Macromolecole di interesse biologico: struttura e regole di Chargaff

Macromolecole di Interesse Biologico

Le Macromolecole costituiscono
i 9/10 della massa cellulare
Il restante 1/10 è
costituito da Piccole Molecole
Organiche (fino a
circa 30 atomi di Carbonio) che
vanno a definire il
gruppo dei monomeri per la sintesi
dei polimeri
delle macromolecole, molecole
energetiche,
molecole coinvolte in vie
metaboliche

Piccole Molecole Organiche

• Amminoacidi
• Zuccheri
• Nucleotidi
• Lipidi

Macromolecole

• RNA
• DNA
• PROTEINE
• POLISACCARIDI

Composizione Cellulare

inorganic ions (1%)
small molecules (3%)
bacterial
cell
phospholipid (2%)
DNA (1%)
30%
chemicals
RNA (6%)
CELL
VOLUME OF
2 × 10°12 cm3
MACROMOLECULES
70%
H2O
protein (15%)
polysaccharide (2%)
Figure 2-7 The distribution of molecules in cells. The approximate composition of a bacterial cell
is shown by weight. The composition of an animal cell is similar, even though its volume is roughly
1000 times greater_Note that macromolecules dominate. The major inorganic ions include Na+, K+,
Mg2+, Ca2+, and Cl".

Macromolecole di Interesse Biologico: gli RNA

Gli RNA sono un gruppo di
macromolecole biologiche
che si caratterizza per
avere una varietà di
funzioni fondamentali per
il mantenimento delle
funzioni cellulari e quindi
della vita.
Gli RNA sono dei polimeri a
FILAMENTO SINGOLO di
monomeri detti
RIBONUCLEOTIDI

Struttura Molecolare del RIBONUCLEOTIDE: il ß-D-RIBOSIO

La reazione tra il
gruppo aldeidico
attaccato al
Carbonio 1 e il
gruppo Ossidrile
attaccato al
Carbonio 4 porta
alla nascita di
una molecola
Ciclica
H
O
H
O
C
C
I
1
L
1
*
H-C-OH
HO-C-H
I
*
H-C-OH
*
HO-C-H
L
*
H-C-OH
4
HO-C-H
I
CH_OH
CH_OH
D (-) ribosio
L (+) ribosio
In forma aperta il D-Ribosio presenta i gruppo ossidrili
(OH) rivolti a destra. Negli acidi nucleici troviamo solo
la forma D. Le molecole con composizione atomica
identica ma struttura molecolare speculare, non
sovrapponibili, sono dette ENANTIOMERI

Il RIBONUCLEOTIDE e il ß-D-RIBOSIO

Il RIBONUCLEOTIDE è il
MONOMERO della catena a
filamento singolo che costituisce
il polimero:
ACIDO RIBONUCLEICO
(RNA)
E' costituito alla base da uno
zucchero semplice a 5 atomi
di Carbonio:
il 3-D-RIBOSIO
5
CH OH
HO
O
β
Perché il
gruppo OH
legato al
Carbonio
1' è rivolto
verso l'alto
1'
4'
3'
72'
OH
OH
Il D-RIBOSIO ha un gruppo
ossidrile (OH) legato al
Carbonio numero 2
(Posizione 2')

Struttura Molecolare del RIBONUCLEOTIDE: Le BASI AZOTATE

Legate al Carbonio numero 1 del
RIBOSIO troviamo sempre una BASE
AZOTATA, una molecola ad anello
costituita da C, O, N e H
Questo prende il nome di
NUCLEOSIDE
Si dividono in:
PURINE (Doppio Anello)
· Adenina (A)
•
Guanina (G)
PIRIMIDINE (Anello Singolo)
•
Citosina (C)
· Uracile (U) (nel RNA)
•
Timina (T) (nel DNA)
NH2
0
I
C
N
N
C
HN
C
CH
HC
C
C
C
N
N
HẠN
N
H
Adenina
Guanina
Purine
NH2
O
0
C
C
C
N
CH
HN
C
HN
CH
1
C
CH
0
CH
C
CH
0
N
O
N
0
N
H
H
H
Citosina
Uracile (RNA)
Timina (DNA)
Pirimidine
C
N
CH
N
H
.CH3

Struttura Molecolare del RIBONUCLEOTIDE: Il GRUPPO FOSFATO

Legato al Carbonio numero 5 del
D-Ribosio troviamo il Gruppo Fosfato,
derivato dalla reazione tra il ß-D-
Ribosio e
l'Acido Fosforico (H3PO4).
HO-P
5'
1'
4'
3'
2'
Legame ß-N-
Glicosidico
OH OH
Legame Fosfo-
Estereo
L'insieme ß-D-Ribosio-Gruppo Fosfato
definisce l'ossatura del polimero o
scheletro

