Acidi nucleici

STRUTTURA DEGLI ACIDI NUCLEICI

Per comprendere la struttura degli acidi nucleici è utile chiarire alcuni aspetti chimici fondamentali,

Watson e Crick.

già studiati da

1. Tautomeria cheto-enolica

Quando in una molecola è presente un gruppo chetonico (C=O), esiste la possibilità di ottenere un

composto che ha la stessa formula bruta, ma differisce per la posizione di un idrogeno e la

composto enolico.

presenza di un doppio legame C=C e di un gruppo –OH. Si forma così un

Due tautomeri sono quindi isomeri che differiscono per la posizione di un atomo di idrogeno. La

forma chetonica è in genere più stabile e quindi prevalente.

2. Vincoli sterici

Questo aspetto è legato alla conformazione tridimensionale della molecola.

• Dove si trovano doppi legami, la struttura è planare e non è possibile la rotazione attorno a tali

legami.

• Nei punti in cui sono presenti legami singoli, invece, la rotazione è possibile. Ciò vale anche per

il legame N-glicosidico, tuttavia la rotazione intorno a questo legame è limitata da vincoli sterici,

che dipendono dai gruppi sostituenti.

Per evitare l’ingombro spaziale dei gruppi, sono possibili due configurazioni:

• Configurazione anti, in cui la base azotata è orientata in direzione opposta allo zucchero;

• Configurazione sin, in cui la base purinica è disposta sopra il piano della molecola.

Per le basi pirimidiniche è consentita solo la configurazione anti, mentre le basi puriniche possono

assumere entrambe le configurazioni (sono più grandi e più stabili anche sopra lo zucchero).

Nota - Il ribosio non è perfettamente planare: uno dei suoi atomi di carbonio può trovarsi

leggermente al di sopra o al di sotto del piano dell’anello.

Struttura primaria degli acidi nucleici

legami fosfoesterici:

I vari nucleotidi si uniscono tramite il gruppo fosfato, dotato di gruppi –OH,

legami fosfodiesterici,

può legarsi al gruppo –OH di un altro nucleotide. Spesso si parla di

poiché il fosfato forma due legami esterici.

tRNA 70 nucleotidi, DNA

Gli sono composti da circa quindi molecole piuttosto piccole; il degli

eucarioti, miliardi di nucleotidi.

invece, è formato da In quest’ultimo, l’asse centrale della

molecola è costituito dall’alternanza di gruppi fosfato e zuccheri (ribosio o desossiribosio), ai quali

si legano le basi azotate. La successione dei nucleotidi rappresenta la struttura primaria dell’acido

nucleico.

Strutture superiori

strutture secondarie e terziarie variabili

Le dell’RNA sono molto e dipendono dalla funzione

struttura superiore del DNA, doppia elica,

biologica da svolgere. La invece, corrisponde alla

considerata talvolta una struttura quasi quaternaria.

La doppia elica è formata da due catene polinucleotidiche antiparallele, in cui:

• parte esterna zucchero-fosfato;

La è costituita dall’asse

• parte interna basi azotate,

La è formata dalle che sporgono verso il centro.

In vivo, alla doppia elica sono legati ioni positivi (principalmente magnesio), che neutralizzano le

cariche negative dei gruppi fosfato. Il magnesio è particolarmente abbondante nelle cellule, da cui

la sua presenza stabile nel DNA.

STRUTTURA A DOPPIA ELICA DEL DNA

Appaiamento delle basi

Le basi puriniche e pirimidiniche si appaiano al centro della molecola secondo regole precise.

• Adenina (A) timina (T) due legami a idrogeno,

si lega con tramite che coinvolgono le posizioni

1 e 6 dell’adenina e le posizioni 3 e 4 della timina.

• Guanina (G) citosina (C) tre legami a idrogeno,

si lega con tramite che coinvolgono le

posizioni 2, 1 e 6 della guanina e le posizioni 2, 3 e 4 della citosina.

Le dimensioni trasversali delle due coppie di basi sono uguali, garantendo complementarietà e

riproducibilità tra i filamenti.

Nota - “cristallo aperiodico”,

Il DNA è stato definito un poiché la struttura è regolare ma

indipendente dalla sequenza delle basi.

Struttura e stabilità della doppia elica solchi maggiori e minori,

La doppia elica vista in sezione trasversale presenta che si formano

N-glicosidici

perché i legami tra zucchero e basi azotate non sono equidistanti lungo la molecola.

stabilità della doppia elica disposizione delle basi

La dipende principalmente da due fattori: le

azotate, interazioni idrofobiche,

che risultano impilate una sull’altra, e le che rappresentano il

legami a idrogeno

principale contributo alla stabilità della struttura. I tra basi complementari

ulteriore supporto,

forniscono un contribuendo a mantenere insieme i due filamenti.

Flessibilità del DNA

La flessibilità della doppia elica dipende dalla sequenza nucleotidica: le regioni ricche in guanina e

citosina (G–C) sono più stabili rispetto a quelle ricche in adenina e timina (A–T), grazie ai tre

legami a idrogeno della coppia G–C.

proteine leganti il DNA

Le possono sfruttare questa flessibilità, deformando localmente la

molecola interagendo nei solchi maggiore e minore. Questa deformabilità è fondamentale per

processi biologici come trascrizione, replicazione e regolazione genica.

