Obiettivi di Apprendimento
- Descrivere la struttura biochimica di deoxyribonucleotides
- Identificare le coppie di base utilizzato nella sintesi di deoxyribonucleotides
- Spiegare il perché della doppia elica del DNA è descritto come antiparallelo
Nel Metabolismo Microbico, abbiamo discusso tre classi di macromolecole: proteine, lipidi e carboidrati. In questo capitolo, discuteremo una quarta classe di macromolecole: acidi nucleici., Come altre macromolecole, gli acidi nucleici sono composti da monomeri, chiamati nucleotidi, che sono polimerizzati per formare grandi filamenti. Ogni filamento di acido nucleico contiene alcuni nucleotidi che appaiono in un certo ordine all’interno del filamento, chiamato la sua sequenza di base. La sequenza di base dell’acido desossiribonucleico (DNA) è responsabile del trasporto e del mantenimento delle informazioni ereditarie in una cellula., Nei Meccanismi della genetica microbica, discuteremo in dettaglio i modi in cui il DNA usa la propria sequenza di base per dirigere la propria sintesi, così come la sintesi di RNA e proteine, che a sua volta dà origine a prodotti con struttura e funzione diverse. In questa sezione, discuteremo la struttura di base e la funzione del DNA.
Nucleotidi del DNA
Gli elementi costitutivi degli acidi nucleici sono nucleotidi. I nucleotidi che compongono il DNA sono chiamati desossiribonucleotidi., I tre componenti di un desossiribonucleotide sono uno zucchero a cinque atomi di carbonio chiamato desossiribosio, un gruppo fosfato e una base azotata, una struttura ad anello contenente azoto che è responsabile dell’accoppiamento di base complementare tra filamenti di acido nucleico (Figura 1). Gli atomi di carbonio del desossiribosio a cinque atomi di carbonio sono numerati 1ʹ, 2., 3., 4 5 e 5. (1 is è letto come “un primo”). Un nucleoside comprende lo zucchero a cinque atomi di carbonio e la base azotata.
Figura 1., (a) Ogni desossiribonucleotide è costituito da uno zucchero chiamato desossiribosio, un gruppo fosfato e una base azotata—in questo caso, adenina. (b) I cinque carboni all’interno del desossiribosio sono designati come 1ʹ, 2., 3., 4. e 5..
Il desossiribonucleotide è chiamato secondo le basi azotate (Figura 2). Le basi azotate adenina (A) e guanina (G) sono le purine; hanno una struttura a doppio anello con un anello a sei atomi di carbonio fuso ad un anello a cinque atomi di carbonio. Le pirimidine, citosina (C) e timina (T), sono basi azotate più piccole che hanno solo una struttura ad anello a sei atomi di carbonio.,
Figura 2. Le basi azotate all’interno del DNA sono classificate nelle purine adenina e guanina a due anelli e nelle pirimidine a un anello citosina e timina. La timina è unica nel DNA.
I singoli trifosfati nucleosidici si combinano tra loro mediante legami covalenti noti come legami fosfodiesterici 5 3-3 bonds, o legami per cui il gruppo fosfato attaccato al carbonio 5 carbon dello zucchero di un nucleotide si lega al gruppo idrossilico del carbonio 3ʹ dello zucchero del nucleotide successivo., Il legame fosfodiestere tra i nucleotidi forma la spina dorsale zucchero-fosfato, la struttura alternata zucchero-fosfato che compone la struttura di un filamento di acido nucleico (Figura 3). Durante il processo di polimerizzazione vengono utilizzati trifosfati deossinucleotidici (dNTP). Per costruire la spina dorsale zucchero-fosfato, i due fosfati terminali vengono rilasciati dal dNTP come pirofosfato. Il filamento risultante di acido nucleico ha un gruppo fosfato libero all’estremità del carbonio 5 e un gruppo idrossile libero all’estremità del carbonio 3., I due gruppi fosfato inutilizzati dal nucleotide trifosfato vengono rilasciati come pirofosfato durante la formazione del legame fosfodiesterico. Il pirofosfato viene successivamente idrolizzato, rilasciando l’energia utilizzata per guidare la polimerizzazione nucleotidica.
Figura 3. Si formano legami fosfodiesterici tra il gruppo fosfato attaccato al 5 carbon carbonio di un nucleotide e il gruppo idrossile del 3 carbon carbonio nel nucleotide successivo, determinando la polimerizzazione dei nucleotidi in filamenti di acido nucleico. Notate le estremità 5 e 3 di questo filamento di acido nucleico.,
Pensaci
- Cosa si intende per le estremità 5 e 3 di un filamento di acido nucleico?
