Informazione

5.3: DNA e RNA - Biologia

5.3: DNA e RNA - Biologia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mentre DNA e RNA sono simili, hanno differenze molto distinte. La tabella 1 riassume le caratteristiche del DNA e dell'RNA.

Tabella 1. Caratteristiche di DNA e RNA
DNARNA
FunzioneTrasporta informazioni geneticheCoinvolto nella sintesi proteica
PosizioneRimane nel nucleoLascia il nucleo
StrutturaIl DNA è una “scala” a doppio filamento: spina dorsale zucchero-fosfato, con pioli di base.Di solito a filamento singolo
Zuccherodesossiribosioribosio
pirimidineCitosina, timinaCitosina, uracile
purineAdenina, guaninaAdenina, guanina

Un'altra differenza merita menzione. C'è solo un tipo di DNA. Il DNA è l'informazione ereditabile che viene trasmessa a ogni generazione di cellule; i suoi filamenti possono essere "decompressi" con una piccola quantità di energia quando il DNA deve replicarsi e il DNA viene trascritto in RNA. Esistono diversi tipi di RNA: L'RNA messaggero è una molecola temporanea che trasporta le informazioni necessarie per produrre una proteina dal nucleo (dove rimane il DNA) al citoplasma, dove si trovano i ribosomi. Altri tipi di RNA includono l'RNA ribosomiale (rRNA), l'RNA di trasferimento (tRNA), il piccolo RNA nucleare (snRNA) e il microRNA.

Anche se l'RNA è a singolo filamento, la maggior parte dei tipi di RNA mostra un ampio accoppiamento di basi intramolecolari tra sequenze complementari, creando una struttura tridimensionale prevedibile essenziale per la loro funzione.

Come hai appreso, il flusso di informazioni in un organismo avviene dal DNA all'RNA alle proteine. Il DNA detta la struttura dell'mRNA in un processo noto come trascrizione e l'RNA detta la struttura della proteina in un processo noto come traduzione. Questo è noto come il Dogma Centrale della Vita, che vale per tutti gli organismi; tuttavia, eccezioni alla regola si verificano in relazione alle infezioni virali.

In sintesi: DNA e RNA

Gli acidi nucleici sono molecole costituite da nucleotidi che dirigono attività cellulari come la divisione cellulare e la sintesi proteica. Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero pentoso, una base azotata e un gruppo fosfato. Esistono due tipi di acidi nucleici: DNA e RNA. Il DNA porta il progetto genetico della cellula e viene trasmesso dai genitori alla prole (sotto forma di cromosomi). Ha una struttura a doppia elica con i due filamenti che corrono in direzioni opposte, collegati da legami a idrogeno e complementari tra loro. L'RNA è a singolo filamento ed è costituito da uno zucchero pentoso (ribosio), una base azotata e un gruppo fosfato. L'RNA è coinvolto nella sintesi proteica e nella sua regolazione. L'RNA messaggero (mRNA) viene copiato dal DNA, viene esportato dal nucleo al citoplasma e contiene informazioni per la costruzione delle proteine. L'RNA ribosomiale (rRNA) è una parte dei ribosomi nel sito della sintesi proteica, mentre l'RNA di trasferimento (tRNA) trasporta l'amminoacido nel sito della sintesi proteica. Il microRNA regola l'uso dell'mRNA per la sintesi proteica.


No, davvero, i vaccini mRNA non influenzeranno il tuo DNA

La versione breve: Non esiste un modo plausibile in cui i vaccini mRNA possano alterare il tuo DNA. Violerebbe praticamente tutto ciò che sappiamo sulla biologia cellulare.

Recentemente, ho ricevuto un afflusso di domande su come possiamo davvero essere sicuri che i vaccini mRNA non influenzeranno il nostro DNA. Nel mio post precedente sull'argomento ho scritto:

Un'altra preoccupazione sollevata è stata l'idea che l'mRNA possa in qualche modo alterare il genoma dell'ospite. Sarebbe davvero fantastico ed enorme per la terapia genica (e potrei finalmente darmi le ali di pipistrello giganti che ho sempre desiderato) ma non è così. Questo è normalmente impossibile, tranne se è presente anche un enzima della trascrittasi inversa che produce DNA dallo stampo di RNA, che è il modo in cui funzionano i retrovirus. Non esiste tale rischio con nessun candidato al vaccino mRNA. I vaccini a mRNA agiscono interamente all'interno del citosol della cellula, non si avvicinano al nucleo dove si trova tutto il DNA. Questo è in realtà un grande vantaggio dei vaccini a base di RNA rispetto a quelli a DNA.

Ho dato questa risposta in gran parte perché ritenevo che la discussione dettagliata sulla trascrizione inversa, il traffico nucleare, la via endocitica e gli altri 11 circa argomenti avanzati di biologia cellulare che avrei dovuto invocare per dare una risposta rigorosa fosse troppo complessa essere di beneficio alla persona media che vuole semplicemente sapere se questo è possibile o meno. Tuttavia, ho avuto una raffica di domande sui "cosa succede se" relativi a retrovirus o epadnavirus (epatite B), e posso concedere che questa risposta non lo affronta, quindi qui cercherò di rispondere in modo esplicito e con una complessità minima come sono capace.

Per semplificare la discussione in modo da evitare di dover spiegare le fasi dei doppi strati fosfolipidici e la composizione molecolare della nanoparticella lipidica in relazione alla stabilità (discussa in 1, 2, 3, 4), chiederò ai lettori di dare per scontato che l'mRNA i vaccini vengono endocitati e liberati (e questo) nel citoplasma della cellula.

In primo luogo, affinché l'mRNA influenzi il tuo DNA, dobbiamo come minimo stabilire che avrebbe bisogno di accedere al DNA in questione. Ci sono due compartimenti subcellulari in cui questo può essere realizzato. Il primo è il nucleo, quindi iniziamo con una discussione sul traffico di merci nel nucleo. Il nucleo della cellula è un compartimento isolato con complessi di pori (NPC) che impongono limiti alla dimensione delle particelle che possono entrare liberamente. L'RNA viene facilmente trasportato quando la trascrizione avviene all'interno del nucleo, ma i ribosomi necessari per produrre le proteine ​​si trovano nel citosol o sul reticolo endoplasmatico ruvido. Questo processo è mediato da diverse proteine ​​accessorie che puoi vedere a sinistra. Si noti tuttavia che non esiste alcuna circostanza fisiologica in cui potrebbe essere necessario l'RNA dal citosol per essere trasportato al nucleo. L'RNA è sintetizzato all'interno del nucleo. I virus che hanno una fase nucleare nel loro ciclo di replicazione devono avere vari trucchi per poter consentire al loro carico utile di RNA di entrare. Sebbene l'RNA non sia facilmente trasportato nelle cellule, le proteine ​​possono esserlo. Ciò avviene tramite una rete di proteine ​​chiamate importine (vedere la figura 5-23C sopra). Le proteine ​​contenenti una sequenza di amminoacidi chiamata sequenza di localizzazione nucleare (NLS ce ne sono 2 comuni) sono in grado di legare le importine, che possono quindi trasportarle attraverso il complesso dei pori nucleari come mostrato a sinistra. I virus a RNA hanno spesso cicli di replicazione che non richiedono l'accesso al nucleo, ma ci sono alcune eccezioni. I virus dell'influenza, ad esempio, sono virus a RNA i cui genomi sono associati a ribonucleoproteine, e queste ribonucleoproteine ​​esprimono segnali di localizzazione nucleare che facilitano l'ingresso del loro RNA genomico nel nucleo. I vaccini a mRNA, d'altra parte, non sono associati a nessuna proteina. Una volta all'interno del citosol, l'mRNA è nudo ed esposto al duro ambiente di ribosomi ed esonucleasi che distruggono l'mRNA nel giro di poche ore (al massimo). Non esiste un meccanismo concepibile mediante il quale l'mRNA possa essere trasportato spontaneamente nel nucleo. Essendo costituito da nucleotidi, non può contenere una sequenza di localizzazione nucleare.

