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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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
Ribosome RNA (Ribosome RNA (rRNArRNA))
Quaternary structure
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Struttura e funzione degli acidi nucleici
The ribosome quaternary structureThe ribosome quaternary structure
Size: About 25 nm
~ 50 chains(proteinsproteins ornucleic acids)
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Struttura e funzione degli acidi nucleici
NucleosomesNucleosomes and chromatinand chromatinCompaction occurs through a hierarchical organization
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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
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 e funzione degli acidi nucleici
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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Struttura e funzione degli acidi nucleici
Self-assembly (WC pairing recognition)Modularity
Nanobioelectronics, structural biosynthesis, nanostructuristics
DNA and RNADNA and RNAnanostructuresnanostructures
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Struttura e funzione degli acidi nucleici
DNADNAbased on a few struct motifs
RNARNAmore natural structural motifs
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Struttura e funzione degli acidi nucleici