Denaturazione e rinaturazione

spontaneamente

La doppia elica si forma in condizioni fisiologiche (ΔG < 0), ma può essere

calore, denaturazione.

separata se si applica un processo noto come

• Se il raffreddamento avviene lentamente, i filamenti si riappaiano correttamente, riformando la

doppia elica.

• Se il raffreddamento è rapido possono formarsi appaiamenti errati tra basi non complementari,

creando strutture instabili.

Tipi di eliche del DNA

• Struttura B - forma classica appaiamento centrale

È la descritta da Watson e Crick. Presenta

piuttosto compatta

tra le basi azotate. La molecola risulta e non permette all’ossigeno di

anti.

penetrare all’interno dell’elica. Le basi puriniche si trovano tutte in configurazione Questa

condizioni fisiologiche

conformazione si trova in (forma tipica del DNA biologico).

• Struttura A - più larga e più corta appaiamento

È rispetto alla struttura B. Presenta

eccentrico canale centrale vuoto,

tra le basi azotate, che lascia un che permette all’ossigeno

condizioni di

di penetrare nel doppio filamento. Questa conformazione si forma in

disidratazione RNA a doppia elica,

o quando si ha nel quale l’ossigeno in posizione 2' del

ribosio provoca un impedimento sterico che induce questa diversa impacchettatura.

• Struttura Z più slanciata aspetto sinistrorso

- Ha un’andatura e un (cioè l’elica si avvolge in

senso opposto rispetto alla forma B, che è destrorsa). Si forma quando le basi puriniche

configurazione sin.

assumono la

A differenza delle forme A e B, la forma Z dipende dalla sequenza nucleotidica: si osserva solo in

regioni ricche in alternanza di guanine e citosine (o adenine e guanine). Questa forma può avere

ruoli regolatori, poiché alcune proteine leganti il DNA riconoscono specificamente tratti in

conformazione Z.

Atre configurazioni particolari del dna

Oltre alle forme A, B e Z, esistono strutture più complesse del DNA che si formano in particolari

contesti o sequenze.

• DNA triplex - tripla elica,

È una struttura a che si forma quando un terzo filamento di DNA si

inserisce nella doppia elica. Le coppie di basi adenina–timina e guanina–citosina possiedono

gruppi funzionali liberi, in grado di formare ulteriori legami a idrogeno con un altro filamento; in

questo modo si genera una struttura tripla, più complessa e stabile. Il DNA triplex si trova, ad

telomeri,

esempio, nei dove non ci sono estremità libere: in questi casi, il filamento terminale si

ripiega su se stesso e si inserisce nella doppia elica, proteggendo la fine del cromosoma.

• DNA quadruplex - Si forma quando quattro guanine si legano tra loro attraverso una rete di

tetrade di guanine (G-quartet).

legami a idrogeno chiamata I due filamenti del DNA formano

due anse a forma di U, stabilizzate da ioni metallici (come il potassio). Questa struttura è stata

promotori genici, telomeri,

osservata in regioni regolatorie, come i e nei dove può influenzare

la replicazione e la trascrizione.

CROMATINA cromatina.

Il DNA può ripiegarsi ulteriormente fino a formare la

Questo processo avviene per due motivi principali:

• Ragione biometrica: il DNA è estremamente lungo e deve ripiegarsi per poter entrare nel

nucleo.

• Ragione meccanica: il DNA è una molecola fragile e il ripiegamento ne aumenta la stabilità.

Il ripiegamento è mediato da proteine ed è dinamico, poiché la cromatina può cambiare stato:

• Eucromatina: forma più lassa e trascrittivamente attiva;

• Eterocromatina: forma compatta e generalmente non trascritta.

Livelli di organizzazione della cromatina

La cromatina presenta due livelli di organizzazione: struttura nucleosomiale e fibra solenoidale.

1. Struttura nucleosomiale proteine istoniche.

È la prima organizzazione del DNA e si realizza grazie alle Questa struttura è

comune a tutti gli eucarioti (nei procarioti, invece, il DNA è circolare e si compatta tramite

superavvolgimenti). H1, H2A, H2B, H3 H4.

Gli istoni sono di cinque tipi principali: e Gli ultimi quattro sono presenti in

doppia copia e si avvolgono attorno al DNA formando due spire: questa struttura complessiva è il

nucleosoma. L’istone H1 invece si lega esternamente, stabilizzando il complesso.

“collana di perle”,

Il DNA assume così un aspetto a dove le “perle” corrispondono ai nucleosomi,

DNA).

mentre i tratti di DNA non avvolti rappresentano i filamenti di collegamento (linker Questa

organizzazione nucleosomiale è presente in tutto il genoma e si mantiene anche durante la

trascrizione.

Caratteristiche degli istoni

• Si legano al DNA indipendentemente dalla sequenza nucleotidica, interagendo con i gruppi

fosfato e con il ribosio dello scheletro zucchero-fosfato.

• Sono ricchi in lisina e arginina, due amminoacidi carichi positivamente, attratti dalle cariche

negative del DNA.

• Le estremità amminoterminali degli istoni svolgono un ruolo cruciale nel condensamento e nel

decondensamento della cromatina, attraverso modifiche post-traduzionali (come acetilazione,

metilazione, fosforilazione).

2. Fibra solenoidale (fibra da 30 nm) spessa

Il secondo livello di organizzazione è la fibra solenoidale, una struttura più compatta e

circa 30 nm, legami tra le estremità N-terminali degli istoni H4