L'altro compartimento rilevante sarebbe il mitocondrio. I mitocondri sono in realtà batteri vestigiali con i loro genomi, e si pensa che miliardi di anni fa un antico batterio abbia cercato di consumare l'antenato dei mitocondri ma non avesse i macchinari per eseguire effettivamente la digestione e i due abbiano stabilito una relazione simbiotica. Da quel momento, i mitocondri sono stati una caratteristica essenziale della biologia delle nostre cellule. Ciò ha permesso ai mitocondri di sviluppare un genoma estremamente ridotto contenente solo 37 geni (la maggior parte dei geni rilevanti per la funzione mitocondriale sono ancora nel nucleo). I mitocondri hanno i loro ribosomi e persino il loro codice genetico (una specie di). Esiste anche un processo specializzato per l'eliminazione dei mitocondri malati chiamato mitofagia, che è oggetto di molte ottime recensioni, ad es. questo, questo e questo.

La conclusione collettiva dalla nostra comprensione di questi processi biologici è che un mRNA nudo nel citosol non ha il potenziale per finire in un compartimento cellulare che contiene il nostro DNA significa che, indipendentemente dalla presenza o assenza di altri fattori, non c'è possibilità di danno al DNA dal vaccino mRNA. Ma ancora la gente voleva chiedermi delle trascrittasi inverse, quindi discutiamo di quelle.

Il processo di passaggio dall'RNA al DNA (l'esatto opposto di ciò che impone il dogma centrale della biologia molecolare) è noto come trascrizione inversa, ed è effettuato con un enzima chiamato a trascrittasi inversa (che sono un gruppo di enzimi davvero interessante). In generale, la trascrizione inversa viene eseguita da alcune entità genetiche diverse: retrovirus, epadnavirus, telomeri, e retrotrasposoni. Questi sono da definire.

  • I retrovirus sono virus che hanno un genoma a RNA, dal quale creano una copia del DNA attraverso la trascrizione inversa che poi si integra nella cellula dell'ospite (con questo intendo, si inserisce letteralmente nel genoma della cellula ospite e ne diventa parte permanente, sotto forma di una sequenza chiamata a provirus). La stessa sequenza provirale può quindi essere trascritta nella cellula ospite per produrre proteine ​​e particelle virali che possono continuare a diffondersi alla cellula successiva. Il retrovirus più famoso è l'HIV-1.
  • Gli epadnavirus sono virus a DNA che hanno genomi gappati (c'è un filamento di DNA completo e un altro filamento di DNA parziale che è collegato a un RNA pregenomico) e, a differenza dei retrovirus, non si integrano nel genoma della cellula ospite che infettano. L'esempio più famoso è il virus dell'epatite B, per il quale esistono più vaccini efficaci.
  • I telomeri sono strutture presenti alle estremità dei cromosomi umani che sono mantenute da un complesso proteico chiamato telomerasi che utilizza una trascrittasi inversa chiamata TERT per mantenerli. Le ragioni per cui ciò è necessario sono discusse nella Figura 9-12 a sinistra. Normalmente sono lunghe circa 5-15 kilobasi e l'accorciamento provoca l'arresto della crescita e della replicazione cellulare (senescenza) o può persino innescare la morte cellulare per apoptosi.
  • I retrotrasposoni sono in realtà il componente più abbondante del nostro genoma. Il genoma umano contiene circa 21.000–27.000 geni (il numero che ottieni dipende dalla precisione con cui definisci un gene e dalla fonte che consulti), che abbracciano 40–48 milioni di paia di basi, ma questo rappresenta solo circa l'1,5% dei 3,2 miliardi coppie di basi totali. I retrotrasposoni rappresentano circa 2 miliardi di paia di basi. Esistono diversi tipi di retroelementi, che vale la pena discutere ulteriormente:

  1. SINEs (brevi elementi nucleari intercalati) che codificano brevi trascrizioni come i tRNA e non possono funzionare senza una proteina codificata LINE.
  2. Linee (lunghi elementi nucleari intercalati) che codificano una trascrittasi inversa formata dai geni ORF1 e pol che può copiare se stessa e altri elementi LINE e SINE in altre regioni del genoma.
  3. Circa il 5-8% del genoma umano è composto anche da retrovirus endogeni umani, HERV, che rientrano anche nella categoria dei retrotrasposoni, più precisamente LTR (lunghe ripetizioni del terminale) retrotrasposoni (più su questo a breve). Gli HERV contengono 3 geni: gag ("antigeni di gruppo", che codifica per una poliproteina che viene scissa nelle proteine ​​strutturali del retrovirus risultante), pol (la trascrittasi inversa necessaria per la replicazione del virus) e env (busta, che codifica per proteina che dà la forma alle particelle virali).
  4. Più in generale, il termine retroelemento si riferisce a sequenze genetiche che si sono spostate da una regione del genoma a un'altra tramite trascrizione inversa, e queste includono retrotrasposoni e pseudogeni elaborati. Pseudogeni elaborati si riferiscono alle sequenze di mRNA processato prive di introni che sono stati inseriti tramite trascrizione inversa (sappiamo che dovevano essere inseriti nel genoma tramite trascrizione inversa in gran parte perché mancano di introni). Non sono in grado di produrre alcun prodotto genetico.
  5. Gli unici retrotrasposoni che possono muoversi attraverso il genoma (copiare letteralmente il loro DNA in nuovi siti dove inizialmente non era presente) sono le LINEE ei SINE, e di questi, solo pochi sono in grado di farlo. Gli HERV sono bloccati dove sono, e lo sono anche gli pseudogeni elaborati.

Le telomerasi si sono evolute come soluzione al fine problema di replica. I (nuovi) filamenti di DNA nascenti sono sintetizzati con un filamento principale e un filamento ritardato perché le DNA polimerasi hanno una direzionalità molto ristretta in quanto devono viaggiare da 3' a 5' rispetto al filamento stampo. Questo crea un problema perché il DNA è orientato antiparallelo (i filamenti sono paralleli ma un filamento è orientato in direzione opposta all'altro), quindi per realizzare entrambi i filamenti contemporaneamente, una singola DNA polimerasi dovrebbe riuscire a viaggiare contemporaneamente quale sarebbe una lunghezza di Sisifo per esso in direzioni opposte (immaginando il tentativo di correre simultaneamente est e ovest per 10 miglia). Per affrontare questo dilemma, uno dei filamenti viene sintetizzato come filamento principale con una polimerasi che viaggia lungo il filamento ininterrottamente per molti nucleotidi (formalmente il termine è "processualmente"), e un filamento in ritardo in cui frammenti di DNA (chiamato Frammenti di Okazaki) sono costantemente generati che sono complementari all'altro filamento che viene legato (fuso) insieme. Il dilemma è che poiché i nostri cromosomi non sono circolari, ci sarà sempre un frammento mancante una volta raggiunta l'estremità 3' del cromosoma, e quindi ogni ciclo di replicazione del DNA farà rimpicciolire le dimensioni del genoma, eventualmente con il potenziale per colpire geni importanti per la funzione biologica. Questo è noto come il problema della replica finale.

