Acidi nucleici

Levene degli acidi nucleici

1944: Osvald Avery dimostra che i geni sono costituiti da DNA.

1950: Erwin Chargaff scopre che il DNA di specie biologiche diverse presenta diversa composizione in basi, ma rispetta sempre le "regole di Chargaff", ovvero il contenuto molare in A+G equivale a quello in T+C. Più precisamente, A=T e G=C.

1953: Francis Crick and James Watson, sulla base degli studi cristallografici di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins e delle tecniche di modellistica molecolare sviluppate da Linus Pauling, formulano il modello a doppia elica del DNA.

LA STRUTTURA COVALENTE

Si tratta di polimeri. Si può individuare uno scheletro principale, dato da una successione di elementi ripetuti identici: un gruppo fosfato, un residuo di ribosio, zucchero a 5 atomi di carbonio, e questo si ripete tante volte quanti sono i residui nucleotidici. Legati alla catena ci sono gruppi laterali indicati come basi azotate. Sono residui eterociclici aromatici con debole carattere acido.

Le strutture di DNA e RNA sono simili, e la differenza principale è la presenza di un gruppo ossidrilico in RNA, che manca nel DNA, che ha solo un idrogeno. La presenza del gruppo fosfato fa sì che, in corrispondenza di ogni residuo, ci sia una parziale carica negativa, sono quindi polielettroliti. I residui sono formati da tre porzioni: - Zucchero a 5 atomi di carbonio, il ribosio (RNA) o deossiribosio (DNA); - Gruppo fosfato, in realtà il fosfato è esterificato con l'ossidrile 5' di un'unità ripetitiva e con l'ossidrile 3' del residuo successivo; - La base azotata è legata sempre al carbonio 1 attraverso un legame glicosidico, è la porzione che differisce tra i residui. LE BASI AZOTATE Ne esistono in ogni tipo di acido nucleico, ne esistono 4 principali, anche se in tutto sono 5 perché una è presente soprattutto nel DNA e un'altra è assente nel DNA, ma presente nell'RNA: adenina,

guanina, timina, citosina e uracile. DNA e RNA si distinguono per DNA può contenere timina, mentre è assente e sostituita dall'uracile nell'RNA. Sono composti eterociclici aromatici, contenenti anche azoto, possono essere suddivise in due gruppi: due o un anello condensato. Le prime si chiamano purine, mentre le seconde pirimidine. Le diverse posizioni nei due anelli sono numerate. Si chiamano basi perché sono basiche, ma molto deboli; neutre. Le purine creano il legame con N9, mentre le pirimidine con N1. Se si immagina di scindere i legami fosfoestere tra un residuo e il successivo si ottengono i nucleotidi, che possono essere considerati derivati monofosforilati di glicosidi. Uniscono la posizione 3' alla posizione 5' del residuo. I gruppi fosfodiestere, a livello di tutti i residui, hanno una estremità dove la posizione 5' non è legata, mentre l'ultimo termina con il suo.

ossidrile 3’. In una catena polinucleotidica abbiamo quindi una estremità 5’ e un’estremità 3’, diverse e distinguibili: le catene polinucleotidiche hanno un verso e sono orientate. Il primo residuo è quello all’estremità 5’, mentre l’ultimo all’estremità 3’.

I legami fosfoestere, come tutti i legami estere, sono metastabili, che significa che, dal punto di vista termodinamico, la rottura del legame per idrolisi è ΔG° favorevole, quindi in certe condizioni il ΔG° = -25 kJ/mol. La reazione di idrolisi, quindi, è più favorevole della reazione di condensazione: tenderebbero a idrolizzarsi spontaneamente, ma tale reazione, per quanto sia favorevole, è estremamente lenta a meno che non ci siano dei catalizzatori che favoriscono la reazione stessa. La metastabilità del DNA è incredibile e in certe condizioni, si mantiene a lungo, anche non in cellule.

vive.L'RNA è molto meno stabile, in quanto non è così importante che resistano così a lungo. Il DNA deve invece avere una struttura più durevole. In presenza di acqua in condizioni basiche, RNA si idrolizza, rompendo i legami fosfoesteri. Il gruppo ossidrilico in posizione 2 fa da nucleofilo rispetto al fosfato. Si forma Nel caso del DNA questo gruppo con c'è, e un gruppo fosfodiestere ancora legato, che può idrolizzarsi ulteriormente. ciò probabilmente è funzionale per far sì che il DNA sia più stabile. La reazione di condensazione non è favorevole: servono 25 kj/mol di lavoro, quindi la reazione di sintesi non è spontanea: difatti, all'interno delle cellule, i precursori sono nucleosidi trifosfato. L'aggiunta di ciascun residuo nella sintesi avviene rompendo uno di questi legami tra gruppi fosforici, quindi si sintetizza un nuovo legame fosfoestere. STRUTTURA TRIDIMENSIONALE

La struttura primaria è la struttura covalente, mentre la struttura secondaria e terziaria si intende la conformazione della macromolecola, cioè come sono orientati i vari angoli diedri che possono essere soggetti a rotazione.

