7-L2_AcidiNucleici

7/30/2019 7-L2_AcidiNucleici

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Struttura e funzione degli acidi nucleici

materiale didattico disponibile su

http://homepage.sns.it/tozzini/didattica.html

SommarioSommario

Tipi e funzioni degli acidi nucleici Struttura primaria

Struttura secondaria Struttura terziaria superavvolgimenti nel DNA tipiche strutture e tipi di RNA

Struttura quaternaria nucleosomi e cromatina

ribosomi nanostrutture di acidi nucleici


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energetiche

strutturalienzimaticheregolatriciInformative (conservazione etrasmissione del genoma)

monomeri

eteropolimeristrutture complesse

C O H N Pacidi

nucleici

energetiche

strutturalienzimatichetrasportoprotezioneregolatriciInformative (proteoma)

monomeri

eteropolimeristrutture complesse

C O H N S

(P Ca Na Cl )

Proteine

energetichestrutturali

monomeristrutture complesse

C O H Plipidi

energetiche

strutturali

monomeri

oligomeriomopolimeri

C O Hcarboidrati

funzionistrutturacomposizione


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DNA DeoxyriboNucleic Acidinformation storage and transmissionstructural functions

RNA RiboNucleic Acidregulation roles in the transcription, translation, replicationcatalysis and other functional rolesstructural functioninformation storage (in some viruses) and transfer

Ancestral RNA world?Ancestral RNA world?Why DNA and RNA have so different functions?

Which are the structural features that make them so different?

Other types of NA (Artificial, used for DNA manipulation)

PeptideNA

GlycerolNA

ThreoseNA morpholino

LockedNA


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Struttura e funzione degli acidi nucleici ComponentsComponents

Nucleic acidsNucleic acids = hetero-poly-nucleotides

NucleotidesNucleotides= pyrimidin(purin)pyrimidin(purin)-(2(2deoxy)ribosildeoxy)ribosil--monophosphatemonophosphate= nucleoside--monophosphatemonophosphate

NucleosidesNucleosides = pyrimidinpyrimidin((purinpurin))-(2(2deoxy)ribosedeoxy)ribose

In RNA, rarely, inosine, pseudouridine,ribothymine by post-transcriptionalmodifications


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Funzione energetica dei nucleotidi: ATP-ADP-AMP

ATP + H2O ADP + Pi G = 7.3 kcal/mol

ATP + H2O AMP + PPi G = 10.9 kcal/mol

Pi=fosfatoPO4

3-PPi=pirofosfatoP2O7

4-

Lidrolisi di ATP in ADP(AMP) libera grandi quantitdi energia, ed una reazionerelativamente semplice lATP tra le pi diffusemonete di scambioenergetico nei viventi

G dipende dallaconcentrazione e condizioniambientali della cellulamediamente 14 kcal/mol


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Polynucleotide (N) + nucleoside triphosphate pyrophosphate

Polymerization reactionPolymerization reaction

+

+ energy+ energy

(~6kcal/mole)(~6kcal/mole)

+ Polynucleotide (N+1)

Phosphodiester linkage(3C and 5C = esterification positions of doxy-ribose)

The polynucleotide

is stable versus nucleoside-triphosphates

has a net negative charge macroscopic structure stronglydependent on the hydration / ionic strength of the solution

has a directionality: sense(+) or antisense(-) exist


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Struttura e funzione degli acidi nucleici HydrolysisHydrolysis

The polynucleotide is meta-stable versus the hydrolysis in nucleotides,although the activation barrier is very high for DNA, which is consideredstableAn example of the fact that the cell is an out of equilibrium systemTransient dynamical equilibria are maintained by a continuous incomingenergy flow

H2O

H2O

+ + energy (~20 kcal/mole)+ energy (~20 kcal/mole)

OH

OH OH

The activation barrier is lower for RNA due to the OH group RNA isless stable Much shorter chains


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Struttura e funzione degli acidi nucleici The genetic codeThe genetic code

The primary structure (sequence) contains the information to build the sequence ofamino-acids (proteins) genome proteomeThe information is codified in triplets of bases (codons)

The information is redundant protection against mutations

Both RNA and DNA can beused to store information, butDNA is more safe, due to thepresence of the double helixand to the larger stability it

is dominantly used by almostall the self-replicating systemsIn both cases, the RNA isused for the protein synthesis,thus the DNA must be firstcopied into RNA to be used(transcription)


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Struttura e funzione degli acidi nucleici SecondarySecondary strstr- Base pairing- Base pairing

