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Acidi nucleici - 4 Acidi nucleici - 4 presentazione del prof. Ciro Formica Duplicazione del DNA. Perché la duplicazione è semiconservativa; Come lavorano le DNA polimerasi. Errori durante la duplicazione e modalità di correzione. Descrivere: i meccanismi di duplicazione del DNA il modello a doppia elica di Watson e Crick correlare la sua struttura con le sue funzioni Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org

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Page 1: Acidi nucleici - 4 presentazione del prof. Ciro Formica Duplicazione del DNA. Perché la duplicazione è semiconservativa; Come lavorano le DNA polimerasi

Acidi nucleici - 4Acidi nucleici - 4

presentazione del prof. Ciro Formica

Duplicazione del DNA. Perché la duplicazione è semiconservativa; Come lavorano le DNA polimerasi. Errori durante la duplicazione e modalità di correzione.Descrivere:i meccanismi di duplicazione del DNAil modello a doppia elica di Watson e Crickcorrelare la sua struttura con le sue funzioni

Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma2.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org

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Duplicazione del DNADuplicazione del DNAproprietà Filamento guida

(leading strand)Filamento ritardo(lagging strand)

Aggiunta nucleotidi

continua(concorde alla forcella)

discontinua(opposta alla forcella)

Direzione 5’ 3’ 5’ 3’

Okazaki 100-200 nucleotidi SI

Primer (innesco)

sintetizzato da RNA primasi

SI SI

Punto di attacco

unico numerosi

Telomeri 5’-TTAGGG3’ SI

DNA polimerasi

proofreading

2

Sul filamento ritardo non si completa l’ultimo frammento di Okazaki, perciò il cromosoma tende ad accorciarsi, ma i TELOMERI, brevi sequenze alle estremità dei cromosomi 5’-TTAGGG3’, proteggono dall’accorciamento, ma solo per 40-50 duplicazioni cellulari, finché la cellula va in APOPTOSI e muore. L’enzima TELOMERASI sintetizza il DNA telomerico perso durante la duplicazione.

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Attività enzimatiche della DNA Attività enzimatiche della DNA polimerasipolimerasi

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Attività Azione svolta

Elicasi Srotola l'elica e taglia i legami a idrogeno tra le basi complementari.

Primasi Sintetizza una piccola catena ribonucleotidica (lunghezza 9-10

nucleotidi) -che fa da innesco o primer- necessaria per promuovere

l’aggiunta di altri nucleotidi.

Polimerasi Aggiunta di 1 nucleotide per volta al 3' OH della catena in

accrescimento

Ligasi Unisce i frammenti neosintetizzati (dopo la rimozione enzimatica

degli RNA-primer).

Nucleasi Corregge gli eventuali errori nell'aggiunta dei nucleotidi Nelle nostre

cellule la frequenza di errori nell'incorporazione delle basi è minima,

dell'ordine di 10-9 -10-10 (un errore ogni miliardo – uno ogni 10

miliardi di basi),

.

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DNA polimerasiDNA polimerasiinnesco stampo allungamento

catenamonomeri

primer template 5’ 3’ dNTP

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replicazionereplicazione

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replicazionereplicazione

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EDITING: Correzione degli errori durante la duplicazione.

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replicazionereplicazione

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replicazionereplicazione

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Bolla di replicazioneBolla di replicazione

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http://apollo11.isto.unibo.it/Tecnicidilaboratorio/lezioni%202010-2011/11)%20Duplicazione%20DNA.pdf

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Meselson e Stahl 1958: Modello Meselson e Stahl 1958: Modello semiconservativosemiconservativo

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Le molecole di DNA in un gradiente di densità ottenuto centrifugando a lungo una soluzione di CsCl (cloruro di cesio) galleggiano al livello del gradiente che corrisponde alla loro densità.Per distinguerle, le eliche nuove venivano marcate con 14N (azoto leggero, meno denso), le vecchie con 15N (azoto pesante, più denso).Dopo la centrifugazione apparivano dei picchi di densità distinti, che facevano pensare ad una modalità semiconservativa, cioè che ogni doppia elica fosse formata da un’emielica vecchia e una nuova

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La replicazione semiconservativa:La replicazione semiconservativa:A half DNA ladder is a template for copying the wholeA half DNA ladder is a template for copying the whole

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1- incubazione dei batteri in 15N2- trasferimento in 14N: la crescita prosegue3- raccolta campioni a 0, 20 (1 replicazione) e 40 minuti (2 replicazioni)4- si misura la densità delle nuove molecole di DNA:0’: tutte catene pesanti (15N)20’: tutte catene intermedie 40’: metà intermedie, metà leggere (14N)Conclusioni: la replicazione non può essere conservativa (2 catene vecchie o 2 catene nuove) né dispersiva (catene miste).

Poiché bastano 2 replicazioni per far sparire le catene pesanti, il quadro è compatibile con la replicazione semiconservativa: 1 catena vecchia e 1 nuova).

