I nucleotidi, DNA e RNA

Struttura e funzioni dei nucleotidi

I nucleotidi sono molecole essenziali per il funzionamento delle cellule. Svolgono diverse funzioni, tra cui:

• Sono i mattoni fondamentali degli acidi nucleici (DNA e RNA).
• Agiscono come segnali chimici per alcuni sistemi cellulari che rispondono a ormoni o stimoli extracellulari (AMPc e GMPc).
• Sono i componenti strutturali di cofattori enzimatici come NAD e FAD.
• Sono intermedi metabolici.

I nucleotidi sono composti da tre componenti caratteristiche:

1. Uno o più gruppi fosfato.
2. Uno zucchero pentoso.
3. Una base azotata.

La molecola senza gruppi fosforici è chiamata nucleoside.

Nei acidi nucleici si trovano due tipi di pentosio:

• Il D-ribosio nell'RNA.
• Il 2'-deossi-D-ribosio nel DNA.

La differenza tra il ribosio e il desossiribosio è la mancanza del gruppo ossidrilico sul carbonio-2 del pentosio.

Nei nucleotidi, entrambi i tipi di pentosio sono nella loro forma β-furanosidica (anello a cinque termini).

La numerazione dell'anello del pentosio segue le regole di quella dei carboidrati.

tenuto presente che nei pentosi dei nucleotidi e dei nucleosidi gli atomi di carbonio vengono identificati anche con il segno ' (si legge "primo"), per distinguerli dagli atomi di carbonio delle basi azotate. Le basi azotate sono derivati di due precursori, la pirimidina e la purina. La base azotata di un nucleoside è unita covalentemente mediante l'atomo di azoto N-1 delle pirimidine oppure l'atomo di azoto N-9 delle purine con il carbonio 1' del pentosio, formando un legame N-β-glicosidico, e il gruppo fosforico è esterificato al carbonio in posizione 5'. Il legame N-β-glicosidico si forma per eliminazione degli "elementi" dell'acqua (un ossidrile del pentosio ed un idrogeno della base azotata). I nucleotidi Sia il DNA che l'RNA contengono: - due basi puriniche, l'adenina (A) e la guanina (G), - due basi pirimidiniche. Sia nell'RNA che nel DNA una delle due basi pirimidiniche è la

citosina (C), ma la seconda non è la stessa: nel DNA è la timina (T), nell'RNA è l'uracile (U). Queste sono le unità strutturali del DNA e del RNA. Anche se i nucleotidi che contengono le basi principali sono i più comuni, sia il DNA che l'RNA possono avere anche altri tipi di basi (basi minori). Nel DNA la maggior parte delle basi minori è costituita da formemetilate delle basi più comuni. Inoltre in alcuni DNA virali alcune basi possono essere ossidrilate oglicosilate. Nel DNA, esse svolgono ruoli importanti nella regolazione e nella protezione dell'informazione genetica. Anche nell'RNA, specialmente nei tRNA, sono presenti molti altri tipi di basi minori (come ad esempio la pseuduoridina). Inoltre le cellule possono contenere anche nucleotidi con gruppi fosforici in posizioni diverse da quella del carbonio in 5'.

I nucleotidi

Proprietà chimiche e fisiche delle basi azotate

Le basi puriniche e pirimidiniche

libere sono composti leggermente basici, caratteristica da cui traggono il nome. Le comuni basi puriniche e pirimidiniche presenti nel DNA e nell'RNA sono molecole altamente coniugate (presentano doppi legami adiacenti l'uno altro). Questa proprietà ha importanti conseguenze sulla struttura, la distribuzione elettronica e l'assorbimento della luce degli acidi nucleici. La delocalizzazione elettronica tra gli atomi dell'anello conferisce il carattere di legame parzialmente doppio. Ne consegue che le pirimidine sono molecole planari, mentre le purine sono parzialmente ripiegate. Le basi puriniche e pirimidiniche possono essere in due o più forme tautomeriche, in funzione del pH del mezzo in cui si trovano. Per il loro carattere aromatico, quando sono presenti -ossi o -ammino sostituenti, essi presentano la tautomeria cheto/enolica o ammino/imminica. Questi gruppi funzionali esistono quindi come miscele tautomeriche delle coppie cheto-idrossi e

ammino-immino che differiscono tra loro per la posizione dell'atomo di idrogeno e di alcuni elettroni. Per esempio, l'uracile esiste in tre strutture tautomeriche cheto-enoliche:

• forma lattamica (chetonica)
• forma lattimica (enolica)
• forma di-lattimica (di-enolica)

A sinistra la forma chetonica (lattamica); a destra la forma di-enolica (di-lattimica).

In condizioni fisiologiche sono favorite le forme lattamiche e amminiche, i tautomeri sfavoriti possono partecipare agli eventi mutageniche.

Le strutture mostrate in precedenza quali componenti del DNA e dell'RNA, rappresentano le forme tautomeriche predominanti a pH 7,0.

Inoltre, impedimenti sterici da parte delle basi eterocicliche limitano la libertà di rotazione intorno al legame N-β-glicosidico che unisce gli zuccheri.

I nucleotidi e i nucleosidi esistono quindi nelle conformazioni stabili, non interconvertibili sin e anti, che possono essere cambiate solo per rottura e riformazione del legame.

glicosidico.La forma anti, è quella predominante, ed è in questa conformazione che i nucleotidi partecipano al normale accoppiamento tra basi nel DNA a doppio filamento, sebbene entrambe le conformazioni siano presenti in natura.

Tutte le basi nucleotidiche, per effetto della risonanza, assorbono la luce UV. Infatti una delle caratteristiche principali degli acidi nucleici è quella di assorbire la luce UV a 260 nm.

