Concetti della Biologia – 1 ° Canadian Edition

Nel 1950, Francis Crick e James Watson ha lavorato insieme all’Università di Cambridge, in Inghilterra, per determinare la struttura del DNA. Anche altri scienziati, come Linus Pauling e Maurice Wilkins, stavano esplorando attivamente questo campo., Pauling aveva scoperto la struttura secondaria delle proteine usando la cristallografia a raggi X. La cristallografia a raggi X è un metodo per indagare la struttura molecolare osservando i modelli formati dai raggi X sparati attraverso un cristallo della sostanza. I modelli forniscono importanti informazioni sulla struttura della molecola di interesse. Nel laboratorio di Wilkins, la ricercatrice Rosalind Franklin stava usando la cristallografia a raggi X per capire la struttura del DNA. Watson e Crick sono stati in grado di mettere insieme il puzzle della molecola di DNA utilizzando i dati di Franklin (Figura 9.2)., Watson e Crick avevano anche pezzi chiave di informazioni disponibili da altri ricercatori come le regole di Chargaff. Chargaff aveva dimostrato che dei quattro tipi di monomeri (nucleotidi) presenti in una molecola di DNA, due tipi erano sempre presenti in quantità uguali e i restanti due tipi erano sempre presenti in quantità uguali. Ciò significava che erano sempre accoppiati in qualche modo. Nel 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ricevettero il premio Nobel per la Medicina per il loro lavoro nel determinare la struttura del DNA.,

Consideriamo ora la struttura dei due tipi di acidi nucleici, acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA). Gli elementi costitutivi del DNA sono nucleotidi, che sono costituiti da tre parti: un desossiribosio (zucchero 5-carbonio), un gruppo fosfato e una base azotata (Figura 9.3). Ci sono quattro tipi di basi azotate nel DNA., Adenine (A) and guanine (G) are double-ringed purines, and cytosine (C) and thymine (T) are smaller, single-ringed pyrimidines. The nucleotide is named according to the nitrogenous base it contains.

Il gruppo fosfato di un nucleotide legami covalente con la molecola dello zucchero del nucleotide successivo, e così via, formando un lungo polimero di nucleotidi monomeri. I gruppi zucchero-fosfato si allineano in una “spina dorsale” per ogni singolo filamento di DNA e le basi nucleotidiche sporgono da questa spina dorsale. Gli atomi di carbonio dello zucchero a cinque carbonio sono numerati in senso orario dall’ossigeno come 1′, 2′, 3′, 4′, e 5 ‘(1′ viene letto come “un primo”)., Il gruppo fosfato è attaccato al carbonio 5’ di un nucleotide e al carbonio 3 ‘ del nucleotide successivo. Nel suo stato naturale, ogni molecola di DNA è in realtà composta da due singoli filamenti tenuti insieme lungo la loro lunghezza con legami idrogeno tra le basi.

Watson e Crick hanno proposto che il DNA è costituito da due filamenti che sono attorcigliati l’uno intorno all’altro per formare un’elica destrorsa, chiamata doppia elica. L’accoppiamento di base avviene tra una purina e una pirimidina: vale a dire, A coppie con T e G coppie con C., In altre parole, adenina e timina sono coppie di basi complementari e citosina e guanina sono anche coppie di basi complementari. Questa è la base per la regola di Chargaff; a causa della loro complementarità, c’è tanto adenina come timina in una molecola di DNA e tanto guanina come citosina. Adenina e timina sono collegate da due legami idrogeno e citosina e guanina sono collegate da tre legami idrogeno., I due fili sono di natura anti-parallela; cioè, un filo avrà il carbonio 3′ dello zucchero nella posizione” verso l’alto”, mentre l’altro filo avrà il carbonio 5′ nella posizione verso l’alto. Il diametro della doppia elica del DNA è uniforme in tutto perché una purina (due anelli) si accoppia sempre con una pirimidina (un anello) e le loro lunghezze combinate sono sempre uguali. (Figura 9.4).

C’è un secondo acido nucleico in tutte le cellule chiamato acido ribonucleico, o RNA. Come il DNA, l’RNA è un polimero di nucleotidi. Ciascuno dei nucleotidi nell’RNA è costituito da una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e un gruppo fosfato. Nel caso dell’RNA, lo zucchero a cinque atomi di carbonio è ribosio, non desossiribosio., Il ribosio ha un gruppo idrossilico al carbonio 2′, a differenza del desossiribosio, che ha solo un atomo di idrogeno (Figura 9.5).