Alla tua sinistra vedi un complesso di telomerasi con il suo RNA telomerasi preferito. Le estremità del cromosoma contengono strutture chiamate telomeri, che sono sequenze ripetitive, brevi e palindromiche che vengono copiate molte volte, fino a riempire gli spazi tra i filamenti per una lunghezza compresa tra 5000 e 15000 nucleotidi. La produzione di DNA telomerico avviene tramite un grande complesso proteico chiamato telomerasi, che fa uso di TERT (telomerasi trascrittasi inversa), una trascrittasi inversa che prende uno stampo di RNA per creare le sequenze palindromiche del DNA. È importante sottolineare che le cellule alla fine perdono la loro funzione telomerasica, che si pensa rappresenti una salvaguardia contro il cancro (le cellule che esprimono telomerasi ad alti livelli possono continuare a dividersi e quindi ad accumulare mutazioni, alcune delle quali potrebbero essere dannose, indefinitamente, e quindi nella maggior parte delle cellule dopo circa 50 divisioni, le cellule cesseranno di dividersi la telomerasi è particolarmente espressa ad alti livelli nelle cellule staminali). In pratica, i topi che non hanno telomerasi funzionale avranno un sostanziale accorciamento cromosomico entro 3 generazioni e alla quarta generazione non saranno più in grado di riprodursi. Qui ora, devo mandare in frantumi tutte le tue idee preconcette su come funziona l'RNA. Quando si parla di DNA e RNA, si tende a usare il termine "filo" che evoca l'immagine di un filo. Il filo è relativamente lineare, può curvarsi, ma la struttura è relativamente noiosa. Questa è un'approssimazione ragionevole della maggior parte del DNA, poiché il DNA può avere fondamentalmente una delle 3 strutture chiamate A, B e Z (ce ne sono di più rare come i-motif e DNAzymes può fare cose strane). L'RNA, d'altra parte, è uno spirito molto più libero quando si tratta di struttura. L'RNA si piega in forme complesse con tutti i tipi di motivi strutturali in un modo non dissimile dalle proteine, in quanto la struttura di una proteina è direttamente correlata alla sua funzione. Ciò significa che RNA specifici fanno cose specifiche a seconda di come si piegano, che dipende dalla loro sequenza. Alla tua destra puoi vedere un diagramma dettagliato dell'RNA della telomerasi legato al complesso della telomerasi. Quella cosa sinuosa con le sbarre come una scala e le bolle è l'RNA della telomerasi. TERT, la trascrittasi inversa della telomerasi, lega l'RNA della telomerasi al dominio centrale e una regione chiamata CR4/CR5. Non entrerò negli altri componenti del complesso ma puoi leggere in dettaglio come funziona qui e qui. Subito sotto il diagramma alla tua destra puoi vedere come funziona la telomerasi per estendere il cappuccio 3' del cromosoma attraverso l'aiuto di una sequenza ripetitiva e palindromica di RNA: CAAUCCCAAUC, che riproduce sul DNA una "GGGTTA" ripetuta per formare un telomero con una lunghezza di circa 5.000-15.000 nucleotidi. Perché questo funzioni, un sacco di cose devono andare bene, ma solo perché TERT sia in grado di riconoscere l'RNA della telomerasi ci deve essere: lo stampo per la trascrizione inversa (la sequenza palindromica CCCAAU), il dominio pseudoknot (il dominio centrale nel diagramma), uno stelo-ansa che interagisce con TERT (CR4/CR5) e un elemento 3' necessario per la stabilità dell'RNA (CR7). Questo è un insieme molto specifico di vincoli e i vaccini mRNA dovrebbero essere progettati per averli (vedi immagine sopra per l'organizzazione standard di un vaccino mRNA). I ribosomi hanno anche un'attività intrinseca dell'elicasi dell'mRNA che distrugge tali strutture in modo che possano essere lette ed elaborate per la sintesi di una proteina. Inoltre, l'RNA maturo della telomerasi umana è lungo 451 nucleotidi. L'mRNA di questi vaccini è lungo circa 1200-1300 nucleotidi. È troppo grande per funzionare come un RNA della telomerasi negli esseri umani (ci sono alcuni animali che hanno RNA della telomerasi di quelle dimensioni ma noi non siamo uno di loro) e dato come esattamente l'RNA della telomerasi deve piegarsi, è improbabile che assuma le strutture richieste per il riconoscimento e il legame della telomerasi.

Inizialmente ho pensato di discutere in dettaglio la trascrittasi inversa degli epadnavirus (cioè l'epatite B) e dei retrovirus (cioè l'HIV e gli HERV), ma la discussione è diventata rapidamente inaccessibile. Basti dire che le trascrittasi inverse non sono in grado di raccogliere alcun RNA casuale e generare un DNA da esso. Richiedono una sequenza di RNA per innescare la reazione. Per i retrovirus, esiste un tRNA che viene rubato dalla cellula ospite e impacchettato nel virione. Inoltre, nei retrovirus, la trascrizione inversa avviene all'interno di un nucleocapside che consente l'ingresso dei dNTP (i mattoni del DNA), ma non può consentire qualcosa di grande come una molecola di RNA completamente separata che copre circa 1200 basi. La trascrizione inversa da parte degli epadnavirus è simile in linea di principio, richiedendo un segmento di RNA pregenomico che è chimicamente legato al DNA dell'epadnavirus. La trascrizione inversa non avverrà spontaneamente con un qualsiasi RNA. Anche per le reazioni RT-PCR, la reazione richiede il legame di una sequenza oligodeossitimidina alla coda poliA dell'mRNA in questione. Inoltre, qui c'è un requisito secondario per essere in grado di "cambiare" il DNA dell'ospite: manipolarlo effettivamente in qualche modo. Nel caso degli epadnavirus questo non accade realmente. Il genoma dell'hepadnavirus entra nel nucleo e forma un DNA circolare covalentemente chiuso con i propri istoni associati, essenzialmente un piccolo cromosoma separato. Non tocca il DNA dell'ospite. Nel caso dei retrovirus, il DNA viene integrato nel cromosoma ospite e l'effetto dipende da dove viene integrato. L'HIV, ad esempio, ha una forte tendenza a inserirsi nei geni, il che può essere problematico se, ad esempio, il gene produce una proteina importante per il mantenimento dell'integrità del genoma (che potrebbe portare al cancro se non controllata). Lo sviluppo del cancro da un tale processo, tuttavia, non può semplicemente verificarsi senza che molte altre cose vadano storte, come ad esempio una massiccia morte di cellule T helper che compromette in modo critico la capacità del sistema immunitario di condurre la sorveglianza delle cellule per prove di malignità e uccidere loro, come accade nell'HIV. Ora, dovremmo scegliere di ignorare tutto ciò che è stato finora stabilito su come funziona la biologia cellulare, inclusa la necessità di un primer per avviare la reazione della trascrittasi inversa, e consentire che un retrovirus permetta prontamente l'integrazione della risultante proteina spike RBD o dell'intero gene della proteina spike in l'ospite, questo porterebbe semplicemente all'inserimento di un gene che potrebbe essere in grado di produrre la proteina spike o solo l'RBD (a seconda di dove è stato inserito e se potrebbe reclutare macchinari trascrizionali), che servirebbe solo a presentare al sistema immunitario sistema una proteina estranea a cui è stata preparata per rispondere e successivamente uccidere la cellula. Inoltre, poiché vengono somministrate tramite un'iniezione intramuscolare, le cellule in questione sarebbero molto probabilmente una cellula muscolare (che puoi perdere senza perdere alcuna funzione eloquente) o una cellula dendritica (che potresti perdere anche senza alcuna perdita di funzione immunologica).

