Riassunto esame Biochimica, Prof. Marcocci Lucia, libro consigliato Principi di biochimica , Lehninger

ACIDI NUCLEICI

Gli acidi nucleici sono le molecole polimeriche che costituiscono il patrimonio informazionale della

cellula. Sono polimeri di nucleotidi tenuti insieme da legame fosfodiesterico, che si stabilisce tra una

molecola di acido fosforico (il pK del gruppo fosforico è 0 → è sempre carico negativamente) e gli

ossidrili in posizione 5’ → 3’ di due nucleosidi successivi. La catena di un acido nucleico ha una

direzionalità, che per convenzione è indicata a partire dall'estremità 5’ → 3’.

Due sono i polimeri nucleotidici fondamentali:

 Acido deossiribonucleico (DNA): conserva

l’informazione genica per specificare le sequenze

delle proteine e degli RNA.

 Acido ribonucleico (RNA): serve a trasferire

l’informazione contenuta nel DNA in proteine. A

livello evolutivo è il primo ad essersi sviluppato e,

in alcuni organismi, ha il ruolo di conservare

l’informazione genica. La sua funzione, però, è

comunque quella di mediatore dell’informazione

genica dal DNA alle proteine.

Sia DNA sia RNA possono autoreplicarsi, distribuendo

poi l’informazione genica ottenuta nelle cellule figlie.

Meccanismi di trasferimento delle informazioni nella cellula: le frecce gialle rappresentano casi

generali mentre le frecce blu rappresentano casi speciali (soprattutto di virus a RNA).

Nucleotidi e nucleosidi

I nucleotidi sono composti formati da tre componenti essenziali:

 Una molecola di pentosio (deossi/ribosio): la differenza tra DNA e RNA riguarda lo zucchero.

Nell’RNA, infatti, in posizione 2 ci sta OH e lo zucchero è il ribosio mentre nel DNA in

al posto di OH c’è un H e lo zucchero è il deossiribosio.

posizione 2

 Una base azotata (pirimidina o purina): è legata al ribosio attraverso un legame beta

glicosidico.

Un gruppo fosfato: legato con un legame fosfoesterico all’ OH in posizione 5. Il nucleotide

 senza il gruppo fosforico è detto nucleoside. 118

Ribosio (!! sapere reazione di emiciclizzazione)

Il ribosio è uno zucchero aldoso a 5 atomi di carbonio, dove tutti i gruppi ossidrilici sono in

configurazione D. La struttura ad anello viene chiusa grazie al legame N-acetalico intramolecolare

con l’OH in posizione 4 che fa attacco nucleofilo sul C aldeidico. Questo zucchero si trova in forma

chiusa (ad anello) all’interno degli acidi nucleici e può presentare due differenti conformazioni in cui

in posizione 2’ sia

4 atomi di C sono complanari mentre il rimanente C, che può essere sia quello

quello in posizione 3’, può trovarsi sotto (conformazione eso) o sopra (conformazione endo) il piano

dell’anello.

Caratteristiche chimiche delle basi azotate (!! conoscerle tutte e 5)

cui gli anelli sono pressoché planari; nelle purine c’è

Le basi azotate sono molecole aromatiche, in

un leggero ripiegamento nelle catene tra i due anelli. Sono idrofobiche e relativamente poco solubili

a pH 7, motivo per cui sono in grado di impilarsi l’una sull’altra. Vengono distinte in:

Puriniche: il legame β-glicosidico si instaura con l’azoto in posizione 9. Comprendono:

 o Adenina: sul C4 presenta il gruppo amminico

o Guanina: sul C4 presenta un gruppo chetonico mentre in posizione 2 è presente il

gruppo amminico.

Pirimidiniche: il legame β-glicosidico si instaura con l’azoto in posizione 1.

 o Citosina: sul C4 presenta un gruppo amminico e sul C2 un gruppo chetonico.

o Timina: uracile metilato.

o Uracile: presenta due gruppi chetonici. la timina è la base azotata

Adenina, guanina e citosina sono presenti sia nel DNA sia nell’RNA,

specifica per il DNA mentre l’uracile è la base azotata specifica dell’RNA. 119

Queste basi azotate possono esistere sia nella forma tautomerica lattamica sia nella forma

l’ossigeno può essere presente sia in forma enolica

tautomerica amminica, ovvero il C a cui è legato

sia in forma chetonica e l’ammina può essere presente sia come tale sia come immina. Le basi

azotate hanno sempre l’azoto in forma amminica e il legame tra ossigeno e carbonio è sempre del

tipo chetonico (forma lattamica).

Esempio: forme tautomeriche dell'uracile

Le basi azotate possono essere tenute insieme da una serie di legami idrogeno. Quelli più rilevanti

sono quelli individuati da Watson e Crick, secondo i quali:

 A si lega a T con 2 legami idrogeno

 C si lega a G con 3 legami idrogeno.

Conformazione dei nucleosidi

I nucleosidi possono esistere in due conformazioni relative alla posizione dell’anello della base

azotata rispetto a quello dello zucchero (in genere le due strutture sono perpendicolari). Le

conformazioni si distinguono in:

Sin: l’anello sta nello stesso spazio dell’anello dello zucchero,

 Anti: l’anello è lontano dal piano su cui giace lo zucchero

 120

Alcuni derivati dei nucleotidi sono presenti in animali, batteri e piante. Ad esempio:

 5-metilcitidina è la citosina metilata in posizione 5.

adenosina, caratterizzata dalla metilazione sul gruppo amminico dell’adenina.

 n 6-metil in cui è presente l’idrossimetile in posizione 5.

