Nucleotidi e acidi nucleici - Schemi riassuntivi di Biochimica

I NUCLEOTIDI

I nucleotidi svolgono un numero considerevole di funzioni:

- Forma di energia corrente utilizzata nelle attività metaboliche

- Segnali chimici (primo messaggero) o secondo messaggero

- Componenti strutturali di alcuni cofattori enzimatici e intermedi metabolici

- Costituenti di DNA e RNA

I nucleotidi sono costituiti da 3 componenti:

1. Una base azotata (contenente azoto)

2. Un pentosio

3. Da 1 a 3 gruppi fosforici

La molecola senza gruppi fosforici è chiamata nucleoside.

I possono essere da uno a tre e a seconda di quanti siano il

gruppi fosforici

nucleoside si chiamerà monofosfato, difosfato o trifosfato.

Gli possono essere o il ribosio (per l’RNA) o il desossiribosio (per il DNA).

zuccheri D-ribosio

 2-desossi-D-ribosio



Le sono derivati di due precursori: la piridina e la purina. Sia il DNA che

basi azotate

l’RNA contengono:

- due basi puriniche principali adenina (A) e guanina (G)



- due basi pirimidiniche citosina (C) e timina (T) che nell’RNA è sostituita



dall’uracile (U)

Sia il DNA che l’RNA possono avere anche altri tipi di basi meno comuni (basi

minori).

La base di un nucleoside è legata covalentemente mediante l’atomo N-1 delle

pirimidine o l’atomo N-9 delle purine con il C 1’ del pentosio, formando un legame

e il gruppo fosforico è esterificato al C in posizione 5’.

N-β-glicosidico,

Le cellule contengono nucleotidi con gruppi P in posizioni diverse:

I nucleotidi del DNA e dell’RNA sono uniti tra loro in successione mediante “ponti”

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.

CONVENZIONE:

Tutti i legami fosfodiesteri del DNA e dell’RNA hanno lo stesso orientamento lungo

la catena, conferendo a ciascun filamento una specifica polarità, ed estremità 3’ e 5’

distinte. Per definizione, l’estremità 5’ è quella priva di nucleotide nella posizione 5’,

mentre l’estremità 3’ è quella priva di nucleotide nella posizione 3’.

Le dei nucleotidi determinano la struttura tridimensionale degli

proprietà delle basi

acidi nucleici.

Le pirimidine sono molecole planari, mentre le purine sono parzialmente ripiegate.

Le basi puriniche e pirimidiniche sono idrofobiche e relativamente insolubili in acqua

a pH della cellula vicino alla neutralità. Le interazioni idrofobiche che si originano

con l’impilamento, in cui due o più basi sovrappongono i loro piani paralleli (come

una pila di monete), costituiscono un importante meccanismo di interazione negli

acidi nucleici. L’impilamento è stabilizzato da una combinazione di interazioni di Van

der Waals e di interazioni dipolo-dipolo tra le basi. Questa organizzazione

contribuisce a ridurre al minimo il contatto delle basi con l’acqua. Le interazioni

determinate dall’impilamento sono fondamentali nella stabilizzazione degli acidi

nucleici.

I legami H che si instaurano tra i gruppi amminici e i gruppi carbonilici

rappresentano un sistema molto efficiente di interazione tra due filamenti

complementari di acidi nucleici. I tipi più comuni di legami H sono quelli dove A si

appaia specificatamente con T (o con U) e G si appaia con C.

STRUTTURA DEGLI ACIDI NUCLEICI

Negli anni ’40 venne dimostrato in maniera convincete che il Dna è il materiale

responsabile della trasmissione dei caratteri genetici.

Chargaff tirò delle conclusioni riguardo le caratteristiche del DNA tra cui affermò che

in tutte le molecole di DNA il numero di residui di adenina è uguale al numero di

residui di timina (A=T) e il numero di residui di guanosina è uguale al numero di

residui di citosina (G=C). Da queste relazioni deriva che la somma dei residui purinici

è uguale alla somma dei residui pirimidinici, cioè A + G = T + C.

Questa conclusione rappresentò la chiave per comprendere la struttura

tridimensionale del DNA e dei sistemi con cui l’informazione genetica del DNA viene

codificata e trasferita da una generazione alla successiva.

Nel 1953 James Watson e Francis Crick proposero un modello tridimensionale della

struttura del DNA che poteva spiegare tutte le proprietà fino ad allora note.

Secondo il loro modello, il DNA è costituito da due catene elicoidali avvolte intorno a

uno stesso asse e forma una destrorsa. Lo scheletro covalente

doppia elica

idrofilico, composto da un’alternanza di desossiribosio e gruppi fosforici, è

all’esterno della doppia elica, in contatto con l’ambiente circostante. Le basi

puriniche e pirimidiniche sono impilate all’interno della doppia elica.

La relazione spaziale che si crea tra le catene genera una scanalatura maggiore e una

scanalatura minore sulla superficie della doppia elica.

Ogni base nucleotidica di una catena è appaiata sullo stesso piano con una base

dell’altra catena. È importante notare che si possono formare 3 legami H tra G e C,

quindi G≡C, e soltanto 2 legami H tra A e T, quindi A═T. Questo è uno dei motivi per

cui è più difficile separare catene di DNA con una quantità di coppie G≡C maggiore di

A═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’-

fosfodiestere correvano nella stessa direzione o in direzioni opposte. Il modello

antiparallelo risultava più convincente dal punto di vista scientifico e alcuni lavori

successivi hanno confermato la loro intuizione.

Come si può notare da questa figura, le due catene polinucleotidiche antiparallele

della doppia elica del DNA non hanno sequenze di basi o composizione identiche.

Esse sono invece complementari l’una sull’altra. Se in una catena è presente

un’adenina, nell’altra catena è presente una timina; analogamente, se in una catena

è presente guanina, nell’altra vi è una citosina.

La doppia elica del DNA è tenuta unita da due tipi di forze:

- i legami H tra coppie di basi complementari

- interazioni tra basi impilate (forze di Van der Waals e forze dipolo-dipolo)

Inoltre questo modello suggerisce immediatamente un meccanismo per la

trasmissione dell’informazione genetica. Come osservarono Watson e Crick, questa

struttura poteva essere replicata con meccanismi logici attraverso:

1. la separazione delle due catene

2. la sintesi di una catena complementare a ciascuna catena preesistente

ogni catena preesistente dovrà funzionare da stampo per guidare la sintesi della

catena complementare.

Il DNA è una molecola molto flessibile. I legami zucchero – fosfato dello scheletro

consentono ampie rotazioni. Queste deviazioni strutturali in genere non alterano le

proprietà del DNA definite da Watson e Crick: la complementarità delle due eliche, il

loro antiparallelismo e l’appaiamento delle basi A═T G≡C.

La struttura di Watson e Crick venne definita del DNA, è la forma

conformazione B

più stabile per una molecola di DNA nelle condizioni fisiologiche.

Furono studiate altre due varianti:

- presente in condizioni non fisiologiche (ad esempio



conformazione A

disidratazione del DNA) o fisiologicamente quando il DNA è associato a

proteine o a molecole di RNA

- tipica delle sequenze di DNA che presentano



conformazione Z

modificazioni chimiche (ad esempio metilazione o tratti ricchi di C-G)