Gli acidi nucleici

Due tipi di acidi nucleici Gli acidi nucleici sono dei biopolimeri, e li possiamo classificare in due tipi, diversi fra loro nella struttura e nella funzione: - ACIDO RIBONUCLEICO (RNA) - ACIDO DESOSSIRIBONUCLEICO (DNA)

Gli acidi nucleici sono ETEROPOLIMERI I monomeri che formano gli acidi nucleici sono variabili, essi si chiamano NUCLEOTIDI. Ogni nucleotide a sua volta è formato da tre componenti, due componenti fisse ed una componente variabile, la quale caratterizza la specie del nucleotide.

Lo zucchero La prima componente fissa è un monosaccaride aldoso a cinque atomi di carbonio (pentoso): - esso è il RIBOSIO nei nucleotidi dell’RNA - è il DESOSSIRIBOSIO nei nucleotidi del DNA. Il nome dell’acido nucleico e la corrispondente sigla derivano proprio dal nome dello zucchero. Nella seguente diapositiva possiamo vedere la struttura ciclica di questo zucchero, l’atomo di ossigeno colorato è assente nel desossiribosio.

β – (desossi)ribosio La numerazione degli atomi di carbonio dello zucchero dei nucleotidi è seguita dall’apostrofo (si legge “primo”)

Il gruppo fosfato Il secondo componente fisso dei nucleotidi è il gruppo fosfato. Esso deriva dalla dissociazione acida dell’acido fosforico:

La componente variabile La componente variabile dei nucleotidi si chiama genericamente base azotata, in quanto la sua struttura deriva idealmente da uno di due tipi di composti eterociclici(*) contenenti azoto amminico: - la PURINA - oppure la PIRIMIDINA (*) eterociclico significa che l’anello è formato anche da atomi diversi dal carbonio

La purina Questa è la base azotata formata da due anelli condensati:

La pirimidina In questa figura è rappresentata la base azotata formata da un unico anello a sei atomi

“Purine” e “pirimidine” Le basi azotate degli acidi nucleici si ottengono inserendo opportuni gruppi funzionali sulla struttura della purina o della pirimidina. Esse, per comodità, vengono classificate rispettivamente in “purine” e “pirimidine”, anche se tali nomi propriamente indicano la base di partenza.

I nomi delle basi azotate Le purine sono due: esse si chiamano - ADENINA (A) - GUANINA (G) Le pirimidine sono tre: - CITOSINA (C) - TIMINA (T) - URACILE (U)

L’adenina L’adenina si ottiene sostituendo l’atomo di idrogeno in posizione 6 con un gruppo amminico. Il gruppo amminico può formare legami idrogeno come “donatore”, lo coloriamo in rosso. L’azoto n. 1 diventa un accettore, lo coloriamo in blu.

La guanina Questa base presenta un gruppo accettore in posizione 6, due gruppi donatori in posizione 2 e 1.

La citosina Un gruppo donatore è presente in posizione 4, due gruppi accettori nelle posizioni 2 e 3.

L’uracile L’uracile ha due gruppi accettori di idrogeno. Gli atomi di azoto in posizione 1 e 3 hanno acquistato un atomo di idrogeno, pertanto possono agire da donatori (coloriamo solo l’azoto n. 3, perché l’azoto n. 1 formerà un legame di condensazione).

La timina La timina è la base analoga dell’uracile, la sola differenza è un gruppo metile in posizione 5: - la timina è presente esclusivamente nel DNA - l’uracile è presente esclusivamente nel RNA

Ora che abbiamo descritto i componenti dei nucleotidi dobbiamo affrontare ancora tre passaggi: - assemblaggio dei componenti nella formazione del nucleotide, e quindi legame fra i nucleotidi per formare il polimero - regola delle basi complementari - significato generale degli acidi nucleici dal punto di vista della funzione. L’analisi dettagliata della funzione degli acidi nucleici sarà argomento di studio negli anni successivi.

Le basi complementari Iniziamo da questa caratteristica degli acidi nucleici, essa coinvolge direttamente le basi azotate. Come abbiamo già messo in evidenza, le basi azotate si distinguono una dall’altra per la presenza di diversi gruppi donatori ed accettori di idrogeno. Attenzione: quando le basi azotate formano legami idrogeno, ciò non avviene casualmente, come se le basi fossero libere in una fase fluida. Al contrario esse sono vincolate all’interno di una struttura precisa, e possono interagire fra loro solo con un determinato orientamento. Una conseguenza di questo fatto è che i legami idrogeno sono meno dinamici di quelli che si formano ad esempio fra molecole presenti in una soluzione acquosa.

Le coppie di basi Nelle prossime diapositive illustreremo le varie combinazioni purina/pirimidina, osservando attentamente la corrispondenza fra gruppi donatori e gruppi accettori. Questo ci servirà per comprendere ed imparare un principio fondamentale: i meccanismi molecolari della biologia si basano sempre e soltanto sui legami chimici. Ogni legame fra due atomi, che si tratti di legame primario oppure di legame secondario, va sempre interpretato come un fenomeno dinamico, regolato dalle leggi della stabilità, cioè dell’energia relativa. Le regole che si possono imparare ammettono sempre le eccezioni, ed ogni fenomeno chimico deve essere valutato statisticamente, essendo gli oggetti chimici in genere molto numerosi. Nel caso degli acidi nucleici in realtà il numero va inteso come numero di individui in una popolazione, le eccezioni (errori) rimangono possibili, in alcuni casi le chiameremo MUTAZIONI.

