Gli acidi nucleici

L’AMP

fosfato forma una molecola di AMP (adenosina monofosfato) o acido adenilico. può

legare un altro fosfato diventando ADP (adenosina difosfato). Poi una molecola di ADP puo

legare un altro fosfato diventando ATP (adenosina trifosfato). 

dell’ATP vengono indicati con le lettere dell’alfabeto greco:

I tre gruppi fosfato alfa (quello

 

legato al ribosio), beta e gamma gli altri due (beta il fosfato intermedio e gamma il fosfato

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terminale). Mentre il residuo fosforico alfa è legato al ribosio con legame estereo, i residui beta e

gamma sono legati fra loro, e con l’alfa, mediante legami fosfo-anidridici. Il legame tra il fosfato

alfa ed il fosfato beta ed il legame tra il fosfato beta ed il fosfato gamma sono indicati con il

simbolo (legame ad alta energia). Il distacco idrolitico dei fosfati beta e gamma libera 7,3

L’ATP è un tipico esempio di

kcal /mol (mentre il distacco del fosfato alfa libera solo 3,5 kcal/mol).

un composto ad elevato contenuto energetico o ad alta energia..

Il legame fosfo-anidridico è caratteristico di una composto che contiene il gruppo funzionale:

-O-PO -O-PO -O- analogo ad un legame anidridico organico a base di carbonio; Negli esseri

2 2

viventi il legame fosfo-anidridico costituisce la fonte principale di energia biochimica impiegata per

svolgere le funzioni vitali dell'organismo. L'energia contenuta nel legame viene liberata con

reazioni di idrolisi opportunamente catalizzate. Il legame fosfo-estereo, invece, è un legame

chimico estere (Si ricordi che gli esteri derivano dalla condensazione di un acido carbossilico con

un alcool (processo di esterificazione)) che si instaura tra un gruppo fosfato (acido) ed un alcool in

un processo detto esterificazione, in cui viene eliminata una molecola d'acqua.

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5- Struttura a doppia elica dell'acido desossribonucleico DNA

ed agenti del trasferimento dell’informazione genetica

Gli acidi nucleici sono i vettori dell’eredità

sono polimeri lineari di unità chiamate nucleotidi. I due tipi principali: acido deossiribonucleico

(DNA) e acido ribonucleico (RNA).

L'acido deossiribonucleico o DNA è la più importante macromolecola della vita, la sua struttura fu

individuata negli anni '50 (1953) da Franklin, Watson e Crick; esso si trova nei nuclei delle

cellule ed è il portatore dell'informazione genetica per ogni organismo. Il DNA è un polimero

organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi, tutti i nucleotidi sono costituiti da tre

componenti fondamentali:

-deossiribosio

-il gruppo fosfato

-basi azotate: adenina, guanina, citosina e timina

Le sopracitate molecole si riarrangiano insieme per formare i nucleosidi monofosfato:

dAMP (deossiAdenosina Monofosfato)

dGMP (deossiGuanosina Monofosfato)

dCMP (deossiCitidina Monofosfato)

dTMP (deossiTimidina Monofosfato)

che andranno a formare le molecole di DNA.

L'acido deossiribonucleico è costituito da 2 filamenti, un singolo filamento è formato dalla

concatenazione alternata di:

- uno zucchero a 5 atomi di C (deossiribosio)

- un gruppo fosfato

- inoltre, dalla catena sporgono le basi azotate

Si ricordi che A e G sono basi puriniche perché derivate dalla purina, mentre C e T sono basi

pirimidiniche, perché derivate dalla pirimidina. Come si nota dalle formule riportate di seguito la

purina ha una struttura più ingombrante rispetto a quella della pirimidina--> per cui le basi

puriniche sono più ingombranti e basi pirimidiniche sono meno ingombranti.

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Struttura della purina Struttura della pirimidina

La base azotata si lega al deossiribosio con legame N-glicosidico.

Si osservi che un nucleotide si lega con il nucleotide successivo utilizzando sempre gli stessi

gruppi funzionali e cioè: il gruppo -OH attaccato al C-3' dello zucchero (deossiribosio) ed il gruppo

fosfato legato al C-5'. La reazione avviene grazie all'enzima DNA-polimerasi e libera un gruppo

4−

pirofosfato (l'anione P O , abbreviato PP ). Questo legame che si forma tra due nucleotidi si

2 7 i

ripete milioni di volte fino alla formazione di una molecola di DNA. La distanza tra i vari nucleotidi

è di 3.4 Å , cioè 0.34 nm (nanometri). NB: 1 Ångström [Å] = 0,1 Nanometro [nm]

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Nella figura precedente, si vede appunto la formazione del legame tra 2 nucleotidi: l'ossidrile -OH

legato al C-3' del deossiribosio di un nucleoside monofosfato si lega con il gruppo fosfato

agganciato al C-5' di un nucleoside trifosfato. Viene eliminata una molecola di pirofosfato (P-P)

L’ossidrile

In definitiva, i nucleotidi si legano tra loro in successione tramite legami fosfo-diesterei.

libero in posizione 3’ (tre-primo) del pentoso viene utilizzato per legare il gruppo fosfato del

nucleotide successivo. In questo modo si forma una catena in cui si succedono zucchero e

fosfato, mentre le basi azotate rimangono sporgenti. La catena presenta quindi una precisa

estremo il carbonio 5’ (impegnato con un gruppo fosfato) ed

direzionalità, presentando ad un

all’altro estremo il carbonio 3’ libero (non legato al gruppo fosfato). Le catene degli acidi nucleici

5’ → 3’.

vengono sempre montate in direzione In questo modo ogni filamento di DNA possiede

una specifica polarità, infatti ad una estremità si trova un gruppo 5' mentre all'altro capo del

polimero c'è un gruppo 3', entrambi liberi, ovvero non legati ad alti nucleotidi. Le basi azotate

portano l'informazione genetica ottenuta dalla loro disposizione in sequenza, mentre gli

zuccheri ed i gruppi fosfato hanno una funzione strutturale formano il cosiddetto scheletro

zucchero-fosfato.