Per concludere, e spero davvero che questo finisca:


Questo è uno degli oltre 2.400 corsi su OCW. Esplora i materiali per questo corso nelle pagine collegate lungo la sinistra.

MIT OpenCourseWare è una pubblicazione gratuita e aperta di materiale proveniente da migliaia di corsi del MIT, che copre l'intero curriculum del MIT.

Nessuna iscrizione o registrazione. Sfoglia e usa liberamente i materiali OCW al tuo ritmo. Non c'è registrazione e nessuna data di inizio o fine.

La conoscenza è la tua ricompensa. Usa OCW per guidare il tuo apprendimento permanente o per insegnare agli altri. Non offriamo crediti o certificazioni per l'utilizzo di OCW.

Fatto per la condivisione. Scarica i file per dopo. Invia ad amici e colleghi. Modifica, remixa e riutilizza (ricorda solo di citare OCW come fonte).


3.5 Acidi nucleici

In questa sezione, esaminerai le seguenti domande:

  • Quali sono i due tipi di acido nucleico?
  • Qual è la struttura e il ruolo del DNA?
  • Qual è la struttura e i ruoli dell'RNA?

Connessione per i Corsi AP ®

Gli acidi nucleici (DNA e RNA) comprendono il quarto gruppo di macromolecole biologiche e contengono fosforo (P) oltre a carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Conservati attraverso l'evoluzione in tutti gli organismi, gli acidi nucleici immagazzinano e trasmettono informazioni ereditarie. Come verrà esplorato più in dettaglio nei Capitoli 14-17, il DNA contiene le istruzioni per la sintesi delle proteine ​​dettando le sequenze degli amminoacidi nei polipeptidi attraverso processi noti come trascrizione e traduzione. Gli acidi nucleici sono costituiti a loro volta da nucleotidi, ogni nucleotide è costituito da uno zucchero pentoso (desossiribosio nel DNA e ribosio nell'RNA), una base azotata (adenina, citosina, guanina e timina o uracile) e un gruppo fosfato. Il DNA porta il progetto genetico della cellula che viene passato dal genitore alla prole attraverso la divisione cellulare. Il DNA ha una struttura a doppia elica con i due filamenti che corrono in direzioni opposte (antiparallelo), collegati da legami idrogeno e complementari tra loro. Nel DNA, le purine si accoppiano con le pirimidine: l'adenina si accoppia con la timina (A-T) e la citosina si accoppia con la guanina (C-G). Nell'RNA, l'uracile sostituisce la timina per accoppiarsi con l'adenina (U-A). L'RNA differisce anche dal DNA in quanto è a singolo filamento e ha molte forme, come l'RNA messaggero (mRNA), l'RNA ribosomiale (rRNA) e l'RNA di trasferimento (tRNA) che partecipano tutti alla sintesi delle proteine. I microRNA (miRNA) regolano l'uso dell'mRNA. Il flusso di informazioni genetiche è solitamente DNA → RNA → proteina, noto anche come Dogma Centrale della Vita.

Le informazioni presentate e gli esempi evidenziati nella sezione supportano i concetti e gli obiettivi di apprendimento delineati in Big Idea 3 e Big Idea 4 dell'AP ® Biology Curriculum Framework. Gli obiettivi di apprendimento elencati nel Curriculum Framework forniscono una base trasparente per il corso AP ® Biology, un'esperienza di laboratorio basata sull'indagine, attività didattiche e domande dell'esame AP ®. Un Obiettivo di Apprendimento unisce il contenuto richiesto con una o più delle sette Pratiche Scientifiche.

Grande Idea 3 I sistemi viventi immagazzinano, recuperano, trasmettono e rispondono alle informazioni essenziali ai processi vitali.
Comprensione duratura 3.A Le informazioni ereditabili garantiscono la continuità della vita.
Conoscenze Essenziali 3.A.1 Il DNA, e in alcuni casi l'RNA, è la fonte primaria di informazioni ereditabili.
Pratica scientifica 6.5 Lo studente può valutare spiegazioni scientifiche alternative.
Obiettivo di apprendimento 3.1 Lo studente è in grado di costruire spiegazioni scientifiche che utilizzano le strutture e i meccanismi del DNA e dell'RNA per sostenere l'affermazione che il DNA e, in alcuni casi, l'RNA sono le fonti primarie di informazioni ereditabili.
Conoscenze Essenziali 3.A.1 Il DNA, e in alcuni casi l'RNA, è la fonte primaria di informazioni ereditabili.
Pratica scientifica 6.4 Lo studente è in grado di formulare affermazioni e previsioni sui fenomeni naturali sulla base di teorie e modelli scientifici.
Obiettivo di apprendimento 3.6 Lo studente può prevedere come un cambiamento in una specifica sequenza di DNA o RNA può provocare cambiamenti nell'espressione genica.
Grande Idea 4 I sistemi biologici interagiscono e questi sistemi e le loro interazioni possiedono proprietà complesse.
Comprensione duratura 4.A Le interazioni all'interno dei sistemi biologici portano a proprietà complesse.
Conoscenze Essenziali 4.A.1 I sottocomponenti delle molecole biologiche e la loro sequenza determinano le proprietà di quella molecola.
Pratica scientifica 7.1 Lo studente è in grado di collegare fenomeni e modelli su scale spaziali e temporali.
Obiettivo di apprendimento 4.1 Lo studente è in grado di spiegare la connessione tra la sequenza ei sottocomponenti di un polimero biologico e le sue proprietà.
Conoscenze Essenziali 4.A.1 I sottocomponenti delle molecole biologiche e la loro sequenza determinano le proprietà di quella molecola.
Pratica scientifica 1.3 Lo studente può affinare rappresentazioni e modelli di fenomeni e sistemi naturali o antropici nel dominio.
Obiettivo di apprendimento 4.2 Lo studente è in grado di affinare rappresentazioni e modelli per spiegare come i sottocomponenti di un polimero biologico e la loro sequenza determinano le proprietà di quel polimero.
Conoscenze Essenziali 4.A.1 I sottocomponenti delle molecole biologiche e la loro sequenza determinano le proprietà di quella molecola.
Pratica scientifica 6.1 Lo studente può giustificare le affermazioni con prove.
6.4 Lo studente è in grado di formulare affermazioni e previsioni sui fenomeni naturali sulla base di teorie e modelli scientifici.
Obiettivo di apprendimento 4.3 Lo studente è in grado di utilizzare modelli per prevedere e giustificare che cambiamenti nei sottocomponenti di un polimero biologico influenzino la funzionalità delle molecole.

