Nucleotidi e acidi nucleici Lezione 3 Nucleotidi e acidi nucleici 1

Gli acidi nucleici contengono l'informazione genetica L’acido ribonucleico (RNA) e l'acido desossiribonucleico (DNA) sono i depositari dell'informazione genetica. Essi sono polimeri, ovvero macromolecole costituite dalla ripetizione di unità semplici (monomeri). Le unità degli acidi nucleici sono i nucleotidi. L'ordine in cui sono disposti i singoli nucleotidi nella catena polimerica dell'acido nucleico specifica il loro contenuto di informazione genetica. Negli organismi viventi il DNA serve a immagazzinare e trasmettere alla progenie l'informazione genetica. L'RNA, invece, serve a rendere disponibile l'informazione per la sintesi delle proteine o svolge ruoli di regolazione. 2

L’unità base degli acidi nucleici sono i nucleotidi. I nucleotidi sono costituiti da tre molecole chimiche differenti: uno zucchero, una base azotata e un gruppo fosfato. Lo zucchero ha la seguente formula generale: 3

Nell'RNA, al carbonio C2 dello zucchero sono legati un idrogeno e un gruppo –OH: è il D-ribosio. Nel DNA, in posizione C2 sono legati due idrogeni a formare il 2-desossi, D-ribosio. 4 4

La molecola formata da base + zucchero è detta nucleoside La molecola formata da base + zucchero è detta nucleoside. Si ha un ribonucleoside se lo zucchero è il D-ribosio (RNA) o un desossiribonucleoside se lo zucchero è il 2-desossi-D-ribosio (DNA). Essendo zuccheri ciclici, il carbonio C1 del ribosio e del desossiribosio è anomerico e lega la base azotata con legame β-N-glicosidico: tutti i nucleotidi sono quindi β-anomeri rispetto allo zucchero. 5 5

Le catene di DNA e RNA sono formate dai derivati 5'-fosfato dei nucleosidi, ovvero molecole che hanno un gruppo fosfato legato al carbonio C5 dello zucchero. Questi nucleosidi 5'-monofosfati sono detti nucleotidi. 6

I nucleotidi: le basi azotate I nucleosidi contengono principalmente cinque differenti basi azotate: tre di tipo purinico e due di tipo pirimidinico. Le basi pirimidiniche derivano dalla pirimidina, un composto eterociclico formato da un anello a 6 atomi. La loro formula generale è: Le basi puriniche derivano dalla purina, formata da due anelli condensati, e hanno la seguente formula generale: 7

Le basi puriniche presenti nei nucleosidi sono: l’adenina; la guanina. Queste basi si trovano sia nei ribo- sia nei desossiribonucleosidi (quindi sia nell’RNA sia nel DNA). 8

Le basi pirimidiniche presenti nei nucleosidi sono: la timina che si trova solo nel DNA; la citosina che si trova sia nell’RNA che nel DNA; l'uracile che si trova solo nell'RNA. 9

I nucleotidi: nomenclatura I nucleosidi (e i corrispondenti nucleotidi fosforilati) prendono il nome dalla base azotata e dallo zucchero, secondo lo schema sottostante: Zucchero Base Nucleoside Acido Nucleico D-ribosio Adenina Adenosina RNA 2-desossi-D-ribosio Desossiadenosina DNA Uracile Uridina Timina Timidina Guanina Guanosina Desossiguanosina Citosina Citidina Desossicitidina 10

I nucleotidi: formula di struttura Nucleotidi purinici O Nucleotidi pirimidinici 11

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi monofosfati L'RNA e il DNA sono formati da catene di nucleotidi 5'-monofosfati, legati tra loro da un legame 5' -3' fosfodiesterico, ovvero tra il gruppo fosforico al C5 dello zucchero di un nucleotide e il gruppo –OH al C3 dello zucchero del nucleotide adiacente. 12

Acidi nucleici: struttura generale Da un punto di vista chimico, nel polimero di DNA o RNA si può distinguere uno scheletro zucchero-fosfato, costituito dai pentosi legati tra loro dai gruppi fosforici, che conferisce la struttura portante. DNA scheletro zucchero-fosfato 13

Acidi nucleici: struttura generale Le basi non fanno parte della struttura portante, ma possono essere considerate delle catene laterali, analogamente ai gruppi R degli amminoacidi nelle catene polipeptidiche. Le basi conferiscono a un acido nucleico molte delle sue caratteristiche. RNA Le basi dei nucleotidi sono analoghe a gruppi funzionali 14 14

Il DNA: la doppia elica In natura, il DNA si trova sotto forma di due filamenti appaiati. I due filamenti di DNA assumono la forma di una doppia elica. 15

Il DNA: appaiamento di basi Gli appaiamenti non sono casuali: l'adenina può appaiarsi solo alla timina, formando due legami idrogeno; la citosina si appaia solo alla guanina, formando tre legami a idrogeno. 16

Il DNA: complementarietà A causa degli appaiamenti obbligati tra le basi, la sequenza (cioè l'ordine in cui si susseguono i nucleotidi nel polimero) di un filamento della doppia elica non potrà essere identica a quella dell'altro filamento, ma sarà complementare. In virtù della complementarietà, conoscendo la sequenza di un filamento è possibile ricavare quella del filamento opposto. 17

RNA Nella cellula esistono diversi tipi di RNA con specifiche funzioni: RNA messaggero (mRNA): contiene l'informazione corrispondente a una proteina e ne rende possibile la sintesi da parte del ribosoma; RNA ribosomiale (rRNA): essenziale per la formazione del ribosoma. È l'RNA più abbondante nella cellula; RNA transfer (tRNA): essenziale per il trasporto degli amminoacidi 18

La replicazione del DNA Ogni cellula, prima di dividersi, deve duplicare il suo DNA per trasmettere l'informazione genetica alle cellule figlie. Questo è possibile grazie a un complesso di numerosi enzimi e proteine. L'enzima centrale è la DNA polimerasi, che genera una copia complementare di ciascun filamento del DNA originale. 19 19

Da una doppia elica parentale saranno generate due doppie eliche, di cui un filamento sarà neosintetizzato e uno sarà quello della coppia originale: per questo la replicazione del DNA viene detta semiconservativa. 20

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DNA e codice genetico L'ordine dei nucleotidi, cioè l'informazione necessaria alla sintesi delle proteine, è innanzitutto copiata nell'mRNA, che esce dal nucleo e si lega al complesso proteico che sintetizza le proteine, il ribosoma. L'informazione genetica utilizza un codice a triplette: tre nucleotidi specificano un singolo aminoacido. Ciascuna tripletta prende il nome di codone. 22

La sintesi proteica La fase in cui l'informazione genetica è copiata dal DNA nell'mRNA è detta trascrizione e avviene nel nucleo grazie all'RNA polimerasi. La fase in cui la proteina è sintetizzata a partire dall'mRNA è detta traduzione e avviene nel citoplasma, a livello dei ribosomi, localizzati in prossimità del reticolo endoplasmatico rugoso. 23

Sia la trascrizione sia la traduzione hanno tre fasi: inizio; allungamento; terminazione. RNA polimerasi e ribosoma necessitano quindi di segnali che indichino il punto di inizio e di fine, rispettivamente, dell'mRNA e della catena polipeptidica. 24

Il segnale di inizio per il ribosoma è il codone per la metionina AUG. I segnali per la RNA polimerasi consistono di speciali sequenze di DNA chiamate promotori e terminatori. Il segnale di inizio per il ribosoma è il codone per la metionina AUG. Il segnale di terminazione per il ribosoma è dato dai codoni di stop: UAA, UAG, UGA. 25 25 25

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