Gli acidi nucleici

Capitolo 3 - Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici, l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA), prendono il loro nome dal fatto di essere presenti nel nucleo delle cellule. La loro funzione è quella di contenere l’informazione genetica e renderla disponibile per guidare il metabolismo cellulare. Ogni organismo viene costruito e fatto funzionare a partire da un "progetto genetico" scritto nel suo DNA e reso operativo tramite il suo RNA.

Gli acidi nucleici presentano una struttura molecolare per molti versi analoga a quella delle proteine. Infatti, come le proteine, anche gli acidi nucleici sono formati dalla successione ordinata di molecole più piccole. Ma mentre i mattoni che formano le proteine sono i 20 tipi di amminoacidi, gli acidi nucleici si formano a partire da 4 tipi di nucleotidi.

L'analogia tra la struttura molecolare delle proteine e quella degli acidi nucleici non è casuale. Le informazioni genetiche sono infatti "codificate" negli acidi nucleici come "successione dei nucleotidi". La cellula trasforma poi la successione dei nucleotidi in una ben precisa successione di amminoacidi. In altre parole, la particolare sequenza dei nucleotidi negli acidi nucleici rappresenta le informazioni genetiche necessarie per definire la struttura primaria di tutte le proteine di un organismo.

Gli acidi nucleici sono in pratica dei polimeri in cui le unità che si ripetono sono:

• Molecole di zucchero
• Gruppi fosfato condensate tra loro; inoltre, ad ogni molecola di zucchero è legata una base azotata.

Nel DNA, lo zucchero è il deossiribosio, nell'RNA invece è il ribosio.

Struttura chimica delle basi azotate

In chimica, una base azotata è un qualsiasi composto che manifesta proprietà basiche per via della presenza di un doppietto elettronico non condiviso su un atomo di azoto, ad esempio l'ammoniaca e le ammine. In biochimica, per base azotata si intende una delle cinque basi presenti nel DNA e nell'RNA. Si distinguono in purine e pirimidine.

Uracile, citosina e timina sono dette basi pirimidiniche, mentre adenina e guanina sono dette basi puriniche dal nome delle basi aromatiche considerate loro capostipiti.

• Purine: Adenina (A) e Guanina (G)
• Pirimidine: Citosina (C), Timina (T) e Uracile (U)

Nel DNA si trovano entrambe le purine e, tra le pirimidine, citosina e timina. Nell'RNA la timina T è sostituita dall'uracile U. Nel DNA le basi si accoppiano a due a due con legami a idrogeno, mentre nell'RNA, essendo questo una catena singola, non sono legate tra loro. Precisamente nel DNA: l'adenina A si lega alla timina T con 2 ponti idrogeno mentre la citosina C con la guanina G con 3 legami idrogeno.

La pirimidina è una molecola eterociclica aromatica con 2 atomi di N in posizione 1 e 3; i composti da essa derivati si dicono pirimidine e tra questi troviamo appunto le tre basi azotate: citosina C (presente in entrambi gli acidi nucleici), timina T nel DNA e uracile U nell'RNA.

Tra i derivati pirimidinici troviamo i barbiturici, farmaci ad azione principalmente sedativa o ipnotica. Se somministrato per via endovenosa, il tiobarbiturico (barbiturico contenente un atomo di zolfo S al posto di uno di ossigeno O) conosciuto come sodium pentothal provoca un'anestesia generale, e in dosi minori, una particolare forma di ipnosi, che ha indotto la sua reputazione di siero della verità.

La purina, invece, è una molecola eterociclica aromatica, la cui struttura è ottenuta dall'unione di un anello pirimidinico e di un imidazolo; quando poi sono presenti specifici sostituenti si parla di purine. Le purine di nostro interesse sono adenina A e guanina G, mattoni costituenti degli acidi nucleici.

Altri composti purinici importanti sono la caffeina presente nel caffè, nel tè e nella coca-cola e la teobromina presente nel cacao (sono precisamente alcaloidi; per alcaloide si intende una sostanza organica di origine vegetale avente gruppi amminici tali da impartire alla struttura un carattere basico, e dotata di grandi effetti farmacologici in relazione all'assunzione di piccole dosi di sostanza (p. es. caffeina, morfina, stricnina).

Nucleosidi e nucleotidi

Gli acidi nucleici sono i vettori dell’eredità e agenti del trasferimento dell’informazione genetica. Sono polimeri lineari di unità chiamate nucleotidi. I due tipi principali: acido deossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA).

Dall'unione di una base azotata purinica (A e G) o pirimidinica (C, T, U) e di uno specifico zucchero pentoso (i pentosi sono monosaccaridi a cinque atomi di carbonio) come il D-ribosio oppure il 2-D-deossiribosio si ottengono i nucleosidi.

Ecco un nucleoside formato da zucchero + base azotata; lo zucchero è il D-ribosio e la base β-N1-azotata è la citosina C, si ottiene in tal caso la citidina. Il legame che li unisce è un legame glicosidico.

Il legame glicosidico è quello che lega uno zucchero ad un'altra molecola. Possono essere 2 zuccheri (ad esempio il legame alfa-1,4 che tiene unite le molecole di glucosio nell'amido) o ad esempio uno zucchero e una base azotata. In questo caso prende il nome di legame N-glucosidico.