Supporto agli insegnanti

Utilizzare la tabella 3.2 per illustrare le principali differenze tra DNA e RNA.

Un polinucleotide non si forma attraverso una tradizionale reazione di sintesi di disidratazione. Invece di rimuovere i componenti dell'acqua dai monomeri, viene rimosso un gruppo fosfato da ciascuno per formare il legame.

Supporto agli insegnanti

La funzione primaria degli acidi nucleici è quella di immagazzinare le informazioni genetiche necessarie per produrre proteine ​​e facilitare i collegamenti appropriati tra gli amminoacidi. Un'altra funzione degli acidi nucleici è nel trasferimento di energia, discussa in un capitolo successivo.

Il concetto della doppia elica del DNA può essere difficile da capire. Chiedi agli studenti di immaginare una scala di corda con la parte superiore del lato destro etichettata 3 e l'altra estremità di quel lato etichettata 5. La parte superiore del lato sinistro è etichettata 5 e l'altra estremità 3, quindi i numeri vanno in direzioni opposte sui lati opposti della scala, conferendo ai lati della struttura un orientamento antiparallelo. Ora immagina di afferrare la scala dall'alto e ruotarla. Quella è una doppia elica. È doppio perché ha due lati. Potresti provare a disegnare una scala, con le sue etichette poi, chiedi agli studenti di immaginarla attorcigliata. Un'altra possibilità è che gli studenti utilizzino scovolini per costruire la doppia elica.

L'RNA di solito esiste come un singolo filamento. L'RNA messaggero (mRNA) si trova nel nucleo, dove "rispecchia" la sequenza dei nucleotidi presenti nel DNA, e nel citoplasma, dove trasmette il suo messaggio ai ribosomi per l'assemblaggio delle proteine. I ribosomi sono costituiti da RNA ribosomiale (rRNA) e proteine. L'RNA di trasferimento (tRNA) trasporta gli amminoacidi ai ribosomi per l'attaccamento a una proteina in via di sviluppo. I microRNA (miRNA) sono le molecole di RNA più piccole e il loro ruolo coinvolge la regolazione dell'espressione genica interferendo con l'espressione di alcuni mRNA.

Alcuni virus contengono RNA a doppio filamento, ma piante e animali no.

Le domande di verifica della pratica scientifica contengono ulteriori domande di prova per questa sezione che ti aiuteranno a prepararti per l'esame AP. Queste domande riguardano i seguenti standard:
[APLO 3.1] [APLO 4.17]

DNA e RNA

Gli acidi nucleici sono le macromolecole più importanti per la continuità della vita. Portano il progetto genetico di una cellula e portano le istruzioni per il funzionamento della cellula.

I due principali tipi di acidi nucleici sono l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA). Il DNA è il materiale genetico presente in tutti gli organismi viventi, dai batteri unicellulari ai mammiferi multicellulari. Si trova nel nucleo degli eucarioti e negli organelli, nei cloroplasti e nei mitocondri. Nei procarioti, il DNA non è racchiuso in un involucro membranoso.

L'intero contenuto genetico di una cellula è noto come genoma e lo studio dei genomi è genomica. Nelle cellule eucariotiche ma non nei procarioti, il DNA forma un complesso con le proteine ​​istoniche per formare la cromatina, la sostanza dei cromosomi eucariotici. Un cromosoma può contenere decine di migliaia di geni. Molti geni contengono le informazioni per produrre prodotti proteici, altri geni codificano per prodotti di RNA. Il DNA controlla tutte le attività cellulari attivando o disattivando i geni.

L'altro tipo di acido nucleico, l'RNA, è principalmente coinvolto nella sintesi proteica. Le molecole di DNA non lasciano mai il nucleo ma utilizzano invece un intermediario per comunicare con il resto della cellula. Questo intermediario è l'RNA messaggero (mRNA). Altri tipi di RNA, come rRNA, tRNA e microRNA, sono coinvolti nella sintesi proteica e nella sua regolazione.

DNA e RNA sono costituiti da monomeri noti come nucleotidi. I nucleotidi si combinano tra loro per formare un polinucleotide, DNA o RNA. Ogni nucleotide è composto da tre componenti: una base azotata, uno zucchero pentoso (a cinque atomi di carbonio) e un gruppo fosfato (Figura 3.33). Ogni base azotata in un nucleotide è attaccata a una molecola di zucchero, che è attaccata a uno o più gruppi fosfato.

Le basi azotate, componenti importanti dei nucleotidi, sono molecole organiche e sono così chiamate perché contengono carbonio e azoto. Sono basi perché contengono un gruppo amminico che ha il potenziale di legare un idrogeno in più, diminuendo così la concentrazione di ioni idrogeno nel suo ambiente, rendendolo più basico. Ogni nucleotide nel DNA contiene una delle quattro possibili basi azotate: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T).

L'adenina e la guanina sono classificate come purine. La struttura primaria di una purina è costituita da due anelli carbonio-azoto. Citosina, timina e uracile sono classificati come pirimidine che hanno un singolo anello carbonio-azoto come struttura primaria (Figura 3.33). Ciascuno di questi anelli di base carbonio-azoto ha diversi gruppi funzionali ad esso collegati. Nella stenografia della biologia molecolare, le basi azotate sono semplicemente conosciute con i loro simboli A, T, G, C e U. Il DNA contiene A, T, G e C mentre l'RNA contiene A, U, G e C.

Lo zucchero pentoso nel DNA è il desossiribosio e nell'RNA lo zucchero è il ribosio (Figura 3.33). La differenza tra gli zuccheri è la presenza del gruppo ossidrile sul secondo carbonio del ribosio e dell'idrogeno sul secondo carbonio del desossiribosio. Gli atomi di carbonio della molecola dello zucchero sono numerati come 1′, 2′, 3′, 4′ e 5′ (1′ è letto come "un primo"). Il residuo fosfato è attaccato al gruppo ossidrile del carbonio 5' di uno zucchero e al gruppo ossidrile del carbonio 3' dello zucchero del nucleotide successivo, che forma un legame fosfodiestere 5'-3'. Il legame fosfodiestere non si forma per semplice reazione di disidratazione come gli altri legami che collegano i monomeri nelle macromolecole: la sua formazione comporta la rimozione di due gruppi fosfato. Un polinucleotide può avere migliaia di tali legami fosfodiestere.

Struttura a doppia elica del DNA

Il DNA ha una struttura a doppia elica (Figura 3.34). Lo zucchero e il fosfato si trovano all'esterno dell'elica, formando la spina dorsale del DNA. Le basi azotate sono impilate all'interno, come i gradini di una scala, a coppie le coppie sono legate tra loro da legami idrogeno. Ogni coppia di basi nella doppia elica è separata dalla successiva coppia di basi di 0,34 nm. I due fili dell'elica corrono in direzioni opposte, il che significa che l'estremità in carbonio 5' di un filo si troverà di fronte all'estremità in carbonio 3' del suo filo corrispondente. (Questo è indicato come orientamento antiparallelo ed è importante per la replicazione del DNA e in molte interazioni degli acidi nucleici.)

