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Luciana Castaldo » 1.DNA struttura e duplicazione


Introduzione

Gli acidi nucleici, appartengono ai costituenti organici della materia vivente; essi rappresentano le più importanti molecole presenti negli organismi a partire dai virus fino ad arrivare all’uomo.

Infatti le informazioni per la costruzione di un intero organismo e per il mantenimento in vita di ogni sua cellula vengono codificate in macromolecole di Acido Deossiribonucleico (DNA). Inoltre il contenuto di DNA negli organismi cresce esponenzialmente con l’aumentare della complessità degli organismi stessi.

Il DNA è contenuto nel nucleo, nelle cellule degli eucarioti, nel citoplasma dei procarioti ed è semplicemente avvolto da un capside proteico nei virus.

Negli eucarioti il DNA è presente nel nucleo in forma di cromatina che si condensa in cromosomi al momento della divisione cellulare.


Gli acidi nucleici

Esistono due tipi di acidi nucleici: il DNA e l’RNA. Entrambi sono presenti sia nelle cellule procariotiche che eucariotiche, mentre nei virus è presente uno solo dei due acidi nucleici.

Le molecole del DNA e dell’RNA sono definite polinucleotidiche in quanto costituite dall’unione di unità più semplici dette nucleotidi.

Il DNA, presente solo nel nucleo, è costituito da due filamenti polinucleotidici avvolti attorno ad un asse ideale in modo da formare una struttura a doppia elica con passo regolare. L’RNA presente sia nel nucleo che nel citoplasma, è costituito da un singolo filamento polinucleotidico, avvolto su se stesso in giri elicoidali in alcuni punti, disteso in altri.

Il DNA è in grado di trasmettersi inalterato da una generazione cellulare all’altra mediante il meccanismo di duplicazione; esso inoltre contiene nella sua struttura tutte le informazioni necessarie per dirigere, attraverso gli RNA, la sintesi proteica, lo sviluppo e le funzioni di tutte le cellule.

L’RNA trascrive l’informazione contenuta nel DNA ed a livello citoplasmatico la traduce in proteine. Esso svolge la sua funzione mediante tre tipi principali: mRNA, tRNA e rRNA.


Struttura del DNA

Il modello della struttura secondaria del DNA, costruito da Watson e Crick, è definito a doppia elica e prevede due filamenti esterni antiparalleli che si avvolgono in giri destrorsi. Essi sono costituiti da catene zucchero-fosfato orientate in direzione opposta e costituiscono la parte invariabile del DNA.
Inoltre i filamenti antiparalleli sono legati tra loro e tenuti a distanza costante ad opera delle basi azotate che si affrontano verso il centro della doppia elica.

La struttura primaria del DNA è caratterizzata dalla sequenza dei nucleotidi allineati a formare il polinucleotide con un legame fosfodiesterico tra il carbonio 5 ed il carbonio 3 di due nucleotidi successivi.

Struttura secondaria della doppia elica del DNA
Struttura primaria di una singola catena polinucleotidica
Legame fosfodiesterico tra due nucleotidi

I componenti dei nucleotidi

Ogni nucleotide del DNA è costituito da uno zucchero pentoso (a 5 atomi di carbonio), da un radicale fosforico e da una base azotata.

Il pentoso è il desossiribosio (ribosio nell’RNA). Le basi azotate appartengono a due categorie: le purine (adenina e guanina) e le pirimidine (citosina e timina; citosina e uracile nell’RNA).

In particolare il pentoso costituisce la parte centrale di ciascun nucleotide, che lega in posizione 1 la base azotata ed in posizione 5 il radicale fosforico. Esso possiede ancora un ossidrile libero in posizione 3 che potrà essere impegnato nel legame fosfodiesterico col nucleotidico successivo.