Come abbiamo però già detto il DNA è costituito da due filamenti saldamente associati ed in

continua torsione che generano la doppia elica o DNA duplex. Nella doppia elica i due singoli

5’ → 3’

filamenti (single strand in inglese) sono disposti in direzione opposta, uno ha direzione

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5',

mentre l'altro ha direzione 3'→ per questa ragione i due filamenti vengono detti

antiparalleli. Va però ricordato che la direzione di lettura per raccogliere dati sul significato della

5’ → 3’.

sequenza delle basi è sempre Inoltre i 2 filamenti di DNA si uniscono tra loro mediante

dei legami idrogeno che si formano tra le basi azotate dei 2 filamenti. In tal modo i filamenti si

(ossia, immaginando di guardare lungo l’asse,

avvolgono e formano una doppia elica destrorsa

i due filamenti si avvolgono in senso orario); si abbinano tra loro le basi che risultano

complementari l’una rispetto all’altra. L’abbinamento avviene sempre tra una base purinica (+

ingombrante perchè costituita da un doppio anello) ed una base pirimidinica (- ingombrante,

formata da un anello singolo). In questo modo, viene mantenuta una distanza omogenea tra i due

filamenti (scheletri zucchero-fosfato) e non insorgono sconvenienti tensioni molecolari.

l’adenina A

Precisamente si lega mediante 2 legami idrogeno con la timina T e la guanina G si lega

con 3 legami idrogeno alla citosina C. In definitiva i 2 nastri nella fig. seguente rappresentano le

catene zucchero-fosfato, mentre i segmenti orizzontali rappresentano le coppie di basi azotate

che si legano con legami idrogeno.

Le basi azotate presentano una struttura planare e sono disposte in maniera parallela tra loro, come i

gradini di una scala a chiocciola. Nella figura successiva si notano i 2 ponti idrogeno che si

formano tra A e T, precisamente uno si instaura tra l'azoto N dell'adenina A e l'idrogeno H del

gruppo NH della timina T (N----H), mentre il secondo si forma tra l' H del gruppo NH dell'adenina

2

A e l'ossigeno O della timina T. 13

Invece, i 3 legami idrogeno tra G e C si instaurano tra:

1) ossigeno O della guanina G e idrogeno H del gruppo NH della citosina C

2

2) azoto N della guanina G e idrogeno H del gruppo NH della citosina C

3) idrogeno H del gruppo NH della guanina G e ossigeno O della citosina

2

Si ricordi che i legami idrogeno sono legami piuttosto deboli che possono essere rotti e riformati

facilmente mediante l'azione di enzimi oppure semplicemente possono essere scissi mediante un

aumento della temperatura. Questo aspetto diventa molto rilevante quando il DNA deve essere

aperto come una cerniera per consentirne la lettura e quindi permettere la duplicazione del

patrimonio genetico. Inoltre, i tratti di DNA con una maggioranza di legami A=T sono meno

stabili perché tra A e T si instaurano solo 2 legami idrogeno, invece i tratti di DNA con una

maggioranza di legami C G, l'unione dei due filamenti è più stabile perché tra G e C si

formano 3 legami idrogeno.

La doppia elica a forma di spirale destrorsa è larga circa 20 Å (2 nm); il passo dell'elica è 3.4 nm e

conta 10,4 nucleotidi disposti in sequenza lineare. Inoltre a struttura del DNA in natura ed in

all’asse dell’elica.

condizioni normali viene detta di tipo B con le basi perpendicolari

La struttura B è la più frequente ed è quella a cui ci si riferisce in generale. Rappresenta il DNA in

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una soluzione acquosa e forma al suo esterno due solchi di diverse dimensioni chiamati solco

maggiore largo 22 Å e solco minore largo12 Å. Le basi presenti nel solco maggiore sono più

accessibili per le proteine che si legano alla molecola.

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6- Conformazioni alternative del DNA: A-DNA, B-DNA e Z-DNA

In condizioni particolari esistono altre due strutture (conformazioni) per il DNA dette A e Z,

identiche dal punto di vista chimico ma differenti nella geometria e nelle dimensioni.

La struttura A (A-DNA)- Quando l'umidità relativa è ridotta al 75%, il DNA va incontro ad

una modificazione di conformazione reversibile e assume la cosiddetta forma A. Questa forma

non esiste in vivo; la conformazione A si presenta più frequentemente in campioni di DNA anidro,

come ad esempio, negli esperimenti di cristallografia; in vitro si può ottenere in condizioni di

ridotta idratazione, al contrario, il B-DNA in vitro si può ottenere in condizioni di completa

idratazione. Il DNA-A forma un'elica destrorsa più larga e più piatta rispetto a quella del DNA-B,

in un giro d’elica completo,

esso contiene 11 basi presenta un diametro di 2,5 nm ed un passo di

2,8 nm (28 Å) che forma nel DNA-A un buco assiale. Inoltre, i piani delle coppie di basi azotate in

questa conformazione sono inclinati di 20° rispetto all'asse dell'elica Il solco maggiore è stretto e

profondo mentre il solco minore è molto poco profondo ma più largo. La struttura A in pratica può

essere descritta come un nastro piatto avvolto i