Anatomia e replicazione del genoma - Infermieristica
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Anatomia e replicazione
del genoma
Le funzioni vitali della cellula dipendono dal ruolo svolto da tre macromolecole biologiche: 1. DNA acido deossiribonucleico è il depositario dell’informazione genetica. Ognuna di queste informazioni si trova contenuta sotto forma di sequenza nucleotidica all’interno di un circoscritto segmento di DNA denominato gene L’insieme dei geni di una cellula, o organismo, viene chiamato, genoma 2. RNA acido ribonucleico (mRNA) sequenza nucleotidica che contiene le informazioni necessarie per la sintesi di una proteina 3. Proteine polimero di amminoacidi uniti da legami peptidici. Le proteine sono le macromolecole biologiche che svolgono la maggior parte delle funzioni cellulari (es. Elementi strutturali, catalizzano reazioni chimiche, regolano l’espressione genica, fanno muovere e comunicare le cellule etc.).
Flusso dell’informazione genetica
Il corretto svolgimento delle attività
biologiche cellulari richiede il
trasferimento dell’informazione genetica
da una macromolecola biologica ad
un’altra ad opera di tre diversi processi
biochimici:
Replicazione
Trascrizione
Traduzione
Espressione genica
Il linguaggio della sequenza nucleotidica
dei due acidi nucleici viene tradotto in
sequenza amminoacidica utilizzando un
codice che fa corrispondere ad una
tripletta nucleotidica presente nella
sequenza di un gene un amminoacido,
codice genetico
Tutti i diversi mRNA di una cellula
costituiscono il trascrittoma, l’insieme
delle diverse proteine, proteoma
Aspetti generali sull’organizzazione fisica dei genomi
Il compartimento cellulare deputato a contenere il materiale genetico,
citoplasma per i procarioti, nucleo per gli eucarioti, presenta
dimensioni di diversi ordini di grandezza inferiore alla lunghezza del
genoma ospitato
Il DNA subisce dei ripiegamenti, torsioni e
superavvolgimenti che gli fanno assumere la
conformazione di una massa filamentosa e
compatta
Assembl. ribosomi
L’involucro nucleare
Livelli di organizzazione della cromatina eucariotica
Negli eucarioti il complesso che il DNA genomico forma con le proteine
responsabili della sua condensazione viene chiamato cromatina
In interfase:
Eucromatina
Eterocromatina
interfase mitosi
cromosomi
Corredo cromosomico umano
Un filamento polinucleotidico
Un filamento di acido nucleico è costituito da una successione di quattro diversi nucleotidi. Quindi c’è uno scheletro zucchero-fosfato costante e una sequenza di basi variabile che costituisce l’informazione Struttura a doppia elica con i filamenti orientati in modo antiparallelo Filamenti complementari
Struttura del DNA Un gene è un tratto di DNA in cui è contenuta l’informazione per la sintesi di una catena peptidica
Livelli di organizzazione della cromatina Graduale processo di condensazione consiste in un progressivo aumento dello spessore della fibra cromatinica ed a una riduzione della sua lunghezza
Livelli di organizzazione della cromatina
Fibra cromatina con aspetto nodulare dovuto alla
presenza di formazioni cilindriche chiamate
nucleosomi
Nucleosoma tratto di DNA avvolto attorno ad un
complesso multiproteico formato da proteine
basiche, istoni (H2A,H2B,H3,H4)Livelli di organizzazione della cromatina
Fibra cromatinica che
spiralizzando forma una struttura
elicoidale ad andamento periodico.
