I nucleotidi, DNA e RNA

I nucleotidi e acidi nucleici

I nucleotidi sono:

• I costituenti degli acidi nucleici - l'acido deossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA) -, ovvero i depositari molecolari dell'informazione genetica.
• Rappresentano la forma di energia che viene utilizzata nelle attività metaboliche (per esempio ATP, GTP, UTP, CTP).
• Si comportano da segnali chimici per alcuni sistemi cellulari che rispondono a ormoni o ad altri stimoli extracellulari (AMPc e GMPc).
• Sono i componenti strutturali di un certo numero di cofattori enzimatici (NAD e FAD) e di intermedi metabolici.

Componenti principali dei nucleotidi

I nucleotidi hanno tre componenti caratteristici:

1. Uno o più gruppi fosfato,
2. Uno zucchero pentoso,
3. Una base azotata (contenente azoto).

La molecola senza gruppi fosforici è detta nucleoside. Negli acidi nucleici sono presenti due tipi di pentosio:

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

Come si può notare, la differenza tra il ribosio e il desossiribosio è la mancanza del gruppo ossidrilico in corrispondenza del carbonio-2 del pentosio. Nei nucleotidi, entrambi i tipi di pentosio sono nella loro forma β-furanosidica (anello a cinque termini). La convenzione per la numerazione dell'anello del pentosio segue le regole di quella dei carboidrati. Va però 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

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).

Nucleotidi nel DNA e RNA

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 forme metilate delle basi più comuni. Inoltre in alcuni DNA virali alcune basi possono essere ossidrilate o glicosilate. 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'.

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.

Stabilità e conformazioni dei nucleotidi

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)

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