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Matthew Meselson, USA, 1930-vivente Matthew Meselson, USA, 1930-vivente

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Chimico USA, lavorò con Pauling sulle proteine al Caltech. Mediante la cristallografia a r.X evidenziò la struttura proteica.

Dimostrò che la ricombinazione dei fagi deriva dallo splicing del DNA. Nel 1960 François Jacob e Sydney Brenner ricavarono nel suo lab al Caltech i dati necessari per dimostrare l’esistenza del mRNA.Scoprì le basi enzimatiche del riconoscimento del DNA interno alla cellula e la protezione mediante aggiunta di gruppi metilici CH3: la metilazione lascia intatto il proprio DNA, mentre il DNA estraneo viene attaccato dagli enzimi di restrizione. Scoprì anche il processo del riparo degli errori di appaiamento del DNA (mismatch repair), che fa fissare gli errori nel DNA.

Dal 1963, Meselson si occupa delle armi chimiche e biologiche come consulente di agenzie governative sull’effetto di questi ordigni.

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Franklin Stahl, USA, 1929-vivente Franklin Stahl, USA, 1929-vivente

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Conobbe Meselson al corso di biologia molecolare tenuto da Watson e Crick e insieme cercarono di dimostrare la replicazione semiconservativa della DE già ipotizzata dagli stessi Watson and Crick. Lavorarono di comune accordo al Caltech e nel 1957 trovarono le prove sperimentali che cercavano mediante la centrifugazione in gradiente di densità. Dopo la pubblicazione nel ’58 il lavoro fu definito "one of the most beautiful experiments in biology."

Ancora oggi insegna all’Università dell’Oregon e si interessa di ricombinazione genetica

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Arthur Kornberg, USA, 1918-2007 Arthur Kornberg, USA, 1918-2007

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Nacque a Brooklyn da genitori dell’Europa Orientale. Fu uno studente prodigio e dopo la laurea in medicina studiò l’ittero epatico, di cui lui stesso soffriva. Fu assunto al NIH, National Institutes of Health dove diresse la sezione di enzimologia e metabolismo, scoprendo un centinaio di enzimi coinvolti nei processi metabolici. In seguito, come direttore di Microbiologia a St.Louis, scoprì la DNA polimerasi I. Fu insignito del Nobel nel ‘59 con Severo Ochoa — Kornberg for the enzymatic synthesis of DNA, Ochoa for the enzymatic synthesis of RNA.

Considerava la scienza un’attività creativa, una forma d’arte e ricavò tanta soddisfazione dalla ricerca. La moglie Sylvy era anche lei ricercatrice e lavorò nel suo lab, il figlio Roger anche lui ricercatore isolò la DNA polimerasi III.

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Sydney Brenner, Sudafrica, 1918-vivente Sydney Brenner, Sudafrica, 1918-vivente

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Per approfondire gli studi di biologia molecolare dovette trasferirsi negli USA, dove collaborò con Watson e Crick.

Scoprì l’RNA messaggero e dimostrò in che modo viene determinato l’ordine degli amminoacidi nelle proteine. In seguito ha studiato i geni dei vetrebrati e l’evoluzione del genoma. I suoi studi hanno permesso di analizzare la sequenza dei geni e hanno contribuito alla crescita del Progetto Genoma.Con le sue ricerche sul vermetto Caenorhabditis elegans sono stati meglio compresi l’invecchiamento e la morte cellulare programmata (apoptosi).Nobel nel 2002 con Sulston —per gli studi su morte cellulare programmata e regolazione genica nello sviluppo degli organi

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Paul Zamecnik, USA, 1913-2009 Paul Zamecnik, USA, 1913-2009

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Medico USA, si interessò alla biosintesi delle proteine e dimostrò mediante radionuclidi che per la biosintesi è necessario che gli amminoacidi siano attivati energicamente dall’ATP. Usò un estratto acellulare di fegato di ratto, poi nel 1956 scoprì il fattore di trasporto degli amminoacidi: il tRNA, l’adattatore che Crick aveva previsto nel Dogma centrale: DNA RNA PROTEINE.In seguito purificò i tRNA, mentre Nirenberg e Matthaei usarono il suo estratto acellulare di E.coli per ricavare il CODICE GENETICO. Scoprì anche l’mRNA antisenso che blocca la traduzione proteica.

Dal 1993 studiò nuovi farmaci basati sull’idea dei bloccanti anti-senso.He passed away in 2009.