Interazione fra la purina e la pirimidina Secondo la regola delle basi complementari una purina forma sempre legami idrogeno con una pirimidina, e viceversa. Nella prossima figura osserviamo l’orientamento con il quale ogni coppia di basi azotate interagisce all’interno della struttura degli acidi nucleici. Nelle immagini successive manterremo questa disposizione.

Adenina – timina (uracile) Questa coppia può formare due legami idrogeno

Adenina – citosina L’adenina e la citosina contrappongono un gruppo donatore ad un altro gruppo donatore, ed un gruppo accettore ad un altro gruppo accettore: non si formano legami idrogeno.

Guanina – timina (uracile) Si può formare un legame idrogeno, ma vi sono altri due punti di repulsione

Guanina - citosina La guanina e la citosina formano tre legami idrogeno.

La regola delle basi complementari Tutti i meccanismi di funzionamento degli acidi nucleici, ma anche alcuni aspetti della loro struttura, dipendono dalla regola delle basi complementari: L’adenina di un filamento si associa con la timina (DNA) o con l’uracile (RNA) di un altro filamento, e viceversa La guanina di un filamento si associa con la citosina di un altro filamento. Ora possiamo analizzare la struttura di un nucleotide

Costruzione del nucleotide Come prima cosa dobbiamo formare il legame fra zucchero e base azotata. Questo legame deriva dalla condensazione del gruppo ossidrile sul C 1’ dello zucchero e l’azoto n. 9 delle purine oppure l’azoto n. 1 delle pirimidine. Ciò che si ottiene si chiama NUCLEOSIDE. I vari nucleosidi a loro volta hanno un nome diverso a seconda della base azotata presente: - adenina → ADENOSINA - guanina → GUANOSINA - citosina → CITIDINA - uracile → URIDINA - timina → TIMIDINA

In questo schema semplificato osserviamo il legame di condensazione fra lo zucchero e la base azotata: il risultato è un NUCLEOSIDE

Il nucleotide completo Per passare dal nucleoside al nucleotide dobbiamo aggiungere uno, due, oppure tre gruppi fosfato legati a formare una catena, unita al nucleoside tramite il carbonio 5’. A seconda del numero di gruppi fosfato presenti il nucleotide prende un nome diverso, ciascuno esprimibile con una sigla. In generale: - nucleoside-monofosfato (NMP) - nucleoside-difosfato (NDP) - nucleoside-trifosfato (NTP) Ad esempio: adenina → adenosina-trifosfato (ATP)

Rappresentiamo il nucleotide trifosfato. Gli acidi nucleici devono questa denominazione alla presenza dell’acido fosforico. La dissociazione dell’acido fosforico determina la presenza di cariche negative sui nucleotidi

Il legame fra nucleotidi Quando un nuovo nucleotide si lega ad un altro nucleotide che è già inserito in una catena, esso deve possedere tre gruppi fosfato (NTP), due dei quali vengono poi liberati con una reazione che fornisce l’energia necessaria alla corretta formazione del legame fra i due nucleotidi.

Il gruppo che si stacca si chiama PIROFOSFATO. L’idrolisi del pirofosfato è una reazione che aumenta la stabilità del sistema, e questo fatto è dovuto alla repulsione fra le cariche negative dei gruppi adiacenti.

Il ponte fosfo-diestere Il gruppo fosfato che rimane sul nucleotide aggiunto, forma un legame estere con il gruppo ossidrilico del carbonio 3’ del nucleotide già inserito. In questo modo il gruppo fosfato è legato, con due legami dello stesso tipo, a due zuccheri appartenenti ai due nucleotidi adiacenti: esso forma una specie di ponte.

In questa catena “minima” osserviamo le due estremità: il nucleotide in basso rappresenta l’estremità 3’, in quanto l’ossidrile del carbonio 3’ può accettare un nuovo nucleotide; il nucleotide in alto rappresenta l’estremità 5’. Ogni acido nucleico lineare (non circolare) possiede due estremità, denominate in questo modo.

Aspetti generali della funzione La funzione degli acidi nucleici è di contenere, conservare, trasportare informazione. Ciascun eteropolimero appartenente alla categoria degli acidi nucleici (DNA, RNA), è caratterizzato da una sequenza di nucleotidi (struttura primaria) definita, il cui ruolo definitivo consiste nel determinare, attraverso meccanismi enzimatici complessi, la struttura primaria dell’insieme dei polipeptidi costituenti le proteine specifiche (proteoma) di ciascun organismo. L’unità informativa, ossia la sequenza necessaria alla determinazione di un singolo polipeptide, si chiama gene. L’insieme di tutti i geni di un organismo viene denominato genoma.

Come abbiamo già detto, tutte le fasi che riguardano la funzione degli acidi nucleici, ma anche la determinazione della loro struttura, si basano sullo stesso principio: il principio delle basi complementari. Il principio delle basi complementari consiste nella specificità di interazione fra coppie di basi, a seconda della possibilità della formazione o meno dei legami idrogeno fra basi opposte. Due basi si dicono complementari quando possiedono una struttura adatta a contrapporre gruppi donatori da una parte e gruppi accettori dall’altra nella formazione di legami idrogeno.

In una fase intermedia (divisione cellulare), l’interazione fra DNA, enzimi, ed altre proteine, porta alla trasmissione dell’informazione biologica da una generazione cellulare a quella successiva, ed attraverso questa, alla trasmissione dell’informazione da una generazione di individui a quella successiva. fine