Acidi nucleici: struttura, composizione e differenze tra DNA e RNA

Caratteristiche Chimiche degli Acidi Nucleici

Benvenute e benvenuti in questa nuova lezione, parleremo degli acidi nucleici. Gli argomenti che tratteremo sono: le caratteristiche chimiche degli acidi nucleici, la struttura tridimensionale degli acidi nucleici.

Iniziamo con le caratteristiche chimiche degli acidi nucleici. Come ogni volta che affrontiamo una molecola, di grandi o di piccole dimensioni, studieremo quali sono gli atomi e quali sono i legami che tengono uniti questi atomi al loro interno e andremo a capire quali sono le funzioni biologiche che svolgono. Gli acidi nucleici sono macromolecole biologiche esattamente come i carboidrati, i lipidi e le proteine. Esistono due tipi di acidi nucleici presenti negli organismi viventi: il DNA, acido desossiribonucleico, e l'RNA, acido ribonucleico. Sicuramente il DNA vi è più familiare perché ormai ne sentiamo parlare molto spesso anche in televisione per quanto riguarda la genetica forense o per i test di paternità, ma altrettanto importante è l'RNA e adesso andremo a capire come sono strutturati e quali atomi appunto li compongono.

Gli acidi nucleici sono dei polimeri lineari costituiti da unità strutturali di base chiamate nucleotidi. Quindi, come i polisaccaridi hanno come monomeri i monosaccaridi e come le proteine hanno come monomeri gli amminoacidi, gli acidi nucleici hanno come monomeri i nucleotidi. Come è fatto un nucleotide?Un nucleotide è costituito dall'unione di tre specie chimiche più semplici.

Composizione del Nucleotide

Un nucleotide è costituito dall'unione di tre specie chimiche più semplici:

• Una base azotata
• Una molecola di zucchero (ribosio o desossiribosio)
• Un gruppo fosfato

Una base azotata che vediamo qui rappresentata, una molecola di zucchero ribosio o desossiribosio, a seconda se stiamo parlando di RNA o di DNA, qui rappresentato appunto con un pentamero proprio perché è uno zucchero a cinque atomi di carbonio, e un gruppo fosfato.

Il gruppo fosfato, qui in giallo, è quello che conferisce acidità agli acidi nucleici da cui proprio deriva il nome. I legami che tengono uniti il gruppo fosfato con lo zucchero sono dei legami di tipo estereo mentre i legami che tengono uniti la base con lo zucchero, in particolare la base si lega sul carbonio 1 del ribosio e del desossiribosio, sono legami glicosidici.

Basi Azotate

Le basi azotate sono composti eterociclici costituiti da uno o due anelli contenenti atomi sia di carbonio che di azoto (N). Si distinguono in due gruppi a seconda della loro composizione chimica. In figura rivediamo la

• Si distinguono in due gruppi secondo la loro struttura chimica:

schematizzazione di un nucleotide e, se ci soffermiamo sulle basi, possiamo distinguere le basi in:

1. pirimidine se contengono un singolo anello (tra le pirimidine troviamo la CITOSINA, la TIMINA e l'URACILE che differiscono per piccole discrepanze atomiche. La cosa importante da ricordare è che la timina la troviamo soltanto nel DNA e l'uracile soltanto nell'RNA. La citosina invece è in tutte e due gli acidi nucleici.

2. Per quanto riguarda le purine invece sono costituite da due anelli, uno a sei atomi di C e l'altro a cinque, e si distinguono in GUANINA e ADENINA. Sia la guanina che l'adenina le troviamo in tutti e due gli acidi nucleici quindi, sia nell'RNA che nel DNA.

Zuccheri Costituenti i Nucleotidi

Gli zuccheri che costituiscono i nucleotidi sono degli aldopentosi (5 atomi di C) e differiscono per la presenza dell'OH in posizione 2

Gli zuccheri che costituiscono i nucleotidi sono degli aldopentosi a cinque atomi di carbonio e differiscono per la presenza dell'OH in posizione 2. Osserviamo che nell'RNA troviamo soltanto il ß-D-ribosio, quindi soltanto uno zucchero a cinque atomi di carbonio che contiene l'OH in posizione 2. In figura lo vedete sia nella forma lineare che nella forma, diciamo, "circolare" che è la forma più comune che troviamo in natura e in soluzione acquosa. Per quanto riguarda il DNA, invece, questo OH in posizione 2 non c'è ed è sostituito da un atomo di idrogeno, semplicemente, che in figura lo vedete anche nella forma circolare.

Perché mi soffermo molto su questo aspetto? Perché la presenza di solo questo gruppo OH nell'RNA e l'assenza di questo gruppo nel DNA, fa sì che questi due acidi nucleici hanno delle caratteristiche estremamente differenti perché la presenza del gruppo OH in posizione 2 conferisce instabilità e quindi rende la molecola dell'RNA molto più suscettibile a degradazione, ma anche molto più plastica. Al contrario, la molecola di DNA, per l'assenza di questo gruppo OH, è più stabile, si degrada molto più difficilmente. Infatti, se ci pensiamo, è possibile fare analisi del DNA di reperti di migliaia, o comunque di diversi anni fa, o anche lasciati alle intemperie. Ciò non sarebbe possibile per l'RNA. Questo fa sì che poi, nel corso dell'evoluzione, la natura abbia scelto, il DNA come sede dell'informazione genetica, mentre l'RNA è proprio una molecola di trasferimento, adattatrice di questa informazione genetica, ad eccezione, per esempio, di alcuni virus che conosciamo avere ancora il loro patrimonio genetico a RNA e che conferisce loro una grande capacità di mutazione, se pensiamo, per esempio, al virus dell'influenza o del virus dell'HIV.

