Chimica dei Sistemi Biologici

Dna ed rna

Il DNA (acido desossiribonucleico o deossiribonucleico) è un acido nucleico di fondamentale importanza nella sintesi di RNA e proteine, molecole indispensabili per la vita della cellula. Il DNA è, chimicamente, un polimero organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi. La disposizione dei nucleotidi nel DNA è fondamentale per la definizione della struttura delle molecole che vengono generate a partire dal DNA stesso (proteine ed RNA).

Così come il DNA, l’RNA è un polimero organico costituito da nucleotidi. Quest’ultimi sono realizzati a partire dal legame di uno zucchero (il ribosio nell’RNA e il desossiribosio nel DNA) rispettivamente con un gruppo fosfato e un gruppo basico aromatico. I nucleotidi del DNA sono detti, appunto per la presenza del desossiribosio, desossiribonucleotidi, mentre quelli dell’RNA, ribonucleotidi.

Il gruppo fosforico che forma i nucleotidi è importantissimo nella creazione di quello che è il cosiddetto “scheletro covalente degli acidi nucleici”. Difatti, i nucleotidi, sono legati tra di loro per mezzo di legami covalenti con il gruppo fosfato, creando un’alternanza tra i gruppi fosfati e gli zuccheri a cui sono legati mediante un legame fosfodiestere. Gli anelli aromatici a cui gli zuccheri sono legati vanno a completare lo scheletro disponendosi lateralmente.

Come abbiamo detto, gli zuccheri che compongono gli acidi nucleici possono essere il ribosio e il desossiribosio. Questi sono dei pentosi che differiscono per la presenza, sul carbonio 2 del desossiribosio di un gruppo –OH. La presenza di questi zuccheri conferisce una notevole flessibilità all’acido nucleico, in quanto l’anello tende a presentare una conformazione non lineare (detta “a busta) di tipo C2’-endo o C3’-endo in cui si hanno 4 atomi sullo stesso piano e uno al di fuori.

Basi azotate e struttura DNA/RNA

Gli anelli aromatici citati in precedenza non sono altro che le cosiddette basi azotate, la cui successione lungo la molecola determina l’informazione genica. Queste, appartengono a due diversi gruppi: le purine e le pirimidine. Le purine contengono il sistema ciclico della purina, un anello aromatico a nove atomi costituito dalla condensazione di un anello pirimidinico e di un anello imidazolico. Due esempi di basi puriniche sono la Guanina e l’Adenina.

Le pirimidine contengono, invece, la pirimidina e sono, ad esempio, la Timina, la Citosina e l’Uracile. Raramente, queste basi si possono presentare in forme modificate dovute per lo più alla metilazione delle basi di Adenina e Citosina.

La presenza di queste basi lungo i filamenti di DNA determina la nascita di legami idrogeno tra di esse, dando vita alla ben nota struttura a doppia elica del DNA. Il legame idrogeno è un legame che si forma quando un atomo di idrogeno è legato a due atomi diversi da esso. È un legame direzionale che, nel DNA, permette l’accoppiamento delle basi secondo l’ordine: Adenina-Timina, Citosina-Guanina.

RNA e legami idrogeno

Nel caso dell’RNA non si ha la formazione del doppio filamento tipico del DNA e, inoltre, le basi si dispongono secondo l’ordine Guanina-Citosina, Adenina-Uracile escludendo la Timina. Tra la Guanina e la Citosina abbiamo la formazione di ben 3 legami idrogeno. Nella fattispecie, nel DNA, tra l’Adenina e la Timina due legami a idrogeno e nell’RNA due legami a idrogeno tra Adenina e Uracile. Questa particolare disposizione, molto selettiva, è alla base delle informazioni genetiche che il DNA e l’RNA recano al loro interno.

La presenza di queste basi eterocicliche permette agli acidi nucleici di essere poco solubili in acqua a pH neutro. Questo tipo di idrofobia, tuttavia, può essere eliminata agendo sul pH della soluzione.