WC pairingA-T and C-G

RNARNA

WC pairingA-U and C-G

Inosine

Wooble pairing

Hoogsten pairing

DNADNA

2 h-bonds

3 h-bondsRNARNA

DNA-RNADNA-RNA


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Struttura e funzione degli acidi nucleici Double helicesDouble helices

A-DNAA-DNARNARNA

B-DNAB-DNA

3-endo

2-endo

Sugar in 3-endo conformation

The only possible double helix conformation inRNA, that is, however, usually found in singleshort strandsin DNA:

at high salt concentration or low hydration

for specific sequences (homo-purine orpyrimidine segments) when DNA interacts with proteins orRNA

Larger and shorterMore rigid

Sugar in 2-endo conformation

The typical DNA conformation, in normalhydration and salt conditions, for averagecompositionsLong and thinMajor and minor grooves clearlydistinguishableMore prone to bending


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Struttura e funzione degli acidi nucleici alternative helixalternative helix confconf

Z-DNAZ-DNA

Only in DNA, for alternate purine-pirimidine seqLong and thinZig-zag backboneAlternate exo-endo C2Alternate syn-anti orientation of

bases

Triple helicesTriple helices

DNA, RNA and hybrid RNA-DNAA-like conformation

Stabilized by WC and Hoogstenpairing

WC

Hoogsten

QuadruplexesQuadruplexes

DNA, RNA and hybrid RNA-DNAShort helix segments or junctionsStabilized by Hoogsten pairing


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Summary of helix geometriesSummary of helix geometries

Other helix conformations are possible, but rare

C, D, E, H, L, S, P -DNAC, D, E, H, L, S, P -DNATheir stability depends on the enviroment conditions and on the composition

A-DNA B-DNA Z-DNASenso dell'elica destrorso destrorso sinistrorsoUnit ripetuta 1 bp 1 bp 2 bpConformazione dello zucchero C3-endo C2-endo Pirimidine C2'-endo

Purine C2'-exoOrientazione delle basi anti anti Pirimidine: ant i

Purine: sy n Rotazione/bp 33.6 35.9 -60/2bpbp medie/giro 10.7 10.0 12Inclinazione delle bp rispetto all'asse +19 -1.2 -9

Passo/bp lungo l'asse 2.3 3.32 3.8 Passo/giro d'elica 24.6 33.2 45.6 Propeller twist medio +18 +16 0Diametro 25.5 23.7 18.4 Lunghezza di persistenza ~60 nm ~50 nm

< tx" t

x+ l>

x=< cos# >

x= exp($ l /P)

tx+l

tx

l

Persistence length = measure of the stiffnessPersistence length = measure of the stiffness


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Struttura e funzione degli acidi nucleici Double helix stabilityDouble helix stability

Variazione dellenergia libera di Gibbs per separazione dellelica (denaturazione)

"G = "H#T"S= 0

entalpia entropia

Tm=

"H

"S=

"H0

"S0+ R ln(C

t) + A

entalpia intrinseca

entropia intrinseca

Variazione di entropia dovuta alla concentrazione

Correzione per lauto-complementariet

Temperatura didenaturazione

I parametri delle funzioni e sono determinatisperimentalmente per DNA e RNA La temperatura di denaturazione pu essere calcolata per DNA e RNA di diverselunghezze e composizioni e in funzione della concentrazione

"S0(n

CG,n

TA)

"H0(n

CG,n

TA)

nCG

nTA

Nel modello primi vicini S0 e H0vengono calcolati assumendo che i contributidei singoli nucleotidi aggiunti alla catena siano semplicemente additivi e quindidipendono dal numero e tipo di coppie di basi


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Tm

aumenta con laumento dellapercentuale di coppie CG il legame CG pi forte del T(U)A, la differenza dovuta allegame H in pi

A parit di composizione, Tm maggiore percatene pi lunghe la denaturazione unprocesso cooperativo favorito dalla presenzadi estremit libere

A parit di composizione, Tm maggiore perRNA; inoltre RNA pi rigido la struttura3D di RNA pi stabile di quella di DNA, inaccordo con il fatto che RNA ha pi spessoruoli strutturali e funzionali di DNAInvece, la doppia elica di DNA pipropensa alla separazione in singoli filamenti,fatto necessario per nei processi direplicazione

Tm= 81.5 + 41(n

CG/n) " 500/n +16.6log(M)

Formula per DNA semplificata (per catene lunghe)

Ionic strength correction

n = nCG

+ nTA

Esa-nucleotide20-nucleotide500-nucleotide

RNADNA formula esatta

DNA formula semplificata


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Struttura e funzione degli acidi nucleici Other sec structuresOther sec structures

single strand

hairpin

Internal loops

bulges

junctions(even quintuples)