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Marshall Nirenberg, USA, 1927-2010 Marshall Nirenberg, USA, 1927-2010

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Zoologo ed ecologista USA, si interessò al CODICE GENETICO. Insieme a Matthaei sintetizzò il primo polinucleotide sintetico, il poliU, dal quale ricavò la fenilalanina: era il primo tassello della decifrazione del CODICE. In seguito sintetizzarono altri polinucleotidi omogenei (poli A, poli,C, poli G) e eterogenei (poli AAG, poli GCC ecc). Scoprì la ridondanza di alcuni amminoacidi (degenerazione del codice) e I “segni di punteggiatura” (codoni INIZIO e STOP).Comprese anche l’universalità del codice per tutte le specie, tranne poche eccezioni.Nobel 1968 per la fisiologia e la medicina con Khorana e Holley (il primo a

determinare sequenza e struttura di un tRNA). Studiò anche il sistema nervoso della Drosophila, il trasporto degli zuccheri nelle cellule tumorali.

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Har Gobind Khorana, India-USA, 1922-2011 Har Gobind Khorana, India-USA, 1922-2011

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Biochimico, studiò il codice genetico e partendo dal poli CU ottenne una definitiva dimostrazione del fatto che il codice fosse a triplette. Abbinò la tripletta CUC all’aa. Leucina e UCU alla Serina. Poi proseguì con altre triplette fino alla completa decifrazione del codice.Gli fu assegnato il Nobel con Nirenberg e Holley, per il loro lavoro indipendente "for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis,"

In seguito al MIT di Boston riuscì a produrre il primo gene artificiale in un batterio, più tardi sintetizzò il gene della rodopsina, una proteina della retina dell’occhio umano, e a scoprire le mutazioni di questo gene che conducono alla retinite pigmentosa. Il suo lavoro fu fondamentale per i successivi sviluppi dell’ingegneria genetica.

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mRNA e codice geneticomRNA e codice genetico

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Nirenberg and Khorana did not know the sequence of their synthetic mRNAs. They deduced the sequence by varying the amounts of nucleotides added and calculating the probability of making specific codon sets

Perché esiste la ridondanza nel codice genetico, ossia perché il codice è degenerato? Non era preferibile che la natura lasciasse non codificanti i codoni extra? la risposta è più avanti…

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Il codice geneticoIl codice genetico

UUU FenilalaninaPHE

UCU

SerinaSER

UAU TiroxinaTYR

UGU CisteinaCYSUUC UCC UAC UGC

UUA

LeucinaLEU

UCA UAASTOP

UGA STOP

UUG UCG UAG UGG Triptofano TRP

CUU CCU

ProlinaPRO

CAU IstidinaHIS

CGU

ArgininaARG

CUC CCC CAC CGC

CUA CCA CAA GlutamminaGLN

CGA

CUG CCG CAG CGG

AUUIsoleucina

ILE

ACU

TreoninaTHR

AAU AsparaginaASN

AGU SerinaSERAUC ACC AAC AGC

AUA ACA AAALisinaLYS

AGAArginina

ARGAUGCodone inizio

ACG AAG AGG

GUU

ValinaVAL

GCU

AlaninaALA

GAU Ac.AsparticoASP

GGU

GlicinaGLY

GUC GCC GAC GGC

GUA GCA GAA Ac.glutammicoGLU

GGA

GUG GCG GAG GGG

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Ridondanza o degenerazione del codice Ridondanza o degenerazione del codice geneticogenetico

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Sono codificati da:6 codoni - arginina, leucina, serina.4 codoni – alanina, glicina, treonina, prolina, valina3 codoni – isoleucina1 codone – metionina (inizio) e triptofano, 2 codoni – tutti gli altri

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L’elevata degenerazione del codice può essere interpretata come un meccanismo di protezione contro le mutazioni di singole basi che fanno assumere ad una tripletta un significato diverso da quello originario, compreso il significato di stop. Se una mutazione produce uno stop (probabilità 1/20) è rischioso perché si interrompe la sintesi della proteina.Gi aminoacidi più degenerati sono più frequentemente presenti nelle proteine, quindi più protetti dal rischio di mutazione.Quelli con uno o pochi codoni sono più rari nelle proteine.

La terza posizione del codone viene detta posizione di “wobble” (tentenamento). In questa posizione, gli U e le C possono essere letti come G nell’anticodone nel tRNA. Allo stesso modo, le A e le G possono essere lette come U o Y (pseudouridina) nell’anticodone.

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Se il tRNA contiene una Inosina nell’anticodone in wobble il tRNA può leggere codoni nel mRNA che hanno A, U oppure C nellaterza posizione. Nella figura è rappresentato l’esempio della Glicina (Gly)

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Molecola di tRNA con l’anticodone di riconoscimento del codone di mRNA nel codice genetico.

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Non sovrapponibiltà delle triplette del codice genetico.

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Risposta al quesito sulla degenerazione del codice in una proteina.Gi aminoacidi più degenerati sono più frequentemente presenti nelle proteine, quindi più protetti dal rischio di mutazione. Quelli con uno o pochi codoni sono generalmente più rari nelle proteine.

Ser 3Leu 6Arg 1

Ala 1Gly 4Thr 2Pro 1Val 3Ile 2Cys 6(3 ponti S-S)Trp Met