Struttura Molecolare del RIBONUCLEOTIDE COMPLETA

0
O
Pentosio
O
P
111
O
O
5'
Base azotata
O
O
3'
2'
HO
OH = ribosio
nucleoside
-nucleoside monofosfato (NMP)
-nucleoside difosfato (NDP) -----
nucleoside trifosfato (NTP) -----
Basi puriniche
NH2
O
N
-N
6
7
5
1
8 0
4
3
3
N
N
1
R
R
Adenina
Guanina
Basi pirimidiniche
NH2
O
O
H
H3C
H
4
Z
4
N
5
5
3
15
3
6
2
1
N
O
1
R
R
R
Citosina
Uracile
Timina
6
2
1
·N
O
-N
O
1
2
6 1
18g
4
3
N
NH2
0
N
-H
6
N
O
O
P
O
P
11110
5
4
-N5'
0
0-PO CH,
U
0
CH
0-PO CH,
C
0
Legame
Fosfodiestere
CH
D-PO-CH,
0
..... ...
OH
"0-PO-CH,
C
CH CH
3'
BASE
NUCLEOSIDE
ABBR.
adenina
adenosing
A
guanina
guanosing
G
citosina
citidna
C
uracile
uriding
U
timina
timidina
T

Origine Chimica degli RNA

Ad oggi il modello scientifico
più accreditato atto
a
spiegare l'origine della vita
sulla terra identifica negli
RNA
le
macromolecole
candidate ad aver iniziato lo
sviluppo dell'EVOLUZIONE
PREBIOLOGICA,
successiva
all'EVOLUZIONE
CHIMICA,
nelle fasi iniziali in seguito
alla stabilizzazione della
terra primordiale (Teoria del
Mondo a RNA).
Perché
gli
RNA
sono
considerati
i
POLIMERI
iniziatori della vita?

Capacità AutoReplicativa degli RNA

RNA
L'RNA si forma dal ribosio
e da altri composti organici.
Evolvendo, le molecole di RNA
«imparano» a replicarsi.
Perché, tra le tante loro proprietà, gli RNA sono in grado
di replicarsi e generare copie di loro stessi. Queste copie
inizialmente però non dovevano essere identiche nelle
sequenze di ribonucleotidi a causa dell'elevato tasso di
errore dovuto alle condizioni estreme della terra
primordiale. Questo però ha portato alla nascita di molte
forme diverse di RNA

Le Funzioni degli RNA

modello
scientifico
del
"Mondo a RNA" alla base
dell'evoluzione PREBIOLOGICA ci
permette di capire il perché oggi
noi abbiamo identificato molte
funzioni degli RNA
IZ
IZ
N
IZ
IZ
IZ
O
7
N
H,N
N
NH
NH
NH2
Guanine
Adenine
iStock
Cytosine
Uracil
by Getty images"
iStock
Thymine
is
Ger
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Ock
by Getty Images"
Funzioni:
· Catalitiche e Strutturale (RNA Ribosiomiali,
rRNA)
· TRASCRIZIONE dell'informazione genica
(RNA messaggeri, mRNA)
· Trasferimento degli Aminoacidi nella
TRADUZIONE degli mRNA in proteine
(RNA transfer, tRNA)
· Regolatorie dell'espressione genica (Eucarioti)
[Micro RNA (miRNA; Small Interfering
RNA (siRNA); piccoli RNA nucleolari
(snRNA)
· Inattivazione genica (Eucarioti)(Long noncoding
RNA (lncRNA)
İSİock
NH ages"
Z
tây Images
iStock
gres"
N
NH,
C
by Getty Images

Macromolecole di Interesse Biologico: Il DNA

Il DNA è un polimero i cui monomeri
sono i DESOSSIRIBONUCLEOTIDI
La sua funzione è quella di custodire
l'informazione genetica alla base dei
processi metabolici che sostengono la
vita
Strutturalmente è un DOPPIO
FILAMENTO, l'interazione tramite
LEGAMI a IDROGENO permette ai due
filamenti di mantenersi uniti
0
HỌC
Thymine
Base pait
NH
Helix of
sugar-phosphates
Cytosine
HN
Adenine
O
NH
Guanine
NH,
Nucelobases
of DNA
DNA
Deoxyribonucleic Acid

Struttura Molecolare del DESOSSIRIBONUCLEOTIDE: il B-D-DESOSSIRIBOSIO

Il DESOSSIRIBONUCLEOTIDE è il
MONOMERO della catena a
filamento doppio che costituisce
il polimero:
ACIDO DESOSSIRIBONUCLEICO (DNA)
E' costituito alla base da uno zucchero semplice a
5 atomi
di Carbonio:
il ß-D-DESOSSIRIBOSIO
5' CH2OH _O.
OH
4'
1'
3
2'
OH
H
Desossiribosio
5' CH2OH _O
OH 5' CH2OH _O
OH
4'
1'
4'
1'
3'
2'
3'
2'
OH
OH
OH
H
Ribosio
Desossiribosio