DNADNA

only and rarely thequadruple junctions

RNARNAall possible, and frequent


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Struttura e funzione degli acidi nucleici Tertiary structures:Tertiary structures:

DNA supercoilingDNA supercoiling

Twist T

= torsion around the axis

Writhe W

= contorsion ofthe axis

T and W both contribute to the global torsional stress of the molecule(linking number) L=T+W


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Plasmidi = tratti di DNA, solitamentecircolare, estracromosomici, capaci direplicazione autonoma, presenti in batteri

e animali superiori, codificanti proteine convarie funzioni, solitamente difensive

Nel DNA circolare L=T+W un invariantetopologico (costante)

se T rilassa verso il valore per unastruttura non ritorta, lasse deveattorcigliarsi (W cresce) supercoiling

Ma anche nel DNA non circolare, leestremit sono di solito fissateL=T+W=cost

Il supercoiling uniformemente diffuso. Adesempio, nella cromatina responsabile dell strutturasolenoidale

Supercoling nei plasmidiSupercoling nei plasmidi


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Struttura e funzione degli acidi nucleici SuperhelicalSuperhelical densitydensity

Superhelical density "= #L /L0

"L = L # L0

L=linking number = global number of turns unstressed value

"# $0.06The superhelical density assumes a universal value in plasmidsand in both eukaryotic and procariotic chromosomes This value has to have some functional property

and transcriptionand transcriptionNegative supercoilingNegative supercoiling favors denaturationfavors denaturation

F. Trovato et al 2008


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Supercoiling (positive or negative) is necessary for DNA compactionA positive value of supercoiling stabilizes the double helixA slightly negative value of the super-helical

density favors the double helix separationbalance between compaction and meta-stability of the double helix to aid thepolymerases action during transcription

=-0.06 is maintained by topoisomerases, thatbreak and rebuild the double helix when there

is excess torsional stress

WhyWhy =-0.06?=-0.06?


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Struttura e funzione degli acidi nucleici RNA tertiary structureRNA tertiary structure

Secondary structure motifs (double helices, hairpin bulges, singlestrands) are coupled by WC or non-WC base pairing

kissing loopskissing hairpins

pseudoknotknot

and fold in a stable and specific 3D shape

RNARNA

Stable shape makes possible

specific functionalityrecognitioncatalysisregulation

DNADNA

Rather fluctuating tertiary structure

Weak negative supercoiling

Delicate balance to maintain thedouble helix weakly metastable andfavor the strand separation


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Struttura e funzione degli acidi nucleici DNA replication

DNA double strands separate in single strandsEach single strand can be duplicated (replication) in acomplementary strand


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Struttura e funzione degli acidi nucleici EspressioneEspressione del DNAdel DNA

1.Trascrizione (transcription)

La RNA-polimerasi svolge e separa il DNA ecopia uno degli strand (template, -senso) in

RNA messaggero (mRNA) tramitecomplementariet WC mRNA ugualeallaltro strand (il codificante, +senso) appartela sostituzione UTDa ogni gene viene prodotto un singolo trattodi mRNA

2. Traduzione (translation)

Dopo uneventuale maturazione (solo neglieucarioti) lmRNA viene letto e decodificatodal Ribosoma, che procede anche alla sintesidella catena proteica

Nel processo di traduzione sono coinvolti diversi tipi di RNAmRNA: lungo singolo strand destrutturato che porta linformazione geneticatRNA (transfer RNA) piccolo strand strutturato che porta legato ad una estremitun amminoacidorRNA (RNA ribosomiale) che insieme a catene proteiche fa parte del ribosomastesso e ha ruoli funzionali


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Struttura e funzione degli acidi nucleici The ribosomeThe ribosome

Large subunit

Small subunit


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Struttura e funzione degli acidi nucleici Tertiary structures:Tertiary structures: tRNAtRNA

mRNA

anti-anti-codoncodon

amino-acidamino-acid

binding site

tRNA

ribosome

Codon= codifying triplet in mRNAAnticodon= complementary de-codifying triplet in tRNAThe tRNA binds the codon at one side and the amino-acid at the other sidetRNAtRNA is the decoding key of the genetic codeis the decoding key of the genetic code(correspondence between base triplets and amino-acids)

codon 35


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Struttura e funzione degli acidi nucleici RibozymesRibozymes

HDV ribozyme

hammerhead

hairpin

Function: (self-catalytic) sequence-specific breaking of the phosphodiesterbond by isomerization, not hydrolysisOccurrence: in virus, viroids, satellites


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RibonucleaseRibonuclease PPmaturates the precursor of tRNA

Self-splicingSelf-splicing intronintron

Present in pre-mRNAself catalyticallyseparates its own exons

In order to solve their functions, functional RNAsmust have a well defined 3D structure


