'RNA polimerasi copia il filamento stampo del DNA: l'mRNA è complementare allo stampo, con U al posto di T, ed è sintetizzato in direzione 5'→3' (quindi legge lo stampo in 3'→5'). Nella traduzione il ribosoma legge l'mRNA in direzione 5'→3', un codone (tripletta) alla volta; ogni codone specifica un amminoacido.
Un filamento stampo di DNA ha sequenza $3'$-TACGGATTC-$5'$. a) Scrivi la sequenza dell'mRNA trascritto, indicando le estremità. b) Utilizzando il codice genetico, indica…
Un filamento stampo di DNA ha sequenza $3'$-TACGGATTC-$5'$.
- a) Scrivi la sequenza dell'mRNA trascritto, indicando le estremità.
- b) Utilizzando il codice genetico, indica il numero di codoni e di amminoacidi codificati dall'mRNA (considera tutti i codoni come codificanti).
- c) Spiega la direzione di lettura dell'mRNA da parte del ribosoma.
Mutazioni puntiformi
Una mutazione puntiforme cambia una singola base. Conseguenze:
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silente: il nuovo codone codifica lo stesso amminoacido (grazie alla degenerazione);
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missenso: cambia l'amminoacido;
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non senso: compare un codone di stop (UAA, UAG, UGA) e la proteina risulta troncata.
Esempio su $5'$-GAA-$3'$ (acido glutammico): GAG codifica ancora acido glutammico (silente); GUA codifica valina (missenso); UAA è uno stop (non senso).
Un'inserzione o delezione di una base sposta la cornice di lettura (frameshift): tutti i codoni a valle cambiano, mentre una sostituzione ne modifica al massimo uno. Per questo gli effetti sono di norma più gravi.
La mutazione puntiforme può essere silente, missenso o non senso. a) Definisci i tre tipi di mutazione e la degenerazione del codice genetico. b) Dato il codone mRNA…
La mutazione puntiforme può essere silente, missenso o non senso.
- a) Definisci i tre tipi di mutazione e la degenerazione del codice genetico.
- b) Dato il codone mRNA $5'$-GAA-$3'$ (acido glutammico), indica l'effetto di una mutazione che lo trasforma in GAG, in GUA e in UAA.
- c) Spiega perché una delezione di una singola base (frameshift) ha in genere effetti più gravi di una sostituzione.
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In sintesi
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Il nucleotide è formato da pentoso, fosfato e base azotata; i nucleotidi si uniscono con legami fosfodiesterici.
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DNA: desossiribosio, basi A, T, G, C, doppia elica antiparallela; A-T con $2$ e G-C con $3$ legami a idrogeno.
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Regole di Chargaff: $A = T$, $G = C$.
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RNA: ribosio, uracile, singolo filamento (mRNA, tRNA, rRNA).
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La replicazione è semiconservativa (Meselson e Stahl) e usa elicasi, primasi, DNA polimerasi e ligasi.
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Le mutazioni puntiformi sono silenti, missenso o non senso; i frameshift sono i più gravi.
Vuoi tornare al punto di partenza? Un'analisi del DNA funziona perché quattro basi, in un ordine unico e copiato in modo fedele, costituiscono l'informazione genetica.