Differenze tra ß-D-DESOSSIRIBOSIO e ß-D-RIBOSIO

IL ß-D-DESOSSIRIBOSIO si
differenzia dal ß-D-RIBOSIO
per l'assenza del gruppo
ossidrile (OH) in posizione 2'
5' CH2OH _O
OH 5' CH2OH _O
OH
4'
1'
4'
1'
3'
2'
3'
2'
OH
OH
OH
H
Ribosio
Desossiribosio
Perché non c'è il ß-D-RIBOSIO?
La risposta è nell'evoluzione prebiologica della molecola di DNA. II D-DESOSSIRIBOSIO
è più stabile, non reagisce in modo aspecifico con altre molecole, rispetto al D-
RIBOSIO. Siccome il DNA deve custodire l'informazione l'evoluzione ha selezionato la
molecola più efficace ed efficiente per poterlo fare! Gli RNA durano poco tempo
(ordine di secondi, minuti .. giorni .. non anni o secoli) e quindi sono rimasti con il D-
RIBOSIO

Confronto tra ß-D-RIBOSIO e ß-D-DESOSSIRIBOSIO

5' CH2OH _O.
OH 5' CH2OH _O.
OH
-
4'
1'
1'
3'
2'
3'
2'
OH
OH
OH
H
Ribosio
Desossiribosio

Struttura Molecolare del RIBONUCLEOTIDE: Le BASI AZOTATE

Legate al Carbonio numero 1 del
ß-D-DESOSSIRIBOSIO troviamo sempre una
BASE
AZOTATA, una molecola ad anello
costituita da C, O, N e H
Questo prende il nome di NUCLEOSIDE
Si dividono in:
PURINE (Doppio Anello)
· Adenina (A)
•
Guanina (G)
PIRIMIDINE (Anello Singolo)
· Citosina (C)
· Uracile (U) (nel RNA)
•
Timina (T) (nel DNA)
NH2
0
C
N
N
N
C
HN
C
CH
HC
C
C
C
N
N
HẠN
N
H
Adenina
Guanina
Purine
NH2
0
0
C
C.
CH3
N
1
CH
HN
C
HN
1
C
CH
C
CH
0
.CH
0
N
N
H
O
N
H
H
Uracile (RNA)
Citosina
Timina (DNA)
Pirimidine
C
C
CH
N
H

TIMINA e non URACILE: perché?

Cytosine
Uracil
NH2
CH
Deamination
HN
CH
H
CH
ZI
I biologi hanno trovato la risposta studiando la deamminazione
spontanea della Citosina in Uracile.
Seppur con una frequenza molto bassa (100 volte al giorno)
questa avviene nei tessuti umani. Se nel DNA ci fosse Uracile
(U) al posto della Timina (T) non si potrebbe più riconoscere
l'Uracile reale da quello ottenuto per deamminazione
spontanea. Questo processo altererebbe il Codice Genetico!
(Mutazione)

Struttura Molecolare del DESOSSIRIBONUCLEOTIDE: Il GRUPPO FOSFATO

Legato al Carbonio numero 5 del B
D-Desossiribosio troviamo il Gruppo
Fosfato,
derivato dalla reazione tra il ß-D-
Desossiribosio e
NH
5'
l'Acido Fosforico (H3PO4).
HO-F
F
OH
-X
1'
L'insieme ß-D-Desossiribosio-Gruppo
Fosfato
3'
2'
Legame ß-N-
Glicosidico
definisce l'ossatura del polimero o
scheletro
OH | -
Legame Fosfo-
Estereo

Struttura Molecolare del DESOSSRIBONUCLEOTIDE COMPLETA

.
Pentosio
O
"
O
O
5'
Base azotata
1
P
O
legame glicosidico
C
3'
2'
HO
H = deossiribosio
nucleoside
..... ]
-nucleoside monofosfato (NMP);
nucleoside difosfato (NDP) -----
nucleoside trifosfato (NTP) -----
O
O
P
2 11100

LE REGOLE DI CHARGAFF

Il biochimico Erwin Chargaff nei primi anni
'50 del XX secolo compì degli studi per
analizzare la composizione in percentuale
delle 4 basi azotate (A, C, T, G) in diverse
specie animali e vegetali. Arrivò alla
conclusione che le proporzioni delle basi
azotate erano costanti all'interno della
stessa specie ma differivano tra specie
diverse.
Source
Adenine
Guanine
Thymine
Cytosine
A+T
G+C
Human sperm
30.9
19.1
31.6
18.4
1.62
Human thymus
30.9
19.9
29.4
19.8
1.52
Sea urchin sperm
32.8
17.7
32.1
18.4
1.85
Wheat germ
26.5
23.5
27.0
23.0
1.19
Yeast
31.3
18.7
32.9
17.1
1.79
Escherichia coli
26.0
24.9
23.9
25.2
1.00
Diplococcus
29.8
20.5
31.6
18.0
1,59
pneumoniae
Bacteriophage T2
32.5
18.2
32.6
16.7
1.86