Alla scoperta della doppia elica
All’inizio degli anni 1950, si erano accumulate notevoli prove che indicavano che il DNA era il materiale genetico delle cellule, e ora la gara stava per scoprire la sua struttura tridimensionale., In questo periodo, il biochimico austriaco Erwin Chargaff (1905-2002) ha esaminato il contenuto di DNA in diverse specie e ha scoperto che adenina, timina, guanina e citosina non sono state trovate in quantità uguali e che variava da specie a specie, ma non tra individui della stessa specie. Ha scoperto che la quantità di adenina era molto vicina a eguagliare la quantità di timina e la quantità di citosina era molto vicina a eguagliare la quantità di guanina, o A = T e G = C. Queste relazioni sono anche note come regole di Chargaff.,
Figura 4. Il modello di diffrazione a raggi X del DNA mostra la sua natura elicoidale. (credit: National Institutes of Health)
Altri scienziati sono stati anche attivamente esplorando questo campo durante la metà del 20 ° secolo. Nel 1952, lo scienziato americano Linus Pauling (1901-1994) era il principale chimico strutturale del mondo e favorito per risolvere la struttura del DNA., Pauling aveva scoperto in precedenza la struttura delle eliche α della proteina, usando la diffrazione dei raggi X e, basandosi sulle immagini di diffrazione dei raggi X del DNA fatte nel suo laboratorio, propose un modello a triplo filamento di DNA. Allo stesso tempo, i ricercatori britannici Rosalind Franklin (1920-1958) e il suo studente laureato R. G. Gosling stavano anche usando la diffrazione dei raggi X per capire la struttura del DNA (Figura 4). È stata la competenza scientifica di Franklin che ha portato alla produzione di immagini di diffrazione a raggi X più ben definite del DNA che mostrerebbero chiaramente la struttura complessiva a doppia elica del DNA.,
James Watson (1928–), uno scienziato americano, e Francis Crick (1916-2004), uno scienziato britannico, stavano lavorando insieme nel 1950 per scoprire la struttura del DNA. Hanno usato le regole di Chargaff e le immagini di diffrazione a raggi X di Franklin e Wilkins delle fibre di DNA per mettere insieme l’accoppiamento purina-pirimidina della molecola di DNA a doppia elica (Figura 5). Nell’aprile del 1953, Watson e Crick pubblicarono il loro modello della doppia elica del DNA su Nature. Lo stesso numero includeva inoltre articoli di Wilkins e colleghi, ognuno dei quali descriveva diversi aspetti della struttura molecolare del DNA., Nel 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ricevettero il premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina. Sfortunatamente, a quel punto Franklin era morto e i premi Nobel all’epoca non furono assegnati postumi. Il lavoro è continuato, tuttavia, sull’apprendimento della struttura del DNA. Nel 1973, Alexander Rich (1924-2015) e colleghi sono stati in grado di analizzare i cristalli di DNA per confermare e chiarire ulteriormente la struttura del DNA.
Figura 5., Nel 1953, James Watson e Francis Crick costruirono questo modello della struttura del DNA, mostrato qui in mostra al Museo della Scienza di Londra.
Pensaci
- A quali scienziati viene data la maggior parte del merito di descrivere la struttura molecolare del DNA?
Struttura del DNA
Watson e Crick hanno proposto che il DNA è costituito da due filamenti che sono attorcigliati l’uno intorno all’altro per formare un’elica destrorsa. I due filamenti di DNA sono antiparalleli, in modo tale che l’estremità 3 di un filamento faccia l’estremità 5 dell’altro (Figura 6)., L’estremità 3 di ciascun filo ha un gruppo idrossilico libero, mentre l’estremità 5 di ciascun filo ha un gruppo fosfato libero. Lo zucchero e il fosfato dei nucleotidi polimerizzati formano la spina dorsale della struttura, mentre le basi azotate sono impilate all’interno. Queste basi azotate all’interno della molecola interagiscono tra loro, accoppiando la base.
L’analisi dei modelli di diffrazione del DNA ha determinato che ci sono circa 10 basi per turno nel DNA., La spaziatura asimmetrica delle dorsali zucchero-fosfato genera solchi maggiori (dove la spina dorsale è lontana) e solchi minori (dove la spina dorsale è vicina) (Figura 6). Questi solchi sono luoghi in cui le proteine possono legarsi al DNA. Il legame di queste proteine può alterare la struttura del DNA, regolare la replicazione o regolare la trascrizione del DNA in RNA.