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Ribosome RNA (Ribosome RNA (rRNArRNA))

Quaternary structure


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The ribosome quaternary structureThe ribosome quaternary structure

Size: About 25 nm

~ 50 chains(proteinsproteins ornucleic acids)


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NucleosomesNucleosomes and chromatinand chromatinCompaction occurs through a hierarchical organization


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ChromatinChromatin compaction-decompactioncompaction-decompactionChromatin is usually compacted in chromosomesBut needs to be sparse in the nucleus for the DNA

duplication to take place

The compacted/sparse transition isThe compacted/sparse transition isregulated by theregulated by the histoneshistones

The long histone tailshistone tails are chemically transformed

(acetylated, methylated ) by specific environmentalsignalsThe histones change their structure/properties andinduce DNA winding-unwindingThe chromatine change its compaction state


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Meccanismi distabilit-degradazione

Scarsa propensione allidrolisi dellacatena

Alta propensione allidrolisi della catena

Propensione a subire danni dai raggiUV

Suscettibilit di mutazione di C in U conformazioni di wooble pairs

Denaturazione Temperatura di denaturazione tra 30 e110 gradi, dipendentemente dalunghezza e composizione

A parit di lunghezza e composizione,temperatura di denaturazione mediamentepi alta di circa 10 gradi

Nucleotidi Fosfato + desossiribosio + baseazotata

Fosfato + ribosio + base azotata

Basi Adenina Guanina Timina Citosina Adenina Guanina Uracile Citosina InosinaStruttura primaria Catene molto lunghe, mediamente

intorno ai 100 milioni di bp (~3 cm)Catene relativamente corte, mediamente 20-100 nucleotidi

Tipo di accoppiamentitra basi

Principalmente accoppiamenti WC Accoppiamenti WC, wooble pairs,accoppiamenti di Hoogsten

Conformazione delbackbone

Zucchero in conformazione C2-endo (inBDNA) oppure in C3-endo (in ADNA)

Zucchero in conformazione esclusivamenteC3-endo

Eliche Conformazione principale: B-DNAA bassa idratazione: A-DNARaramente, Z-DNA

solo A-RNA

Lunghezza dipersistenza

~50nm ~60nm

Altri tipi di strutturasecondaria

Piccoli tratti di triple o quadruple elicheGiunzioni di Hoilyday

Tratti di elica disaccoppiata, hairpins,bulges, internal loops, giunzioni

DNA RNA

Riassunto delle differenze traRiassunto delle differenze tra DNA e RNADNA e RNA


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Struttura terziaria Superavvolgimenti Accoppiamenti estesi tra strutture

secondarie tramite base pairing, knot epseudoknot, eliche triple, accoppiamenti

paralleli tra eliche.

Struttura quaternaria Nucleosomi, Ribosomi,

Tipi principali-organizzazione

DNA codificante e non costituente ilgenoma, organizzato in cromosomi o

plasmidi

mRNA, tRNA, ribozimi e altri tipi di RNAfunzionale. RNA ribosomiale (rRNA). RNA

codificante in virus

Funzioni Conservazione e trasmissionedellinformazione genetica

Ruoli strutturali (centromeri, telomeri)

Conservazione e trasmissionedellinformazione in alcuni virus. Trasporto

dellinformazione allinterno della cellula(mRNA, tRNA).

Ruoli funzionali nella duplicazione,trascrizione, traduzione del DNA o di RNA

codificante, ruoli enzimatici (ribozimi) o altriruoli funzionali

( )

DNA RNA

lRNA forma strutture terziarie e quaternarie pi stabili che DNA adatto anche per ruoli funzionali e strutturali

Il DNA non ha strutture terziarie ben definite, ma ha catene molto pi lunghe e la doppia elica facilmente denaturabile

ottimizzato per mantenere e trasmenttere correttamente linformazione genetica possibile che i primi sistemi autoreplicanti fossero basati solo su RNA, che ricopriva ruoli energetici,

funzionali e di conservazione e trasmissione dellinformazioneIl DNA sarebbe successivamente evoluto dallRNA per migliorare le prestazioni relative almantenimento e trasmissione dell informazioneLe proteine sarebbero successivamente comparse come strumenti alternativi ottimizzati per i compitistrutturali e funzionaliAltre molecole senza capacit informative si sarebbero specializzate in ruoli energetici e strutturali


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Self-assembly (WC pairing recognition)Modularity

Nanobioelectronics, structural biosynthesis, nanostructuristics

DNA and RNADNA and RNAnanostructuresnanostructures


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DNADNAbased on a few struct motifs

RNARNAmore natural structural motifs


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