Nucleotidi e struttura primaria del DNA

Si definisce nucleoside l’associazione di una base con uno zucchero mediante legame glicosidico. L’aggiunta al nucleoside di un gruppo fosfato porta alla formazione del cosiddetto nucleotide. I gruppi fosforici presenti in un nucleotide possono essere al massimo tre (nucleosidi mono, di e trifosfato) e sono molto importanti in quanto fonti energetiche delle cellule. La presenza del gruppo fosfato, inoltre, permette ai nucleotidi di essere legati tra di loro per mezzo del sopracitato legame fosfodiestere e determina l’acidità delle molecole di DNA ed RNA.

Il legame in questione è fondamentale in quella che è la struttura primaria del DNA, la quale reca le informazioni genetiche e permette alle estremità della stessa catena di essere perfettamente distinguibili.

Modello a doppia elica del DNA

Il modello a doppia elica del DNA fu proposto, per la prima volta, da Watson e Crick, due ricercatori i quali furono spinti alla proposizione di questo modello per mezzo di due informazioni fondamentali. La prima di queste informazioni è nota come “regole di Chargaff” e consiste nel fatto che la quantità di Timina è sempre uguale a quella di Adenina, così come quella di Citosina e quella di Guanina proprio perché si ha l’accoppiamento delle basi per mezzo di legami a idrogeno.

La seconda informazione derivava dai patterns di diffrazione dei raggi X su fibre di DNA. Questo modello permise la descrizione della struttura secondaria del DNA, ovvero una doppia elica con le strutture primarie esterne e le basi accoppiate all’interno. È molto importante notare che le due eliche non sono equamente distanziate. Si ha pertanto la formazione di una struttura “a solchi” con un solco maggiore e uno minore.

Quest’ultimo è solo uno dei tanti motivi per i quali il DNA è una molecola stabile. Infatti, le basi idrofobiche si trovano all’interno della doppia elica venendo, quindi, protette dalle interazioni con acqua. I legami idrogeno presenti, inoltre, seppur deboli, sono molto numerosi e riescono in tal modo a fornire un’ulteriore fonte di stabilità. Infine, i filamenti hanno la capacità di impilarsi gli uni sugli altri stabilizzandosi ulteriormente.

Forme del DNA

Il DNA, così come descritto da Watson e Crick, può presentarsi in varie forme le cui più comuni nel mondo biologico sono la forma B, la forma A e quella Z. Nella forma B le basi azotate sono orientate in modo più o meno perpendicolare all’asse dell’elica e lo zucchero si trova nella forma C2’-endo. Nella forma A il diametro dell’elica è maggiore e lo zucchero si trova nella forma C3’-endo. Infine, la forma Z, presenta purine e pirimidine alternate e si ottiene in casi di forza ionica elevata o per la presenza di cationi divalenti.

Sono state isolate molte altre forme di DNA in laboratorio, tuttavia, le tre precedentemente descritte sono quelle che si trovano naturalmente nelle cellule e hanno validità biologica. In ogni caso, la catena del DNA può avere delle dimensioni che vanno dai 22 ai 26 Angstrom di larghezza a diversi millimetri di lunghezza proprio a causa dell’elevato numero di nucleotidi che può contenere.

RNA, struttura e funzioni

Per quanto riguarda l’RNA, si può dire che esso è chimicamente molto simile al DNA. Tuttavia, evidenze sperimentali hanno dimostrato che la quantità di Adenina, al suo interno, non eguaglia quella di Uracile. Pertanto, l’RNA ha una struttura a singoli filamenti poliribonucleotidici. Esistono, comunque, filamenti a doppia elica destrorsa nella cosiddetta forma A dell’RNA, recante, anch’essa, le coppie delle basi fortemente inclinate rispetto alla posizione perpendicolare come nell’A DNA. Non esiste, tuttavia, una forma B per la doppia elica dell’RNA a causa della presenza di un gruppo ossidrilico in più sugli anelli di ribosio tipici del filamento.