Figura 6. Watson e Crick hanno proposto il modello a doppia elica per il DNA., (a) Le dorsali di zucchero-fosfato si trovano all’esterno della doppia elica e le purine e le pirimidine formano i “pioli” della scala dell’elica del DNA. (b) I due filamenti di DNA sono antiparalleli tra loro. c) La direzione di ciascun filamento è identificata numerando i carboni (da 1 a 5) in ciascuna molecola di zucchero. L’estremità 5 è quella in cui il carbonio # 5 non è legato ad un altro nucleotide; l’estremità 3 è quella in cui il carbonio #3 non è legato ad un altro nucleotide.
L’accoppiamento di base avviene tra una purina e una pirimidina., Nel DNA, adenina (A) e timina (T) sono coppie di basi complementari, e citosina (C) e guanina (G) sono anche coppie di basi complementari, spiegando le regole di Chargaff (Figura 7). Le coppie di basi sono stabilizzate da legami idrogeno; adenina e timina formano due legami idrogeno tra di loro, mentre citosina e guanina formano tre legami idrogeno tra di loro.
Figura 7. I legami idrogeno si formano tra basi azotate complementari all’interno del DNA.,
In laboratorio, esponendo i due filamenti di DNA della doppia elica a temperature elevate o a determinate sostanze chimiche, è possibile rompere i legami idrogeno tra basi complementari, separando così i filamenti in due singoli filamenti separati di DNA (DNA a filamento singolo ). Questo processo è chiamato denaturazione del DNA ed è analogo alla denaturazione delle proteine, come descritto nelle proteine. I fili di ssDNA possono anche essere rimessi insieme come DNA a doppio filamento (dsDNA), attraverso la riannealing o la renaturazione mediante raffreddamento o rimozione dei denaturanti chimici, consentendo a questi legami idrogeno di riformarsi., La capacità di manipolare artificialmente il DNA in questo modo è alla base di diverse importanti tecniche biotecnologiche (Figura 8). A causa del legame aggiuntivo di idrogeno tra la coppia di basi C = G, il DNA con un alto contenuto di GC è più difficile da denaturare rispetto al DNA con un contenuto di GC inferiore.
Figura 8. In laboratorio, la doppia elica può essere denaturata al DNA a filamento singolo attraverso l’esposizione al calore o alle sostanze chimiche e quindi rinaturata attraverso il raffreddamento o la rimozione di denaturanti chimici per consentire ai filamenti di DNA di reanneal., (credito: modifica del lavoro di Hernández-Lemus E, Nicasio-Collazo LA, Castañeda-Priego R)
Pensaci
- Quali sono le due coppie di basi complementari del DNA e come sono legate insieme?
Funzione del DNA
Il DNA memorizza le informazioni necessarie per costruire e controllare la cellula. La trasmissione di queste informazioni dalle cellule madre alla figlia è chiamata trasferimento genico verticale e avviene attraverso il processo di replicazione del DNA., Il DNA viene replicato quando una cellula fa una copia duplicata del suo DNA, quindi la cellula si divide, con conseguente distribuzione corretta di una copia di DNA a ciascuna cellula risultante. Il DNA può anche essere degradato enzimaticamente e utilizzato come fonte di nucleosidi e nucleotidi per la cellula. A differenza di altre macromolecole, il DNA non svolge un ruolo strutturale nelle cellule.
Pensaci
- In che modo il DNA trasmette informazioni genetiche alla prole?,
Aprendo la strada alle donne nelle professioni scientifiche e sanitarie
Storicamente, le donne sono state sottorappresentate nelle scienze e nella medicina e spesso i loro contributi pionieristici sono passati relativamente inosservati. Ad esempio, sebbene Rosalind Franklin abbia eseguito gli studi di diffrazione a raggi X che dimostrano la struttura a doppia elica del DNA, sono Watson e Crick che sono diventati famosi per questa scoperta, basandosi sui suoi dati., Rimane ancora una grande controversia sul fatto che la loro acquisizione dei suoi dati fosse appropriata e se i conflitti di personalità e il pregiudizio di genere abbiano contribuito al riconoscimento ritardato dei suoi contributi significativi. Allo stesso modo, Barbara McClintock ha svolto un lavoro pionieristico nella genetica del mais (mais) dagli anni ’30 agli anni’ 50, scoprendo trasposoni (geni che saltano), ma non è stata riconosciuta fino a molto più tardi, ricevendo un premio Nobel per la fisiologia o la medicina nel 1983 (Figura 9).