Ogni spira è costituita da sei
nucleosomi
Istone H1 associa tra di loro due
nuleosomi confinanti all’interno della
stessa spiraLivelli di organizzazione della cromatina
interfase mitosi
formazione di anse Impilamento delle anse e
associate a proteine successiva spiralizzazione
della matrice nucleare determina la formazione
del cromatide
Cromosoma Cromosoma
disteso condensatoIl cromosoma
Telomeri:regioni che assicurano l’integrità del
cromosomaLa replicazione del DNA La replicazione del DNA è una reazione biosintetica il cui risultato finale consiste nella produzione di due copie identitiche di genoma sintetizzate a partire da una unica e destinate a essere assegnate alle due cellule figlie durante la divisione cellulare -fenomeno biologico correlato con l’attività proliferativa della cellula circoscritto alla fase S del ciclo cellulare - è un processo semi-conservativo -si svolge in modo simile in eucarioti e procarioti Dal punto di vista molecolare la replicazione del DNA può essere suddivisa in tre fasi denominate: -Inizio -Allungamento -Terminazione
Complessi di modificazione della cromatina aggiunta di gruppi chimici a specifici residui amminoacidici 1.acetilazione 2.Metilazione Legame della metil-CpG binding protein alle “isole CpG” metilate che recluta co-respressori e istone deacetilasi
Complessi di rimodellamento della cromatina Esplicano i loro effetti utilizzando l’energia derivata dall’idrolisi dell’ATP ATPasi SW1/SNF: -attività rimodellante attraverso cui il DNA avvolto attorno all’ottamero istonico viene allentato -Fa scorrere il DNA nucleosomico spostando sequenze di regolazione trascrizionale verso zone maggiormente accessibili -Dissocia un ottamero da un nucleosoma e lo associa a regioni distinte di DNA sono presenti anche enzimi che esercitano un’attività inibitoria sullo stesso processo biologico
La replicazione del DNA è semiconservativa
Fase di inizio della replicazione: riconoscimento e denaturazione dei siti di origine 1. Le proteine iniziatrici riconoscono e legano sequenze di DNA chiamate “siti di origine” provocando al loro interno una distorsione della doppia elica inducendo una denaturazione circoscritta 2. DNA elicasi ampliano la regione denaturata 3. Proteine che legano il DNA a singola catena impediscono alla sequenza di DNA di rinaturarsi 4. Topoisomerasi enzima che rimuove i superavvolgimenti del DNA che si formano ad azione dell’elicasi Nei procaritoti è presente un unico sito di origine OriC Negli eucarioti esistono siti multipli di replicazione presenti nelle varie molecole di DNA che costituisco il genoma eucariotico
Bolla replicativa
Formata da due metà simmetriche
a forma di Y chiamate “forcine
replicative” le quali avanzano in
direzione oppostaFORCINA REPLICATIVA DNA polimerasi - Necessita di un innesco per la sintesi del nuovo filamento di DNA - Le DNA polimerasi possiedono attività esonucleasica 3’-5’ che consente loro di eliminare l’ultimo nucleotide 3’ del filamento in corso qualora questo sia stato erroneamente incorporato, correzione di bozze -Core enzimatico responsabile dell’attività DNA polimerasica -Fattore di assemblaggio -Morsa scorrevole, struttura ad anello che avvolge il filamento stampo e scorre su di esso -Caricatore della morsa sul DNA a livello della giunzione innesco- stampo -Nei procarioti: Dimero che assembla insieme i due core enzimatici impegnati nella sintesi formando un dimero di DNA polimerasi -Negli eucarioti: funziona come monomero, sul filamento guida e su quello tardivo operano due distinti apparati replicativi
Fase di allungamento sintesi di DNA DNA polimerasi -Legge lo stampo dal suo estremo 3’ verso quello 5’ mentre sintetizza il prodotto della reazione dal suo estremo 5’ verso quello 3’ -I nucleotidi trifosfato vengo aggiunti all’estremità 3’ del polinucleotide in crescita e scelti affinché contengano la base azotata complementare a quella esposta sullo stampo
Fase di allungamento sintesi bidirezionale di un filamento
complementare a quello parentale
Sintesi degli inneschi
DNA primasi nei procarioti(primer RNA)
DNA polimerasi a negli eucatioti (primer
RNA/DNA)
la replicazione richiede inneschi
multipli ed è discontinua
Una volta che gli inneschi sono stati
sintetizzati sul filamento 3’ viene
recluta la DNA polimerasiLa natura antiparallela della doppia elica crea una complicazione per la replicazione simultanea dei due filamenti. Poiché il DNA è sintetizzato aggiungendo nucleotidi in direzione 5’3’, soltanto uno dei due filamenti stampo può essere replicato in modo continuo seguendo la direzione della forcella di replicazione. Il DNA neosintetizzato a partire da questo stampo prende il nome di filamento continuo (leading strand). La replicazione dell’altro filamento è più problematica, in quanto la DNA polimerasi III deve muoversi in direzione opposta rispetto a quella della forcella di replicazione. Il filamento di DNA neosintetizzato da questo stampo è conosciuto come filamento ritardato (lagging strand) e la sintesi avviene in maniera discontinua, mediante la formazione dei frammenti di Okazaki.