Sono consentiti solo alcuni tipi di abbinamento di basi. Ad esempio, una certa purina può accoppiarsi solo con una certa pirimidina. Ciò significa che A può accoppiarsi con T e G può accoppiarsi con C, come mostrato nella Figura 3.35. Questa è nota come regola complementare di base. In altre parole, i filamenti di DNA sono complementari tra loro. Se la sequenza di un filamento è AATTGGCC, il filamento complementare avrà la sequenza TTAACCGG. During DNA replication, each strand is copied, resulting in a daughter DNA double helix containing one parental DNA strand and a newly synthesized strand.


Risposte e risposte

When a textbook states that DNA can only be replicated in the 5' to 3' direction, it is referring to the synthesis of DNA. Each strand of DNA has a 5' end and a 3' end. In order to make that strand longer, you could imagine adding new DNA to the 3' end of the strand or to the 5' end of the strand. As it turns out, DNA polymerases can only add new nucleotides to the 3' end of the strand and not the 5' end of the strand, so DNA gets synthesized in the 5' --> 3' direction.

In your example, you have the right idea. Both strands of DNA can be copied, and when they're being copied the DNA polymerases will be moving in opposite directions. When synthesizing the top strand, DNA polymerase can only synthesize it from left to right (5' to 3'), and when synthesizing the bottom strand, the polymerase will be moving from right to left. You could not have the case where the top strand is synthesized by a polymerase moving from the right to left because DNA polymerase cannot work in the 3' to 5' direction.

Why can't polymerase add nucleotides to the 5' end of the DNA? DNA synthesis is powered by the release of pyrophosphate (the final two phosphates on the nucleotide triphosphates) that occurs during DNA synthesis. These phosphates are attached to the 5' end of the nucleotides. These triphosphate groups are somewhat unstable and can sometimes break off on their own. If nucleotides were added to the 5' end of the DNA, accidental loss of the 5' triphosphate would be a big problem without the 5' triphosphate, DNA synthesis could not continue. However, if new nucleotides are added to the 3' end of the DNA, it doesn't matter if the 5' triphosphate of the DNA strand gets damaged. For 5' to 3' synthesis, loss of triphosphates from the nucleotides would cause problems, but there are so many nucleotides in the cell that the low rate of tirphosphate loss from the nucleotides does not affect the rate of DNA synthesis.

I hope that clears up your question. Let me know if anything is still unclear.

What you are asking, we are presuming, is why couldn't you have the growing DNA chain with -5'PPP at its end and then a mononucleoside 5'-triphosphate condense its 3'-OH onto that with elimination of pyrophosphate which would give a chain one nucleotide longer with 5'PPP at the end ready to do the same thing again.

Watson in his textbook gives much the same explanation as Ygggdrasil except instead of random loss of the terminal phosphate or pyrophosphate he invokes proofreading, which is the exonuclease eating back the new strand for error correction. This is hydrolysis which is energetically favoured, while if it had to leave PPP at the end of the eaten-back strand, it would have to be an pyrophosphate transfer energetically driven by say ATP at every step. It sounds awkward and hard to imagine it being preferred.

If instead the question is couldn't you have mononucleoside-3'-triphosphates that condense on a 5'OH end of growing DNA and so extend it in the 3'->5' direction I don't know anyone can give a reason. In fact I'd say you could but you don't, in life on earth.

The thing to remember is 5'(mono, di and triphosphates are queens, kings and aces in biochemistry on earth. Think ATP - 5'ATP. This is reflected even in the terminology I think. You could consider a DNA strand to be a polymer either of nucleoside 5' or of 3' phosphates. But considering 5' king, you divide mentally the chain up into 5'-PN-3'OH monomeric units, and so define a 5'->3' direction, the only way I find the terminology not confusing.

The empire of 5'- is not a fact about chemistry. The energetics of phosphate or pyrophosphate transfer from 3'- or 5'- NTP or from dNTP should be about the same. It's a fact of biology. Enzimi riconoscere and catalyse reactions with the 5'-P- compounds. The reason must go back to the origin and early history of life. I guess a 5' with its extra O-C-O- can explore a much larger volume and variety of interacting complementary structures so a catalyst has a greater chance of evolving.

I have never heard any considerations on this - it's not the sort of thing you are very encouraged to ask in biology. If that reflects on anyone it's not the person asking the question IMHO.


Transcription (genetics)

Trascrizione is when RNA is made from DNA. The DNA sequence is copied by a special enzyme called RNA polymerase to make a matching RNA strand.

The matching RNA strand is a 'pre-messenger RNA'. Next, the non-coding introns are stripped out by a spliceosome. The remaining exons are put together to make a messenger RNA.

The product is called RNA messaggero (mRNA) because it carries a genetic message from the DNA to the protein-making machinery of the cell. Transcription is the first step that leads to the expression of the genes.

The stretch of DNA that is transcribed into an RNA molecule is called a unità di trascrizione. This contains:

  1. sequences which regulate the protein synthesis
  2. sequences which do not code: introns
  3. sequences which do code for amino acid sequences in the protein. They are called exons. [2]

As in DNA replication, only one of the two DNA strands is transcribed. Questo filo è chiamato the template strand, because it provides the template for ordering the sequence of nucleotides in an RNA transcript. The other strand is called the filamento di codifica. Its sequence is the same as the newly created RNA transcript (except for thymine being substituted for uracil).

The DNA template strand is read 3' → 5' direction by RNA polymerase and the new RNA strand is synthesized in the 5'→ 3' direction. RNA polymerase binds to the 3' end of a gene (promoter) on the DNA template strand and travels toward the 5' end.


A large-scale binding and functional map of human RNA-binding proteins

Many proteins regulate the expression of genes by binding to specific regions encoded in the genome 1 . Here we introduce a new data set of RNA elements in the human genome that are recognized by RNA-binding proteins (RBPs), generated as part of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project phase III. This class of regulatory elements functions only when transcribed into RNA, as they serve as the binding sites for RBPs that control post-transcriptional processes such as splicing, cleavage and polyadenylation, and the editing, localization, stability and translation of mRNAs. We describe the mapping and characterization of RNA elements recognized by a large collection of human RBPs in K562 and HepG2 cells. Integrative analyses using five assays identify RBP binding sites on RNA and chromatin in vivo, the in vitro binding preferences of RBPs, the function of RBP binding sites and the subcellular localization of RBPs, producing 1,223 replicated data sets for 356 RBPs. We describe the spectrum of RBP binding throughout the transcriptome and the connections between these interactions and various aspects of RNA biology, including RNA stability, splicing regulation and RNA localization. These data expand the catalogue of functional elements encoded in the human genome by the addition of a large set of elements that function at the RNA level by interacting with RBPs.