Formazione del legame fosfodiestarico

Per formare la catena polinucleotidica, al momento della sintesi di DNA, nucleotidi trifosfati vengono assemblati con legame fosfodiesterico tra il carbonio 3 di un nucleotide ed il carbonio 5 del nucleotide successivo.

La scissione del pirofosfato (P-P) libera l’energia necessaria per la formazione del legame tra i due nucleotidi successivi.


Legami ad idrogeno tra le basi azotate

Nella doppia elica i filamenti polinucleotidici sono antiparalleli per consentire che le basi azotate si affrontino l’una all’altra. Il filamento con successione di legame 5-3 viene detto filamento principale, mentre il filamento complementare con successione di legame 3-5 viene detto filamento secondario.

Le basi azotate che si affrontano al centro della doppia elica si legano tra loro con legami ad idrogeno tra basi puriniche e basi pirimidiniche.

Per motivi stereochimici la base Adenina può legarsi solo alla Timina e la Citosina solo alla Guanina. Inoltre nella coppia A-T si formano 2 legami ad idrogeno; nella coppia C-G si formano 3 legami ad idrogeno.


Parametri della doppia elica

La sruttura della doppia elica di DNA consente di mantenere dei parametri costanti.

L’appaiamento obbligatorio delle basi azotate A-T e C-G consente di mantenere un diametro di 2 nm della doppia elica. Esso inoltre rende i due filamenti complementari.

La distanza tra due basi successive in un singolo filamento è di 0.33 nm e vi sono 10 basi per ciascun giro dell’elica: per cui il passo del DNA è di 3.3 nm.


Duplicazione del DNA

La duplicazione del DNA avviene con un meccanismo definito semiconservativo, in quanto ogni filamento costituisce lo stampo per un filamento complementare ad esso e quindi uguale all’altro filamento.

In tal modo da una molecola di DNA si formano due nuove molecole, uguali tra loro ed uguali alla doppia elica di partenza, in quanto ognuna è costituita da uno dei due filamenti di partenza ed uno complementare di nuova formazione.

DNA replication process


Duplicazione del DNA (segue)

La duplicazione del DNA parte da una forcella di replicazione a livello della quale si inserisce una DNA elicasi che determina la rottura dei legami ad idrogeno e lo svolgimento della doppia elica. In tal modo, a partire dalla forcella di replicazione si rendono liberi i due filamenti di DNA che presentano basi complementari e quindi diversa successione di nucleotidi.

La diversa conformazione dei due filamenti determinerà un processo di sintesi differente sul filamento principale e su quello secondario.

Tuttavia, dal momento che ogni filamento è in grado di formare un nuovo filamento complementare allo stesso, si formeranno due nuove molecole di DNA uguali tra loro ed a quella di partenza.

DNA


Duplicazione del DNA (segue)

Sul filamento principale, a partire dall’estremità 3′, una DNA polimerasi determina la formazione di legame fosfodiesterico con nucleotidi trifosfati aventi basi complementari ai nucleotidi del filamento stampo.

Poiché ciascun desossinucleotide trifosfato in arrivo deve appaiarsi col filamento stampo per essere riconosciuto dalla DNA polimerasi, il filamento stampo specifica quale nucleotide verrà aggiunto nel rispetto della complementarità delle basi e quindi della formazione di specifici legami ad idrogeno A-T, C-G.

L’eliminazione del pirofosfato fornisce l’energia per il legame fosfodiesterico e la formazione di una nuova catena polinucleotidica. Il nuovo filamento, detto filamento guida, polimerizza quindi con continuità nella direzione 5′-3′.

Film sulla duplicazione del DNA

Film sulla duplicazione del DNA


Duplicazione del DNA (segue)

Sul filamento secondario interviene inizialmente una RNA primasi che determina la sintesi di un corto frammento di RNA. Quindi può inserirsi una DNA polimerasi III che determina la sintesi di piccoli tratti di DNA detti frammenti di Okazaki. Successivamente, ad opera di una ligasi, questi frammenti vengono uniti a quelli di RNA trasformati in DNA.