Funzioni biologiche del DNA

Il DNA, negli eucarioti, è presente nei cromosomi, ovvero strutture composte da DNA e proteine che recano il genoma dell’intera cellula. Nell’uomo, il genoma conta circa 3 miliardi di paia di basi contenute in 46 cromosomi. Proprio grazie alla struttura a doppia elica del DNA, esso può dare vita a processi di replicazione molto importanti per riproduzione cellulare. Il meccanismo che si basa su questo assunto permette la creazione di filamenti complementari del DNA ad opera dell’enzima DNA polimerasi, che riesce a produrre filamenti del tutto identici a quelli di partenza, ottenendo, così, cellule uguali.

Per dare il via al processo replicativo si ha l’apertura della doppia elica del DNA per mezzo della sua denaturazione, realizzata delle elicasi e delle single-strand-binding proteins, le quali sfruttano l’energia derivante dall’ATP. Dopo aver effettuato l’apertura della catena, il DNA polimerasi inizia a produrre un nuovo filamento di DNA a partire da uno preesistente, poiché non è in grado di realizzarne uno ex-novo. Per questo motivo, nella cellula in replicazione, deve essere presente un primer (filamento preesistente) sintetizzato da enzimi appositi detti primasi.

Processo di replicazione

Durante la replicazione, il cosiddetto filamento veloce che viene replicato in modo continuo. Di contro, si ha un filamento lento costituito da brevi segmenti, detti frammenti di Okazaki, che presentano un innesco iniziale di RNA. Questi nuovi filamenti vengono privati dell’innesco di RNA da parte degli endonucleasi e legati tra di loro per mezzo delle DNA ligasi.

Oltre al processo di replicazione del DNA, possiamo avere anche un processo di trascrizione. Per trascrizione si intende il processo per mezzo del quale la sequenza nucleotidica di un gene è copiata in un filamento di RNA. Tale processo avviene per mezzo dell’enzima RNA polimerasi. L’RNA così ottenuto può essere utilizzato per la costituzione dei ribosomi o per la produzione di mRNA, previa maturazione del filamento.

Processo di traduzione

Infine, troviamo il processo di traduzione, per mezzo del quale dei filamenti di mRNA vanno ad unirsi ai ribosomi generando le proteine necessarie alla cellula.

Telomeri

Si definiscono telomeri le regioni terminali dei cromosomi lineari in cui il DNA passa da doppio a singolo filamento. Queste regioni sono ricche di Guanina e non codificano alcun messaggio. Tuttavia, a causa della loro tendenza a ripiegarsi su se stesse, portano alla formazione di particolari strutture a quadrupla elica composte da migliaia di ripetizioni di sequenze semplici di TTAGGG.

Questa particolare conformazione è dovuta ai legami a idrogeno di tipo Hoogsten, i quali presentano al centro della struttura degli ioni metallici (prevalentemente K⁺ ed Na⁺). I telomeri sono fondamentali in quanto permettono alla cellula di replicare le estremità dei cromosomi senza che ci sia perdita di informazioni geniche.

Il ruolo che svolgono i telomeri permette, fondamentalmente, di comprendere il processo di invecchiamento cellulare. Ad ogni replicazione, infatti, i telomeri subiscono un accorciamento che viene riparato dell’enzima telomerasi. Tale enzima, tuttavia, è presente solamente nelle cellule germinative e scompare nel corso della vita. Per questo motivo, il DNA telomerico, col passare del tempo, diviene sempre più corto e questo corrisponde ad un invecchiamento cellulare.

È bene sottolineare che questo processo non riguarda le cellule tumorali, nelle quali l’enzima telomerasi risulta costantemente attivo. Ciò comporta l’immortalità delle cellule tumorali.

I complessi metallici nella biologia

Nel mondo della biologia troviamo l’unione di alcuni elementi per la formazione di nuove molecole e l’allontanamento di altri. Nelle cellule abbiamo un grandissimo utilizzo di elementi fondamentali come H, C, O, N e di alcuni metalli e non come Na, K, Ca, Mg, P, S e Cl.

Poiché i metalli contengono una forte densità di carica positiva si comportano da acidi di Lewis mentre, gli altri ligandi presenti, che possono essere anionici o neutri, si comporteranno da basi di Lewis. Questi ligandi si attaccano direttamente al metallo centrale formando la cosiddetta sfera di coordinazione del complesso e il numero di ligandi che la compone può essere variabile.