Dichiarazione di conflitto di interessi

E.L.V.N. is a co-founder, member of the Board of Directors, equity holder and paid consultant for Eclipse BioInnovations Inc. G.W.Y. is co-founder, member of the Board of Directors, on the SAB, equity holder and paid consultant for Locana and Eclipse BioInnovations Inc. G.W.Y. is a distinguished visiting professor at the National University of Singapore. E.L.V.N.’s and G.W.Y.’s interest(s) have been reviewed and approved by the University of California, San Diego in accordance with its conflict of interest policies. C.B.B. is a scientific advisory board member and equity option holder of Arrakis Therapeutics Inc. The authors declare no other competing financial interests.

Cifre

Fig. 1. Overview of experiments and data…

Fig. 1. Overview of experiments and data types.

Fig. 2. Integrated analysis of RBP–target association…

Fig. 2. Integrated analysis of RBP–target association networks.

Fig. 3. Sequence-specific binding in vivo is…

Fig. 3. Sequence-specific binding in vivo is determined predominantly by intrinsic RNA affinity of RBPs.

Fig. 4. Association between RBP binding and…

Fig. 4. Association between RBP binding and RNA expression upon knockdown.

Fig. 5. Integration of eCLIP and RNA-seq…

Fig. 5. Integration of eCLIP and RNA-seq identifies splicing regulatory patterns.

Fig. 6. Chromatin association of RBPs and…

Fig. 6. Chromatin association of RBPs and overlap with RNA binding.

Fig. 7. Subcellular localization of RBPs and…

Fig. 7. Subcellular localization of RBPs and links to transcriptome binding and regulation.

Extended Data Fig. 1. Experimental quality assessment…

Extended Data Fig. 1. Experimental quality assessment of eCLIP assays.

Extended Data Fig. 2. Integrated analysis of…

Extended Data Fig. 2. Integrated analysis of 223 eCLIP data sets identifies RBP clusters on…

Extended Data Fig. 3. Enrichment of in…

Extended Data Fig. 3. Enrichment of in vitro motifs in eCLIP peaks for different RNA…

Extended Data Fig. 4. Splicing regulatory activity…

Extended Data Fig. 4. Splicing regulatory activity of RBNS+ and RBNS− eCLIP peaks.

Extended Data Fig. 5. Association between RBP…

Extended Data Fig. 5. Association between RBP binding and RNA expression changes upon RBP knockdown.

Extended Data Fig. 6. Integration of eCLIP…

Extended Data Fig. 6. Integration of eCLIP and KD–RNA-seq to identify splicing regulatory patterns.


What you'll learn:

The RNA and the DNA are made of the same three bases, viz. guanine (G), cytosine (C), and adenine (A). The fourth base in the RNA is uracil (U) and in DNA is thymine (T). These four bases form two complementary pairs and are always found in the same manner. Adenine will always form a pair with thymine when DNA is being formed and with uracil when RNA is being formed. They always form double bonds. Guanine and cytosine always bind with each other and always form triple bonds. For the synthesis of proteins, the mRNA is made from the template strand. The template strand is always read in the 3’ → 5’ direction. The template strand is the complimentary copy of the mRNA in its nucleotide base pair sequence. The other strand is called the coding strand. This coding strand is likThe template strand is also known as the anti-sense strand. It runs in the three prime (3’) to five prime (5’) direction. It is always opposite or complementary to the coding strand. The template strand contains anticodons. The nucleotide sequence of the template strand and the tRNA is the same. The tRNA is hence complementary to the mRNA. There are temporary hydrogen bonds that are formed between the mRNA that is being synthesized and the template strand. The nucleotide sequence is complementary to the mRNA that is transcribed. This mRNA then undergoes a certain post-transcriptional modification and then becomes mature mRNA.

The template strand is utilized by the ribonucleic acid polymerase to create the transcript of the RNA by identifying the promoter sequences or the promoter genes. The RNA polymerase then determines when to start with the transcription process and when to stop the translation process. The RNA polymerase initially attaches to the region called the promoter, on the DNA sequence. Hence, the process of transcription is initiated. When the RNA polymerase attaches to the promoter site, the template strands start the transcription process to make the primary mRNA.


What are RNA probes?

RNA probes are stretches of single-stranded RNA used to detect the presence of complementary nucleic acid sequences (target sequences) by hybridization. RNA probes are usually labeled, for example with radioisotopes, epitopes, biotin or fluorophores to enable their detection. RNA probes as hybridization tools remain popular because of several key advantages associated with their use. These probes are synthesized by in vitro transcription and can be substituted for DNA probes in nearly all applications. High specific activity RNA probes or riboprobes may also be synthesized from DNA templates cloned in expression vectors such as SP 6 and T 7 systems. RNA probes are single-stranded and offer several advantages over DNA probes including improved signal or hybridization blots. Compared to the diverse methods for DNA probe synthesis, there is only one reliable method for labeling RNA probes, namely in vitro trascrizione. Because of the intrinsically labile nature of RNA and the susceptibility to RNase degradation, RNA probes must be treated with the same care as any other RNA preparations.


in vitro transcription is a reliable and economical method for generating RNA probes. Large amounts of efficiently labeled probes of uniform length can be generated by transcription of a DNA sequence ligated next to an RNA promoter. One excellent strategy is to clone the DNA to be transcribed between two promoters in opposite orientations. This allows either strand of the cloned DNA sequence to be transcribed in order to generate sense and antisense RNA for hybridization studies. One alternative method to generating continuously labeled RNA probes by in vitro transcription is to label the 5′ end of the molecule. This method of 5′ end-labeling is colloquially known as the kinasing reaction it specifically involves the transfer of the γ phosphate of ATP to a 5′-OH substrate of RNA or DNA (forward reaction). The forward kinasing reaction is far more efficient than the exchange reaction which involves the substitution of 5′ phosphates.

Probe synthesis by 3′ end-labeling involves the addition of nucleotides to the 3′ end of either DNA. DNA 3′ end-labeling is most often catalyzed by terminal transferase. Single- and double-stranded DNA molecules are labeled by the addition of dNTP to 3′-OH termini. RNA can also be 3′ end-labeled using the enzyme poly(A) polymerase. This enzyme, which is naturally responsible for nuclear polyadenylation of many heteronuclear RNAs, catalyzes the incorporation of Adenosine Mono Phosphate. Isotopic labeling requires α-labeled ATP precursors. In addition to its utility in RNA probe synthesis reactions, poly(A) polymerase can be used to polyadenylate naturally poly(A)– mRNA and other RNAs in order to support oligo(dT) primer-mediated synthesis of cDNA.


DNA replication is a biological process that occurs in all living organisms acting as the most essential part of biological inheritance. It is the process by which DNA makes a copy of itself during cell division.

Rules of DNA replication in eukaryotes

  1. DNA replication is semiconservative: Each DNA strand serves as a template for synthesis of a new strand producing two DNA molecules, each with one new strand and one old strand.
  2. Replication begins at multiple origins and usually proceeds bidirectionally. Having multiple origins of replication provides a mechanism for rapidly replicating the great length of eukaryotic DNA molecules.
  3. Replication exhibits polarity: DNA synthesis proceeds in a 5´3´ direction and is semi discontinuous.
  4. Replication is very accurate: replication proceeds with an extraordinary degree of fidelity.
  5. DNA replication occurs in the nucleus during the synthetic (S) phase of the eukaryotic cell cycle. This phase is preceded and followed by two periods during which DNA is not synthesized (gap periods G1, e G2). During cell division (mitotic M phase), each daughter cell receives one of the two identical DNA molecules.