 5-idrossimetilcitidina,

I derivati presenti a livello del tRNA, invece, sono di tipo diverso:

 Inosina: guanosina deaminata

 Pseudouridina: uridina in cui il ribosio è legato al C5

 7-metilguanosina: presenta un metile in posizione 7

Tiouridina: presenta uno zolfo al posto dell’ossigeno



Nomenclatura 121

I nucleotidi esistono in 3 diverse forme di fosforilazione:

 forme monofosfato

 forme difosfato

 forme trifosfato

NMP, NDP e NTP sono la nomenclatura per le forme generiche, dove N sta ad indicare una base

generica: molecola di fosfato (α) attraverso un legame

 NMP: uno zucchero legato alla base e ad una

fosfoesterico.

NDP: presenta due molecole di fosfato (α, β) legate tra loro da un legame fosfoanidridico.

 NTP: presenta tre molecole di fosfato (α, β, γ). Il terzo fosfato è legato al resto della

 molecola da un legame fosfoanidridico.

Gli ossigeni dei gruppi fosfato non risultano liberi ma complessati al Mg in modo tale da

+2

neutralizzare le due cariche negative del nucleoside (MgATP ). Esiste anche il complesso Mg-ADP

2-

in cui il magnesio lega le due cariche negative neutralizzandole, lasciando libera una sola carica

negativa (Mg ADP )

-

Struttura del DNA

Le prime informazioni sulla struttura del DNA vengono ottenute grazie agli esperimenti di Rosalind

Franklin, la quale svolge degli esperimenti di cristallografia a raggi X su cristalli di acidi nucleici,

esperimenti che, a causa delle radiazioni, le provocheranno una leucemia. Da questi esperimenti

deduce che nel DNA il numero di adenine è uguale al numero di timidine e quello delle guanine è

uguale a quello delle citosine, quindi: A = T

G = C

A + G = T + C

La composizione in basi del DNA varia tra le specie. All’interno dello stesso organismo, le molecole

di DNA isolate da tessuti diversi hanno la stessa composizione di basi, composizione che non si

modifica con l’età o con lo stato nutrizionale. 122

Secondo il modello di Watson e Crick il DNA è

una molecola costituita da due filamenti

polinucleotidici elicoidali antiparalleli 5’ → 3’

3’ → 5’ avvolti l’uno sull’altro a formare una

-

doppia elica destrorsa. Lo scheletro covalente

esterno è costituito da deossiribosio e fosfato, con

lo zucchero in configurazione C2’ endo, le basi

sono all’interno dell’elica. Nel modello di

Watson e Crick, inoltre, le basi sui due diversi

filamenti sono appaiate in modo complementare

grazie alla presenza dei legami a idrogeno. Tra le

basi, infatti, si crea una relazione spaziale che

definisce una scanalatura maggiore e una

scanalatura minore sulla superficie dell’elica.

Strutture secondarie del DNA

Il DNA esiste in varie strutture secondarie che dipendono

da:

 Diversa conformazione del ribosio

 Rotazione intorno a legami che fanno parte dello

scheletro di fosforibosio e N-glicosidico

 Rotazione intorno al legame C-1’

Nel modello a doppia elica di Watson e Crick, definito

forma B del DNA, si riconoscono due scanalature, la

maggiore e la minore.

Altre due varianti della struttura del DNA sono la forma A e la forma Z:

 La forma A è favorita nelle soluzioni di DNA povere

d’acqua ed è caratterizzata da un'elica destrorsa con

più basi per giro (11). Il piano delle basi, invece che

essere quasi perpendicolare all’asse dell’elica come

si verifica nella forma B, è inclinato di 20° e la

scanalatura maggiore è più profonda, quella minore

meno. È la forma con cui il DNA cristallizza ed esiste

nella cellula solo in concentrazione molto bassa.

La forma Z ha un’elica sinistrorsa con 12 basi per

 giro d’elica e lo scheletro dei residui fosfodiesterici

assume un andamento a zig-zag. Nei tratti a forma Z

o zig-zag le basi hanno una conformazione sin e

questi tratti, detti isole pCpG (fosforo-citosina-

fosforo-guanina), sono caratterizzati da una sequenza

ricca di basi puriniche alternate a basi pirimidiniche

e sembrano essere presenti nelle sequenza che

regolano l’espressione o la ricombinazione genica. 123

L’elemento che regola la presenza di una determinata forma strutturale è la conformazione dei

nucleotidi. Di seguito nella tabella vengono riassunte le caratteristiche di ciascuna forma strutturale

del DNA: inoltre, le basi sono a 90° rispetto all’asse dell’elica mentre nella forma A le basi

Nella forma B e Z,

sono inclinate a 20°.

Alcune sequenza di DNA, inoltre, adottano strutture insolite. Una base purinica può interagire sia con

il proprio N1 che con il proprio N8, contemporaneamente con altre 2 o 3 basi a costituire DNA triplex

detto DNA H (strutture speculari con alternanza di purine e pirimidina) e DNA tetraplex detto G

tetraplex. Queste strutture sono tipiche di molecole di DNA metabolicamente attive e si trovano nei

siti regolatori o di ricombinazione. 124

Un appaiamento particolare è l’appaiamento di Hoogsteen in cui si riconoscono strutture di DNA

triplex, strutture a livello delle quali i legami idrogeno si formano in maniera diversa.

Sequenze alternate di residui di T e C favoriscono la formazione di DNA H a tripla elica (interazione

mediante legami H tra più basi).

Spesso, inoltre, a livello delle strutture secondarie del DNA le sequenze di basi presentano particolari

simmetrie quali:

 Sequenze palindromiche: sono sequenze speculari su due filamenti diversi.