Le basi puriniche e pirimidiniche sono idrofobiche e relativamente insolubili in acqua al pH neutrale della cellula. A pH acido o alcalino le basi diventano cariche e la loro solubilità in acqua aumenta.

I nucleotidi

Polinucleotidi

I nucleotidi del DNA e dell'RNA sono uniti tra loro in successione mediante "ponti" covalenti costituiti da gruppi fosforici, in cui il gruppo fosforico in posizione 5' di un nucleotide è unito al gruppo ossidrilico 3' del nucleotide successivo, formando un legame fosfodiestere.

Il legame

fosfodiesterico è un tipo di legame covalente che si instaura tra un gruppo fosfato e due molecole di alcol in un processo detto esterificazione, in cui viene eliminata una molecola d'acqua. Lo scheletro covalente degli acidi nucleici è quindi costituito da un'alternanza di gruppi fosforici e di residui pentosio, mentre le basi azotate possono essere considerate come gruppi laterali uniti allo scheletro a intervalli regolari. Si noti che gli scheletri covalenti del DNA e dell'RNA sono idrofilici. I gruppi ossidrilici degli zuccheri formano legami idrogeno con l'acqua. I gruppi fosforici dello scheletro polare hanno un valore di pK vicino a 0 e sono completamente ionizzati e carichi negativamente a pH 7. Le cariche negative sono in genere neutralizzate da interazioni ioniche con cariche positive di proteine, ioni metallici o poliammine. Tutti i legami fosfodiestere delle catene del DNA e dell'RNA hanno lo stesso orientamento lungo la catena.

catena, conferendo a ciascun filamento una specifica polarità, ed estremità 3' e 5' distinte. Per definizione, l'estremità 5' è quella che manca di un nucleotide nella posizione 5', mentre l'estremità 3' è quella che manca di un nucleotide nella posizione 3'.

Lo scheletro covalente del DNA e dell'RNA può andare incontro ad una lenta idrolisi non enzimatica dei legami fosfodiestere. In provetta l'RNA (ma non il DNA) viene idrolizzato rapidamente in ambiente alcalino; ciò dipende dalla presenza nell'RNA del gruppo ossidrilico 2' - assente nel DNA - che partecipa a questo processo idrolitico.

Un acido nucleico relativamente piccolo viene di solito chiamato oligonucleotide. La definizione di "piccolo" è però arbitraria; il termine viene generalmente usato per polimeri contenenti 50 o meno nucleotidi. Gli acidi nucleici più lunghi vengono chiamati

polinucleotidi.I nucleotidiI legami che stabilizzano gli acidi nucleiciLa struttura tridimensionale degli acidi nucleici è determinata dalle proprietà delle basi dei nucleotidi che li compongono.I gruppi funzionali più importanti delle pirimidine e delle purine sono gli atomi di azoto, i gruppi carbonilici( e i gruppi amminici esociclici. I legami a idrogeno che si instaurano tra i gruppi amminici e i gruppiC=O)carbonilici rappresentano un sistema molto efficiente di interazione tra due filamenti complementari di acidi nucleici. I tipi più comuni di legami idrogeno sono quelli definiti da James D. Watson e Francis Crick nel 1953, dove adenina (A) si appaia specificamente con timina (T) -o con uracile (U)-, e guanina(G) con citosina (C). Queste coppie di basi predominano nel DNA e nell'RNA a doppia elica.Inoltre, negli acidi nucleici, le basi azotate vanno a sovrapporre i loro piani paralleli (come una pila di monete) promuovendo l'impilamento dei

nucleotidi grazie a interazioni idrofobiche. L’impilamento èstabilizzato anche da una combinazione di interazioni di Van der Waals e di interazioni dipolo-dipolo tra lebasi. Ciò costituisce un altro importante meccanismo di interazione dei nucleotidi negli acidi nucleici.Questa organizzazione contribuisce anche a minimizzare il contatto delle basi con l'acqua (le basi azotatesono idrofobiche) ed è fondamentale nella stabilizzazione della struttura degli acidi nucleici.L’interazione tra le basi impilate riduce la quantità di luce UV assorbita da una soluzione di acido nucleico, aconfronto con quella assorbita da una soluzione contenente lo stesso numero di nucleotidi liberi. Questofenomeno va sotto il nome di effetto ipocromico.

Scoperta della doppia elica del DNALa struttura a doppia elica del DNA è stata ottenuta mediante analisi di cristalli di DNA con il metodo delladiffrazione dei raggi X. James Watson e Francis Crick proposero

Poi un modello tridimensionale della struttura del DNA in grado di spiegare tutte le sue proprietà analizzate. In base al loro modello, il DNA è costituito da due catene elicoidali avvolte intorno a uno stesso asse per formare una doppia elica destrorsa rigida. Lo scheletro covalente idrofilico, composto da un'alternanza di deossiribosio e gruppi fosforici, è all'esterno della doppia elica, in contatto con l'ambiente circostante. Ogni base nucleotidica di una catena è appaiata sullo stesso piano con una base dell'altra catena. Watson e Crick scoprirono che le coppie di basi unite da legami idrogeno, e cioè G con C e A con T, sono quelle che si adattano meglio a questo tipo di struttura. È importante notare che si possono formare tre legami idrogeno tra le basi G e C, e soltanto due tra le basi A e T. Quando Watson e Crick elaborarono questo modello, dovettero decidere se le due catene dell'elica erano parallele o antiparallele,

cioè se i loro legami 5',3'-fosfodiesterici correvano nella stessa direzione o indirezioni opposte. Il m