During polymerization, discrimination between correct and incorrect nucleotides depends on base-pairing interactions (A=T and G≡C). Proofreading 3´5´ exonuclease activity double- checks each nucleotide after it is added and removes the mispaired one. The additional accuracy is accounted for by a separate enzyme system that repairs the mismatched base pairs remaining after replication.

Requirements of DNA replication in eukaryotes

replicazione del DNA

DNA is synthesized by DNA polymerases

DNA polymerases require the presence of a primer (i.e. oligonucleotide of RNA with free 3´ hydroxyl group), a template (i.e single-stranded DNA), and deoxyribonucleotides (d ATP, d CTP, d GTP, and d TTP) in order to function. The primer provides a site for the polymerization to begin. The free 3´ hydroxyl group of the primer acts as an accepter for the first deoxyribonucleotide in the newly formed DNA strand.

DNA polymerases utilize one deoxyribonucleoside triphosphate as a source of the deoxyribonucleoside monophosphate for the growing DNA strand by the removal of pyrophosphate. The selection of the incoming deoxyribonucleotide is dependent upon proper base pairing with the template. The RNA-primed synthesis of DNA demonstrating the template function of the complementary strand parental DNA.

In eukaryotes, there are at least 5 DNA polymerase enzymes (α, β, γ, δ and ε )
  • DNA polymerase α has a Primase activity (for the synthesis of RNA primer)Polymerization activity (formation of phosphodiester bond), andNo proofreading 3´5´ exonuclease activity.
  • DNA polymerase β functions in DNA repair (it has 5´3´ exonuclease activity).
  • DNA polymerase γ synthesizes mitochondrial DNA.
  • DNA polymerase δ has Polymerization activity and Proofreading 3´5´ exonuclease activity.
  • DNA polymerase ε removes the primers of Okazaki fragments on the lagging strand. It has DNA repair and proofreading activities.
DNA is degraded by nucleases or DNases

They may be either exonucleases or endonucleases. Exonucleases degrade nucleic acids from one end of the molecule operating either from 5´3´ or from 3´ direction of one strand of the double-stranded nucleic acids.

Endonucleases can begin to degrade at any internal site in a nucleic acid strand, reducing it to smaller and smaller fragments. Other enzymes (e.g. helicase, topoisomerase, and DNA ligase) and protein factors (e.g. origin binding proteins and single-stranded binding proteins) are required for the replication process.

Steps of DNA replication in eukaryotes

The synthesis of a DNA molecule can be divided into three stages: initiation, elongation, and termination.

Iniziazione

Identification of the origins of replication: Origins of replication in eukaryotes (e.g. yeast) are called replicators. These origins are located adjacent to A-T- rich sequence that is easy to unwind. Origin recognition complex (ORC) is a set of proteins that can bind to these replicators.

The unwinding of double-stranded DNA: The interaction of these proteins with the replicators leads to the unwinding of DNA forming “replication bubbles”.

Formation of replication forks:

  • When the two DNA strands unwind and separate, they form two replication forks at each origin. Replication of double-stranded DNA is bidirectional i.e. replication forks move in both directions away from the origin.
  • DNA helicase binds to the unwound region near the replication fork and then move into the neighboring double-stranded region, forcing the strands apart. Helicase uses energy from ATP to break the hydrogen bonds holding the base pairs together.
  • As helicase unwinds the DNA at the replication forks, the DNA ahead of it becomes overwound and positive supercoils forms. Topoisomerase II removes these supercoils (by nicking both strands of DNA, passing the DNA strands through the nick, and then resealing both strands again).
  • Eukaryotic single-stranded DNA binding protein binds to the single-stranded portion of each DNA strand, preventing the strands from reassociation and protecting them from degradation by nucleases.

RNA primer synthesis: DNA polymerase α with primase activity is responsible for the synthesis of a short RNA primer in 5´3´ direction, beginning at the origin of each parental strand. The parental strand is used as a template for this process.

Allungamento

The elongation phase of replication includes 2 distinct but related operations: leading and lagging strand synthesis.

Leading strand synthesis begins with the synthesis of RNA primer by DNA polymerase α at the replication origin. Deoxyribonucleotides are added to this primer by DNA polymerase δ. Leading strand synthesis then proceeds continuously, in the direction of replication fork movement.

Lagging strand synthesis is synthesized discontinuously in the opposite direction from the replication fork movement as a series of small fragments known as Okazaki fragments. Each Okazaki fragment is initiated by the synthesis of an RNA primer by polymerase α and then completed by the synthesis of DNA by DNA polymerase δ until reaching the next RNA primer.

Both leading and Okazaki fragments of lagging strands are synthesized from 5´3´ direction. There is a leading and a lagging strand for each of the two replication forks. Then, DNA polymerase ε begins to remove the RNA primers. The gap is then filled by a polymerase (δ/ε).

Both DNA polymerase δ and ε have the ability to proofread their work by means of a 3´5´ exonuclease activity. If DNA polymerase makes a mistake during DNA synthesis, the resulting unpaired base at the 3´ end of the growing strand is removed before synthesis continues.

Ligation of the newly synthesized DNA segments: DNA ligase seals the nicks between Okazaki fragments, converting them to a continuous strand of DNA. DNA ligase requires ATP to form a phosphodiester bond between the two nucleotides.

Cessazione

The termination of replication on linear eukaryotic chromosomes involves the synthesis of telomeres at the ends of the chromosome.

Telomeres

They are repetitive sequences TTAGGGs, these telomeres (Hexamers) cap the end of human chromosomes and are believed to prevent chromosomes from undergoing degradation. Telomeres are believed to contribute to the preservation of the normal aging process. With each round of replication in most normal cells, the telomeres are shortened.

During normal cell division, the length of telomeres is shortened, thus limiting the life span of the cell, Therefore, normal somatic cells after a certain number of cell division die due to the shortening of telomeres. So telomeres determine the proliferation capacity of human somatic cells.

Telomerasi

It is an enzyme in eukaryotes used to maintain the telomeres. It contains a short RNA template complementary to the DNA telomere sequence, as well as telomerase reverse transcriptase activity. Telomerase is thus able to replace telomere sequences that would otherwise be lost during replication. Normally, telomerase activity is present only in embryonic cells, germ (reproductive) cells, and stem cells but not in somatic cells.

Cancer cells often have relatively high levels of telomerase, preventing the telomeres from becoming shortened and contributing to the immortality of malignant cells. After replication is complete, the parent and daughter strands reform double-stranded DNA.

In eukaryotic cells, the double-stranded DNA must precisely reform the chromatin structure including nucleosomes that existed prior to the onset of replication. The 2 identical sister chromatids are separated from each other when the cell divides during mitosis.

Quinolones are a family of drugs that block the action of prokaryotic topoisomerase thus preventing DNA replication and transcription. These drugs such as Nalidixic acid and ciprofloxacin act as antibiotics. While inhibitors of eukaryotic topoisomerases as Etoposide are becoming useful as anticancer agents.


Guarda il video: DNA E RNA - ÁCIDOS NUCLEICOS - BIOQUÍMICA. Biologia com Samuel Cunha (Agosto 2022).