Per quanto riguarda la struttura primaria, essa è descritta dalla loro sequenza nucleotidica. Si ha una parte ripetitiva formata da fosfato e residuo di ribosio che si ripete sempre alla stessa maniera. Se si vuole descrivere la struttura covalente, visto che si dà per scontato sia un polimero lineare, si può dire quali nucleotidi sono presenti e come si posizionano. Bisogna scegliere una direzione e per l'inizio della catena è l'estremità 5' verso 3'. Convenzionalmente si assume che l'informazione genetica contenuta negli acidi nucleici è codificata dalla loro struttura primaria. Questo perché quelle porzioni del DNA che codificano per una proteina hanno una sequenza tale per cui, ad ogni 3 residui

corrisponde un particolare residuo amminoacidico. Tutti gli angoli di torsione sono potenzialmente variabili: si ha quindi una estrema flessibilità, assumendo un numero infinito di conformazioni diverse. Esperimenti fatti negli anni '50 hanno iniziato a sottolineare la struttura tridimensionale del DNA. Dei campioni sono stati analizzati con diffrattogramma a raggi-X, presentando una organizzazione tridimensionale elicoidale con 10 residui per giro d'elica. La conformazione di ciascun residuo è la stessa nella stessa molecola, e in particolare la ripetitività dà un'indicazione che la conformazione doveva essere elicoidale con un numero di residui pari a 10 per ogni giro. Sulla base di queste informazioni, di alcuni principi che regolano le conformazioni possibili e più probabili di una molecola polimerica e sul fatto che, se c'è una conformazione nativa, deve essere stabile per essere mantenuta e anche sulla base delle regole didel DNA a doppio filamento è possibile se le due catene hanno un orientamento opposto. Per stabilizzare la conformazione, inoltre, è necessario che ci siano legami ad idrogeno tra le basi dei filamenti opposti. Accoppiando le basi, ciò funziona solo se viene abbinata adenina con timina, per avere spazio sufficiente. In questo modo sono orientati bene per avere legami ad idrogeno. Se ci sono accoppiamenti obbligati, ciò spiega anche il meccanismo di replicazione del DNA, che avviene in maniera semiconservativa. Nel processo di duplicazione cellulare, le cellule figlie ricevono un filamento che deriva dal genitore e un nuovo filamento, creato per rigenerare la struttura a doppio filamento. Ciò è facilitato dal fatto che ad ogni base azotata è accoppiata una definita base azotata. La conformazione del DNA a doppio filamento è possibile se le due catene hanno un orientamento opposto. Per stabilizzare la conformazione, inoltre, è necessario che ci siano legami ad idrogeno tra le basi dei filamenti opposti. Accoppiando le basi, ciò funziona solo se viene abbinata adenina con timina, per avere spazio sufficiente. In questo modo sono orientati bene per avere legami ad idrogeno. Se ci sono accoppiamenti obbligati, ciò spiega anche il meccanismo di replicazione del DNA, che avviene in maniera semiconservativa. Nel processo di duplicazione cellulare, le cellule figlie ricevono un filamento che deriva dal genitore e un nuovo filamento, creato per rigenerare la struttura a doppio filamento. Ciò è facilitato dal fatto che ad ogni base azotata è accoppiata una definita base azotata.

A doppia elica è cruciale per spiegare la base chimica per la replicazione dell'informazione genetica. Tale meccanismo viene sfruttato sia nella replicazione del DNA, che nella trasmissione genetica da DNA a RNA.

Il processo di replicazione semiconservativa del DNA avviene grazie alla catalisi dell'enzima DNA polimerasi e altri enzimi ausiliari, ma alla base della specificità del processo c'è l'appaiamento tra basi determinato dalla stabilità dell'interazione basata sui legami H tra basi complementari.

Quando si parla di struttura secondaria si fa riferimento alla conformazione, in particolare quella locale: assunta da un residuo rispetto ai residui vicini. Gli acidi nucleici possono assumere tre principali tipi:

AD AVVOLGIMENTO CASUALE: quando un residuo non ha la stessa conformazione di quelli adiacenti, formando struttura disordinata e irregolare;

RIPETITIVE: tutti i residui hanno la stessa conformazione, sono regolari;

A DOPPIA ELICA

DESTRORSA: si dividono in forma A e forma B;Ne esistono altre meno comuni, ma esistenti e con la loro funzione:
DNA Z: DNA sinistrorso;
DNA H: DNA a tripla elica;
RNA A SINGOLA ELICA DESTRORSA.
La forma B è quella descritta da Watson e Crick ed è assunta dal DNA in vivo o in ambiente acquoso. Mentre la forma A viene assunta in vitro dal DNA disidratato.
Inoltre, viene assunta anche dall'RNA a doppio filamento e negli ibridi DNA-RNA, che hanno significato fisiologico. Cambia il passo dell'elica, che in B è più allungata e quindi più sottile.
Le due forme sono simili in quanto elicoidali: più allungata e quindi più sottile.
Le strutture a elica degli acidi nucleici presentano due solchi: maggiore e minore, dove le basi azotate sono parzialmente esposte al solvente.
Il DNA Z ha solco minore ancora più stretto e procede al contrario.
L'RNA esiste prevalentemente a singolo filamento, che tende comunque ad organizzarsi in maniera destrorsa elicoidale spontaneamente. Le coppie di

Le basi azotate sono impilate una sopra l'altra. Le interazioni di Van der Waals stabilizzano la molecola di DNA per interazione di dipoli mutuamente indotti che si attraggono. Le stesse caratteristiche sono presenti nella molecola di RNA. Esistono strutture terziarie ben definite. Per struttura secondaria si intende la conformazione locale della catena polimerica, dei residui rispetto a quelli adiacenti, mentre per terziaria si intende la disposizione nello spazio della catena dell'intera macromolecola.

Nell'RNA ribosomiale, come negli altri tipi, si ha la molecola a singolo filamento, dove esistono regioni che però sono complementari una all'altra, formando una regione a doppia elica. Le molecole di RNA ribosomiale hanno queste caratteristiche. Le porzioni non organizzate hanno struttura secondaria ad avvolgimento casuale, mentre nelle zone complementari si ha una struttura secondaria a doppia elica di tipo A, con struttura a forcina.