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)

1. Il DNA:
struttura, funzione
e replicazione
Autore: Chris Sorrentino

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. 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. 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. 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. • 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. 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. 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. I 4 possibili nucleotidi del DNA

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. 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. 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. 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. 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. 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. …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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

29. 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)

31. 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

32. 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

33. 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

34. LA REPLICAZIONE È:
1. semiconservativa
2. bidirezionale
3. semidiscontinua

35. 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

36. 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

37. 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?

38. 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?

39. •DNA ELICASI SI LEGAAL DNA
•SEPARA LA DOPPIA ELICA
•IL MOVIMENTO DELL’ELICASI
RICHIEDE IDROLISI DI ATP

40. 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?

41. 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?

42. 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…

43. 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

46. 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

47. 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

48. 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!!

49. 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

50. 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