I nucleotidi di RNA contengono le basi azotate adenina, citosina e guanina., Tuttavia, non contengono timina, che è invece sostituita da uracile, simboleggiato da una ” U. ” L’RNA esiste come molecola a filamento singolo piuttosto che un’elica a doppio filamento. I biologi molecolari hanno nominato diversi tipi di RNA sulla base della loro funzione. Questi includono RNA messaggero (mRNA), RNA di trasferimento (tRNA) e RNA ribosomiale (rRNA)—molecole che sono coinvolte nella produzione di proteine dal codice del DNA.,

Come il DNA è disposto nella cellula

Il DNA è una molecola funzionante; deve essere replicato quando una cellula è pronta a dividersi, e deve essere “letto” per produrre le molecole, come le proteine, per svolgere le funzioni della cellula. Per questo motivo, il DNA è protetto e confezionato in modi molto specifici. Inoltre, le molecole di DNA possono essere molto lunghe. Allungato end-to-end, le molecole di DNA in una singola cellula umana sarebbe venuto a una lunghezza di circa 2 metri., Pertanto, il DNA di una cellula deve essere confezionato in modo molto ordinato per adattarsi e funzionare all’interno di una struttura (la cellula) che non è visibile ad occhio nudo. I cromosomi dei procarioti sono molto più semplici di quelli degli eucarioti in molte delle loro caratteristiche (Figura 9.6). La maggior parte dei procarioti contiene un singolo cromosoma circolare che si trova in un’area del citoplasma chiamata nucleoide.

La dimensione del genoma in uno dei procarioti più studiati, Escherichia coli, è di 4,6 milioni di coppie di basi, che estenderebbero una distanza di circa 1,6 mm se allungato. Così come questo si inserisce all’interno di una piccola cellula batterica? Il DNA è attorcigliato oltre la doppia elica in quello che è noto come supercooling., Alcune proteine sono noti per essere coinvolti nella supercoiling; altre proteine ed enzimi aiutano a mantenere la struttura supercoiled.

Gli eucarioti, i cui cromosomi sono costituiti ciascuno da una molecola di DNA lineare, impiegano un diverso tipo di strategia di imballaggio per adattare il loro DNA all’interno del nucleo. Al livello più elementare, il DNA è avvolto intorno alle proteine conosciute come istoni per formare strutture chiamate nucleosomi. Il DNA è avvolto strettamente attorno al nucleo dell’istone. Questo nucleosoma è collegato a quello successivo da un breve filamento di DNA privo di istoni., Questo è anche conosciuto come il “perline su una stringa” struttura; i nucleosomi sono le ” perline “e le brevi lunghezze di DNA tra di loro sono la” stringa.”I nucleosomi, con il loro DNA arrotolato intorno a loro, si impilano in modo compatto l’uno sull’altro per formare una fibra larga 30 nm. Questa fibra è ulteriormente arrotolata in una struttura più spessa e più compatta. Nella fase metafase della mitosi, quando i cromosomi sono allineati al centro della cellula, i cromosomi sono al loro massimo compattati. Hanno una larghezza di circa 700 nm e si trovano in associazione con le proteine dello scaffold.,

Nell’interfase, la fase del ciclo cellulare tra mitosi in cui i cromosomi sono decondensati, i cromosomi eucariotici hanno due regioni distinte che possono essere distinte dalla colorazione. C’è una regione ben confezionata che macchia in modo scuro e una regione meno densa. Le regioni di colorazione scura di solito contengono geni che non sono attivi e si trovano nelle regioni del centromero e dei telomeri. Le regioni leggermente macchianti contengono solitamente i geni che sono attivi, con DNA impacchettato intorno ai nucleosomi ma non ulteriormente compattato.,

Section Summary

The model of the double-helix structure of DNA was proposed by Watson and Crick., La molecola del DNA è un polimero di nucleotidi. Ogni nucleotide è composto da una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio (desossiribosio) e un gruppo fosfato. Ci sono quattro basi azotate nel DNA, due purine (adenina e guanina) e due pirimidine (citosina e timina). Una molecola di DNA è composta da due filamenti. Ogni filamento è composto da nucleotidi legati insieme covalentemente tra il gruppo fosfato di uno e lo zucchero desossiribosio del successivo. Da questa spina dorsale si estendono le basi. Le basi di un filo si legano alle basi del secondo filo con legami idrogeno., L’adenina si lega sempre con la timina e la citosina si lega sempre con la guanina. Il legame fa sì che i due fili a spirale intorno a vicenda in una forma chiamata doppia elica. L’acido ribonucleico (RNA) è un secondo acido nucleico presente nelle cellule. L’RNA è un polimero a filamento singolo di nucleotidi. Si differenzia anche dal DNA in quanto contiene lo zucchero ribosio, piuttosto che desossiribosio, e il nucleotide uracile piuttosto che timina. Varie molecole di RNA funzionano nel processo di formazione di proteine dal codice genetico nel DNA.

I procarioti contengono un singolo cromosoma circolare a doppio filamento., Gli eucarioti contengono molecole di DNA lineari a doppio filamento confezionate in cromosomi. L’elica del DNA è avvolta intorno alle proteine per formare nucleosomi. Le bobine della proteina sono più ulteriormente arrotolate e durante la mitosi e la meiosi, i cromosomi diventano ancor più notevolmente arrotolati per facilitare il loro movimento. I cromosomi hanno due regioni distinte che possono essere distinte colorando, riflettendo i gradi differenti di imballaggio e determinati dal fatto che il DNA in una regione sia espresso (euchromatin) o non (heterochromatin).,