Pertanto la duplicazione del DNA sul filamento secondario, conosciuto come filamento lento, avviene in modo discontinuo, ma il risultato è comunque quello di una nuova molecola di DNA uguale a quella formata sul filamento principale ed a quella di partenza.

Alla fine del processo una telomerasi dà il segnale di fine del processo.


Duplicazione del DNA batterico

Nei batteri il DNA si duplica a partire da una forcella di replicazione in modo bidirezionale fino a quando tutta la molecola si è duplicata. Il punto di origine della duplicazione viene detto perno.


Film duplicazione del DNA


Duplicazione negli eucarioti

Negli eucarioti la duplicazione del DNA corrispondente ad un cromosoma avviene con più forcelle di replicazione che procedono in modo bidirezionale fino ad incontrare la forcella di replicazione che procede in direzione opposta e quindi fino a che l’intera molecola non si sia duplicata. In tal modo il tempo di replicazione viene notevolmente ridotto.


Localizzazione del DNA

Negli eucarioti il DNA è localizzato nel nucleo. Questo è visibile nella sua organizzazione solo in cellule nella cosiddetta interfase. Un nucleo in interfase è delimitato da una membrana interna ed una esterna che si giustappongono in modo da formare pori nucleari per il passaggio di molecole tra il nucleo ed il citoplasma.

Esso inoltre presenta uno o più nucleoli ed un DNA più o meno spiralizzato in forma di eucromatina o di eterocromatina.

L’eucromatina è costituita da DNA legato a proteine basiche in forma più despiralizzata, mentre l’eterocromatina è costituita da DNA maggiormente spiralizzato e complessato con proteine. L’eucromatina pertanto corrisponde ad un DNA in forma attiva (per la duplicazione o per la trascrizione), mentre l’eterocromatina corrisponde ad un DNA inattivo.


Localizzazione del DNA (segue)

Mentre nel nucleo interfasico il DNA poco spiralizzato e legato a proteine istoniche e non istoniche costituisce la cromatina, nel corso della divisione cellulare va incontro ad un ulteriore processo di spiralizzazione e di complessazione con proteine. Tale processo raggiunge la sua massima espressione nella metafase, quando l’intero patrimonio genetico di una cellula viene localizzato nei cromosomi disposti nella regione equatoriale a costituire la piastra metafasica.


Nucleosomi

La formazione della cromatina richiede la complessazione del DNA con molecole proteiche.

Il nucleosoma costituisce il nocciolo proteico (istoni nucleosomiali) intorno al quale si avvolge due volte la doppia elica di DNA. Esso è costituito da otto istoni, uguali a due a due: gli istoni H2A, H2B, H3 ed H4, piccole proteine basiche responsabili del ripiegamento del DNA.

DNA e istoni


Istoni H1

Gli istoni H1 più grandi, instaurano un legame tra nucleosomi successivi per cui favoriscono la loro aggregazione ordinata.


Metilazione ed acetilazione

Un processo di metilazione degli istoni determina condensazione del DNA e quindi il passaggio ad una forma inattiva, mentre un processo di acetilazione determina despiralizzazione e quindi passaggio alla forma attiva.


Condensazione e spiralizzazione del DNA

Il progressivo processo di condensazione e spiralizzazione del DNA determina la formazione di entità di dimensione crescente che culminano, al momento della divisione cellulare, nella formazione dei cromosomi.


Passaggio dalla cromatina ai cromosomi

Pertanto il passaggio dalla cromatina ai cromosomi, dipende dalla condensazione di molecole di DNA, fino a costituire molecole via via più voluminose.


I materiali di supporto della lezione

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Keith, R., & Walter, P., "Biologia molecolare della cellula”. Bologna: Zanichelli.

Rosati, P., Colombo R., & Maraldi, N. "Istologia". Milano: Edi Ermes.

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