Ovviamente, la formazione di questi complessi è condizionata dalla costante di formazione della reazione, la quale conferisce stabilità o meno al complesso. In base al numero di ligandi presenti nella sfera di coordinazione possiamo avere complessi tetracoordinati (struttura tetraedrica) e complessi esacoordinati (struttura esaedrica). I ligandi possono essere catalogati in tre modi: in base al numero di legami che possono fare oppure, alla loro elettronegatività e dimensione. I ligandi che formano un solo legame sono detti monodentati, quelli che ne formano due sono detti bidentati e così via, fino ad arrivare ai pluridentati (ad es. EDTA). Inoltre, possiamo avere ligandi hard-soft. Quelli definiti “hard” sono molto basici, i rimanenti sono definiti “soft”.

Così come i ligandi, anche i metalli sono definiti in modo analogo: quelli “hard” sono di piccole dimensioni e poco elettronegativi mentre quelli “soft” sono di grandi dimensioni e hanno una bassa carica. Ligandi “hard” preferiscono cationi “hard” e ligandi “soft” preferiscono cationi “soft”.

I metalli di cui abbiamo parlato sono, generalmente, metalli di transizione, ovvero metalli i cui orbitali d sono occupati e possono contenere fino ad un massimo di 10 elettroni. Le caratteristiche di questi metalli sono la buona conduttività, la loro malleabilità e lucentezza e il loro alto punto di diffusione. In particolare, gli elementi della prima serie di transizione, formano composti colorati con i ligandi di cui sopra, dando vita ai complessi colorati. Inoltre, possiedono più di uno stato di ossidazione e mostrano proprietà magnetiche.

Il colore accennato precedentemente può essere analizzato e spiegato utilizzando la teoria del campo cristallino. Essa afferma che in un complesso si ha il riarrangiamento della distribuzione spaziale degli orbitali a causa della mutua repulsione tra gli elettroni del metallo e quelli del ligante e della attrazione tra gli elettroni del ligante e il metallo. Si ha, quindi, la separazione delle energie dei nuovi orbitali distribuiti nello spazio, misurabile mediante tecniche spettrofotometriche. Questa separazione dipende dallo stato di ossidazione del metallo, dalla natura dello ione metallico e da quella del ligante.

Cationi metallici in biologia

I cationi metallici, in biologia, rivestono particolare importanza. Sono, infatti, fondamentali nel trasporto dell’impulso elettrico che coinvolge le cellule. Inoltre, mantengono il potenziale di membrana costante e forniscono elettroni per le reazioni redox all’interno delle cellule. In base alla loro disposizione lungo la tavola periodica, i cationi metallici assumono differenti ruoli all’interno della cellula.

Gli elementi dei gruppi 1 e 2, ad esempio, sono associati ad una chimica di equilibrio ionico. Quelli di transizione sono importanti, invece, nelle reazioni redox sopracitate e nella chimica covalente delle cellule. Infine, i non metalli che entrano in gioco nei processi cellulari, prendono parte alla formazione di polimeri e alle reazioni redox.

In ogni caso, gli elementi del blocco S sono, in assoluto, i cationi più presenti nel mondo della cellula. Sodio, potassio, magnesio e calcio, sono, infatti, fondamentali nella costituzione delle cellule scheletriche, in molti processi biochimici ed enzimatici.

Un esempio dell’importanza dei cationi sodio e potassio è dato, appunto, dalla pompa sodio/potassio. Questo processo ha lo scopo di mantenere costante la concentrazione intra ed extra cellulare dei due ioni. Tale processo avviene grazie all’impiego di una molecola di ATP che viene idrolizzata per mezzo di un enzima detto ATPasi. Questa proteina accoglie sulla sua struttura tre ioni sodio; successivamente, si lega ad una molecola di ATP e, per mezzo della sua idrolisi, ricava l’energia necessaria al suo cambio di conformazione portando gli ioni sodio all’esterno della cellula. L’inversione di conformazione decreta una grande selettività di questa proteina.