Oggi le donne rimangono ancora sottorappresentate in molti campi della scienza e della medicina., Mentre più della metà dei titoli di laurea in scienze sono assegnati alle donne, solo il 46% dei titoli di dottorato in scienze sono assegnati alle donne. Nel mondo accademico, il numero di donne ad ogni livello di avanzamento di carriera continua a diminuire, con le donne che detengono meno di un terzo delle posizioni di scienziati di livello di dottorato in posizioni di tenure-track, e meno di un quarto delle cattedre complete in college e università di 4 anni., Anche nelle professioni sanitarie, come quasi tutti gli altri campi, le donne sono spesso sottorappresentate in molte carriere mediche e guadagnano significativamente meno delle loro controparti maschili, come mostrato in uno studio del 2013 pubblicato dal Journal of the American Medical Association.
Perché tali disparità continuano ad esistere e come interrompiamo questi cicli? La situazione è complessa e probabilmente deriva dalla combinazione di vari fattori, tra cui il modo in cui la società condiziona i comportamenti delle ragazze fin dalla giovane età e sostiene i loro interessi, sia professionalmente che personalmente., Alcuni hanno suggerito che le donne non appartengono al laboratorio, tra cui il premio Nobel Tim Hunt, i cui commenti pubblici del 2015 che suggeriscono che le donne sono troppo emotive per la scienza sono stati accolti con una condanna diffusa.
Forse le ragazze dovrebbero essere supportate di più fin dalla giovane età nei settori della scienza e della matematica (Figura 9). I programmi di scienza, tecnologia, ingegneria e matematica (STEM) sponsorizzati dall’American Association of University Women (AAUW) e dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) sono eccellenti esempi di programmi che offrono tale supporto., I contributi delle donne nella scienza dovrebbero essere resi noti più ampiamente al pubblico e il marketing mirato alle ragazze dovrebbe includere più immagini di scienziate e professionisti medici di successo storicamente e professionalmente, incoraggiando tutte le giovani menti brillanti, comprese le ragazze e le donne, a perseguire carriere nel campo della scienza e della medicina.
Figura 9. (a) Il lavoro di Barbara McClintock sulla genetica del mais negli 1930 attraverso 1950 ha portato alla scoperta di trasposoni, ma il suo significato non è stato riconosciuto al momento., (b) Gli sforzi per orientare in modo appropriato e fornire un sostegno sociale continuo alle donne nel campo della scienza e della medicina potrebbero un giorno contribuire ad alleviare alcune delle questioni che impediscono la parità di genere a tutti i livelli nel campo della scienza e della medicina. (credito a: modifica del lavoro di Smithsonian Institution; credito b: modifica del lavoro di Haynie SL, Hinkle AS, Jones NL, Martin CA, Olsiewski PJ, Roberts MF)
Focus clinico: Aamir, Parte 2
Questo esempio continua la storia di Aamir che ha iniziato a usare la microbiologia per scoprire i segreti della vita.,
In base ai suoi sintomi, il medico di Aamir sospetta che soffra di una malattia di origine alimentare che ha acquisito durante i suoi viaggi. Le possibilità includono infezioni batteriche (ad esempio, enterotossigenic E. coli, Vibrio cholerae, Campylobacter jejuni, Salmonella), infezioni virali (rotavirus o norovirus) o infezioni da protozoi (Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum o Entamoeba histolytica).
Il suo medico ordina un campione di feci per identificare possibili agenti causali (ad esempio, batteri, cisti) e per cercare la presenza di sangue perché alcuni tipi di agenti infettivi (come C., jejuni, Salmonella ed E. histolytica) sono associati alla produzione di feci sanguinolente.
Il campione di feci di Aamir non ha mostrato né sangue né cisti. Dopo l’analisi del suo campione di feci e sulla base della sua recente storia di viaggio, il medico ospedaliero sospettò che Aamir soffrisse di diarrea del viaggiatore causata da E. coli enterotossigenico (ETEC), l’agente eziologico della maggior parte della diarrea del viaggiatore., Per verificare la diagnosi e escludere altre possibilità, il medico di Aamir ha ordinato un test di laboratorio diagnostico del suo campione di feci per cercare sequenze di DNA che codificano specifici fattori di virulenza di ETEC. Il medico ha incaricato Aamir di bere molti liquidi per sostituire ciò che stava perdendo e lo ha dimesso dall’ospedale.
ETEC produce diversi fattori di virulenza codificati con plasmidi che lo rendono patogeno rispetto al tipico E. coli. Questi includono le tossine secrete calore-labile enterotossina (LT) e calore-stabile enterotossina (ST), così come fattore di colonizzazione (CF)., Sia LT che ST causano l’escrezione di ioni cloruro dalle cellule intestinali al lume intestinale, causando una conseguente perdita di acqua dalle cellule intestinali, con conseguente diarrea. CF codifica una proteina batterica che aiuta a permettere al batterio di aderire al rivestimento dell’intestino tenue.