Il legame che si forma tra le molecole di monosaccaride è detto legame glicosidico e deriva dalla reazione di condensazione tra un gruppo alcolico di una molecola di monosaccaride e un gruppo alcolico di un'altra molecola di monosaccaride, con eliminazione di una molecola d'acqua:

La ciclizzazione dei monosaccaridi porta alla formazione di un atomo di carbonio emiacetalico (il C1 nel D-glucosio) poiché è contemporaneamente il carbonio di un alcol e di un etere essendo legato sia ad un gruppo ossidrile (-OH) sia ad un atomo di ossigeno (-O).

Il legame glicosidico si riferisce quindi al legame che unisce il gruppo emiacetalico di uno zucchero con un atomo, di solito nucleofilo, di un'altra molecola. Di solito l'atomo è di ossigeno, azoto o (più raramente) zolfo: i legami corrispondenti sono detti O-glicosidici, N-glicosidici e S-glicosidici. La molecola che ne deriva è invece detta glicoside.

Da un punto di vista chimico il legame è una condensazione in quanto libera una molecola d'acqua; la reazione inversa, di scissione del legame, sarà invece un'idrolisi.

Il carbonio C emiacetalico è stereogeno e genera 2 nuovi isomeri detti anomeri, gli anomeri alfa e beta:

• α se l’OH- alfa è al di sotto del piano
• β se l’OH- beta è al di sopra del piano

Quindi, anche il legame glicosidico può essere di 2 tipi:

• α-glicosidico
• β-glicosidico

La distinzione fra Alfa e Beta, sta nella disposizione del gruppo OH legato al C-1. Nell'α la direzione del legame fra C-1 e Gruppo OH sarà verso il basso, mentre nel β la direzione del legame sarà verso l'alto.

Si osservi, inoltre, che mentre le pirimidine sono legate con l'N-1, le purine si legano con l'N-9, ad esempio l'adenina (A) si lega il D-ribosio e forma l'adenosina. L'adenosina è un nucleoside β-N9-composto da una molecola di adenina legata ad un ribosio attraverso un legame glicosidico.

Se allo zucchero + base azotata (nucleoside) viene addizionato un gruppo fosfato PO₄ al C-5 dello zucchero si ottiene: zucchero + base azotata + gruppo fosfato che prende il nome di nucleotide.

I nucleotidi sono i monomeri costitutivi degli acidi nucleici. In pratica i nucleotidi sono esteri fosforici costituiti da:

• Una base azotata (purinica o pirimidinica)
• Uno zucchero pentoso (ribosio nell'RNA e deossiribosio nel DNA)
• Un gruppo fosfato che rende le molecole acide nel loro complesso

Un nucleotide è un nucleoside in cui il C-5' del pentoso lega con legame estere, un gruppo fosfato. Sopra è illustrata la struttura dell'adenosina (nucleotide monofosfato) -5'-monofosfato.

In base ai loro componenti e alla loro struttura i vari nucleotidi vengono indicati con codici standard costituiti da 3 o 4 lettere scritte in sequenza, ad esempio è possibile incontrare le sigle ATP oppure dGTP o AMPc. Vediamo nel dettaglio la notazione adoperata:

1. Come già detto in precedenza le basi azotate vengono indicate con le seguenti lettere:
   
   • Adenina A ed il corrispondente nucleoside è l’adenosina
   • Guanina G ed il corrispondente nucleoside è la guanosina
   • Citosina C ed il corrispondente nucleoside è la citidina
   • Timina T nel DNA; ed il corrispondente nucleoside è la timidina
   • Uracile U Nell'RNA (al posto della timina T); ed il corrispondente nucleoside è l’uridina
2. La lettera d è presente solo nei nucleotidi del DNA e sta per "deossi": difatti queste molecole contengono il deossiribosio al posto del ribosio che invece è presente nell'RNA.
3. Come abbiamo visto nel nucleotide è presente anche un gruppo fosfato, in realtà in generale possiamo trovare anche due o tre gruppi fosfato legati al carbonio C-5 dello zucchero pentoso; se è presente un solo gruppo fosfato si usa la lettera M (monofosfato), se ce ne sono due si usa la lettera D (difosfato), se ce ne sono tre si adopera la lettera T per trifosfato.
4. La lettera P indica la presenza del gruppo fosfato. Così la sigla ATP indica l'adenosina trifosfato ed è formata dall'adenina A, lo zucchero ribosio e da 3 gruppi fosfato (T= tri; P = fosfato).
5. Quando la molecola presenta una struttura ciclica viene messa una lettera "c" al termine della sigla (o all'inizio nei lavori in inglese), un esempio è l'AMPc = adenosina monofosfato ciclico che può essere prodotto a partire dall'ATP per azione enzimatica.

Struttura dell'ATP, ADP, AMP

L'ATP è un nucleotide ed è la principale fonte diretta di energia chimica nei processi biologici (è essenziale nella produzione e nell'immagazzinamento di energia). È formato da:

• In posizione 1’ (uno-primo) lo zucchero ribosio lega la base azotata (adenina) ed il gruppo fosfato
• In posizione 5’ (cinque-primo) - vedi figura seguente

L’adenina e il ribosio formano l’adenosina, che è un nucleoside. L’adenosina più un gruppo fosfato forma una molecola di AMP (adenosina monofosfato) o acido adenilico. Può legare un altro fosfato diventando ADP (adenosina difosfato).