Fase di terminazione
La fase dell’allungamento si conclude quando viene portata a
completamento la polimerizzazione dei filamenti neo sintetizzati
Rimozione degli inneschi e risintesi di DNA
-nei procarioti reclutamento di DNA polimerasi I con attività
esonucleasica 5’-3’ e polimerasica (sostituzione delle polierasi)
- negli eucarioti viene reclutato l’enzima FEN1 che insieme a DNA
elicasi e ribonuleasi H rimuove l’innesco, la DNA polimerasi d
risintetizza la regione dell’innesco
La DNA ligasi forma un legame fosfodiesterico fra i frammenti di DNA
formati
Si ritiene che la terminazione della replicazione del DNA avvenga quando
due forcine replicative che procedono in direzione opposta si incontrano.
Il contatto provoca il distacco dei due apparati replicativi e le due estremità
neo-sintetizzate vengono unite dalla DNA ligasi
.DNA telomerico I telomeri rappresentano le estremità dei cromosomi lineari. Sono costituiti da una regione a doppio filamento e da una porzione a singolo filamento. Il DNA telomerico presenta ripetizioni in tandem di sequenze nucleotidiche.
Le sequenze ripetute in tandem alle estremità dei cromosomi sono specie
specifiche. Nell’uomo, come in tutti i vertebrati, la sequenza è 5’-T2AG3-3’. La
tabella, inoltre, mostra che la lunghezza dei telomeri è diversa nelle varie specie,
nell’uomo è di 5-15kb.
LUNGHEZZA SEQUENZA
SPECIE
TELOMERO TELOMERO
Ciliati
T. thermophila 120-140 bp T 2G 4
Lieviti
S. cerevisiae 200-300 bp TG2-3(TG)11-6
Vertebrati
Uomo 5-15 kb T2AG3
Topo Oltre 150 kb T2AG3
Ratto 20-100 kb T2AG3
Uccello 5-20 kb T2AG3
Invertebrati
Formica 9-13 kb T2AG2
Piante
A. thaliana 2-5 kb T3AG3L’erosione dei telomeri: “end replication problem”
3’ protrusivo
I telomeri perdono approssimativamente 50-
5’ recessivo 200 bp per ogni divisione cellulare a causa
del cosiddetto “end replication problem”. il
meccanismo di replicazione del DNA non è
in grado di replicare completamente le
estremità dei cromosomi lineari, con
conseguente erosione dei telomeri
L’enzima telomerasi promuove un
allungamento compensatorio dei telomeri
Per la replicazione del DNA è necessaria la sintesi di frammenti di RNA
utilizzati come inneschi. La necessità di avere inneschi a RNA crea un
problema per la replicazione delle parti terminali dei cromosomi lineari.
Infatti, una volta rimosso l’ultimo innesco all’estremità 5’ del filamento
ritardato e del filamento veloce, non è più possibile replicare l’estremità 3’
dello stampo. Di conseguenza, si formano estremità ssDNA al 3’, di
grandezza pari a quella dell’innesco rimosso. Questo meccanismo
porterebbe alla perdita di materiale genetico di generazione in
generazione.La telomerasi La telomerasi è una ribonucleoproteina composta di due parti essenziali: una componente catalitica , trascrittasi inversa, che catalizza la sintesi di porzioni di DNA complementari alla molecola di RNA contenuta all’interno del suo sito catalitico e che, pertanto, funge da stampo e una molecola di RNA complementare al filamento 3’ protusivo
Meccanismo di azione della telomerasi
a) il DNA telomerico è riconosciuto
dalla telomerasi, l’estremità 3’ del
DNA forma un ibrido con l’RNA
stampo della telomerasi
b) la telomerasi catalizza l’aggiunta
di nucleotidi all’estremità 3’,
usando come stampo l’RNA.
c) la telomerasi trasloca
d) determina l’aggiunta di ulteriori
nucleotidi all’estremità 3’. Dopo un
determinato numero di cicli, la
primasi sintetizza un innesco ad
RNA utilizzando come stampo
l’estremità 3’. La DNA polimerasi I
catalizzerà l’aggiunta di nucleotidi
e, quindi, la replicazione del tratto
neo-sintetizzato dalla telomerasi
(Autexier e Lue, 2006).Puoi anche leggere