- Perché il medico di Aamir ha utilizzato l’analisi genetica invece dell’isolamento dei batteri dal campione di feci o della macchia di grammo diretta del solo campione di feci?
Torneremo all’esempio di Aamir nelle pagine successive.,
Concetti chiave e sommario
- Gli acidi nucleici sono composti da nucleotidi, ognuno dei quali contiene uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata. I desossiribonucleotidi all’interno del DNA contengono desossiribosio come zucchero pentoso.
- Il DNA contiene le pirimidine citosina e timina e le purine adenina e guanina.
- I nucleotidi sono collegati tra loro da legami fosfodiesterici tra il gruppo 5 phosphate fosfato di un nucleotide e il gruppo 3 hydrox idrossile di un altro., Un filamento di acido nucleico ha un gruppo fosfato libero all’estremità 5 e un gruppo idrossile libero all’estremità 3.
- Chargaff ha scoperto che la quantità di adenina è approssimativamente uguale alla quantità di timina nel DNA e che la quantità di guanina è approssimativamente uguale alla citosina. Queste relazioni sono state successivamente determinate per essere dovute all’accoppiamento di base complementare.
- Watson e Crick, basandosi sul lavoro di Chargaff, Franklin e Gosling e Wilkins, proposero il modello a doppia elica e l’accoppiamento di base per la struttura del DNA.,
- Il DNA è composto da due filamenti complementari orientati antiparalleli l’uno all’altro con le dorsali del fosfodiestere all’esterno della molecola. Le basi azotate di ciascun filo si fronteggiano e le basi complementari si legano l’una all’altra, stabilizzando la doppia elica.
- Il calore o le sostanze chimiche possono rompere i legami idrogeno tra basi complementari, denaturando il DNA. Il raffreddamento o la rimozione di sostanze chimiche può portare alla rinaturazione o alla riannealing del DNA consentendo ai legami idrogeno di riformarsi tra basi complementari.,
- DNA memorizza le istruzioni necessarie per costruire e controllare la cellula. Questa informazione viene trasmessa dal genitore alla prole attraverso il trasferimento genico verticale.
Scelta multipla
Quale dei seguenti elementi non si trova all’interno del DNA?
- timina
- legami fosfodiesterici
- accoppiamento di base complementare
- aminoacidi
Se il 30% delle basi all’interno di una molecola di DNA sono adenina, qual è la percentuale di timina?
- 20%
- 25%
- 30%
- 35%
Quale delle seguenti affermazioni sull’accoppiamento di base nel DNA non è corretta?
- Purine sempre coppie di basi con pirimidine.
- L’adenina si lega alla guanina.
- Le coppie di basi sono stabilizzate da legami idrogeno.,
- L’accoppiamento di base avviene all’interno della doppia elica.
Se un filamento di DNA contiene la sequenza 5 ATT-ATTCCGGATCGA-3 which, quale delle seguenti è la sequenza del filamento complementare del DNA?
- 5ʹ-TAAGGCCTAGCT-3ʹ
- 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ
- 3ʹ-TAACCGGTACGT-5ʹ
- 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ
Durante la denaturazione del DNA, quale dei seguenti accade?
- I legami idrogeno tra basi complementari si rompono.
- I legami fosfodiesterici si rompono all’interno della spina dorsale zucchero-fosfato.
- I legami idrogeno all’interno della spina dorsale zucchero-fosfato si rompono.
- I legami fosfodiesterici tra basi complementari si rompono.
Riempire il vuoto
La fine di un filo di acido nucleico con un gruppo fosfato libero è chiamata ________.
True/False
Il lavoro di Rosalind Franklin e R. G. Gosling è stato importante per dimostrare la natura elicoidale del DNA.,
La coppia di basi A-T ha più legame idrogeno rispetto alla coppia di basi C-G.
Pensaci
- Qual è il ruolo dei legami fosfodiesterici all’interno della spina dorsale zucchero-fosfato del DNA?
- Cosa si intende con il termine “antiparallelo?”
- Perché il DNA con un alto contenuto di GC è più difficile da denaturare rispetto a quello con un basso contenuto di GC?,
- Nel considerare la struttura della doppia elica del DNA, come ti aspetteresti che la struttura differisca se ci fosse un accoppiamento di base tra due purine? Tra due pirimidine?
- Un certo campione di DNA è trovato per avere un trucco costituito da 22% timina. Utilizzare le regole di Chargaff per compilare le percentuali per le altre tre basi azotate.,
| base | adenine | guanine | thymine | cytosine |
|---|---|---|---|---|
| % | 22% |