Nucleoside: Struttura e Denominazione

Un nucleoside è la molecola costituita da uno zucchero pentoso e una base azotata, ma priva del gruppo fosfato. In figura sotto lo vediamo

Un nucleoside è la molecola costituita da uno zucchero pentoso e da una base azotata, ma priva del gruppo fosfato

rappresentato con un esempio: se noi uniamo la base azotata e il ribosio, il desossiribosio, otteniamo un nucleoside. Come li denominiamo? In base a questo schema: se la base azotata è l'uracile, il nucleoside corrispondente sarà l'uridina. Se abbiamo la base azotata timina, il nucleoside corrispondente sarà la timidina e così via. Per la citosina abbiamo la citidina, per la guanina abbiamo la guanosina e per l'adenina abbiamo l'adenosina.

Denominazione dei Nucleotidi

Quando aggiungiamo al nucleoside un gruppo fosfato, ecco qui che abbiamo un nucleotide di cui abbiamo appunto parlato finora.

Vediamo come vengono denominati, come possiamo chiamare formalmente, i nucleotidi. Questo perché è importante? Perché sicuramente nei libri di testo o anche consultando degli articoli scientifici, vi sarà capitato di incontrare dei nucleotidi, ma non li avete riconosciuti perché il nome non vi era familiare. La denominazione dei nucleotidi si basa sull'impiego di sigle a tre lettere. La prima lettera indica il tipo di nucleoside presente, quindi A per adenosina, G per guanosina, C per citidina, T per timidina, U per uridina. La seconda lettera indica il numero di gruppi fosfato, quindi M se è mono (se c'è un solo gruppo), D sta per indicare il difosfato, quindi se ci sono due gruppi fosfato, e T per trifosfato, quindi se ci sono tre gruppi fosfato. Infine l'ultima lettera presente è sempre una P che sta appunto per gruppo fosfato.

Vediamo quindi la loro struttura chimica schematizzata.

Un nucleoside monofosfato è costituito in questo modo: lo zucchero, lo scheletro zuccherino (qui è evidenziato l'OH che sta sul carbonio 3 perché è quello che poi potrà formare legami fosfodiesterici con il fosfato legato sul carbonio 5 e quindi andrà a costituire effettivamente tutto l'acido nucleico); la base che abbiamo studiato prima e quindi vediamo infine com'è fatto un gruppo fosfato. Le sigle sotto rappresentate (UMP, TMP, ..... ) cosa significano? UMP vuol dire uridina monofosfato e lo troveremo soltanto nell' RNA, il TMP (timidina monofosfato) soltanto nel DNA e gli altri in entrambi. Oltre a essere i monomeri costituenti gli acidi nucleici, i nucleotidi monofosfato possono anche essere utilizzati da particolari proteine, cioè da particolari enzimi come coenzimi in determinate reazioni chimiche.

Al centro in figura abbiamo anche i nucleotidi difosfato, quindi in cui abbiamo due gruppi fosfato, che vedete chimicamente come sono composti. Anche qui distingueremo in questo caso UDP (uridina difosfato), TDP e così via ... Infine abbiamo i nucleotidi trifosfato, dove appunto i gruppi fosfato sono tre.

Perché mi voglio soffermare un attimo sui nucleotidi trifosfato? Perché in natura, all'interno delle nostre cellule, noi riusciamo a sintetizzare il DNA e l'RNA grazie all'impiego di particolari complessi proteici, che hanno un'attività enzimatica, e che utilizzano come elementi base, quindi come mattoncini per andare a costituire i nostri acidi nucleici, proprio i nucleotidi trifosfati e ricavano energia dalla rottura del legame fosfato. Non solo, importantissimo, e sicuramente lo conoscete, è l'ATP (Adenosintrifosfato), che oltre a essere parte sia del DNA che dell'RNA nella forma monofosfata, è anche di fatto l'energia, la moneta di scambio che utilizza la cellula, tutte le cellule del nostro corpo. Questa energia, come è immagazzinata? Proprio nel legame tra i gruppi fosfato; la rottura di quel legame, ancora una volta, viene convertita in energia chimica per svolgere reazioni all'interno delle cellule.

Funzioni degli Acidi Nucleici

Passiamo ora a soffermarci sulle funzioni degli acidi nucleici e nello schema vediamo sintetizzate le tre funzioni principali che tutti noi probabilmente conosciamo e sono: 1) l'archiviazione e la trasmissione dell'informazione genica: vi dicevo prima come, tutte le cellule del nostro corpo, tutte le cellule eucariotiche, utilizzano il DNA come sede dell'informazione genetica, anche i batteri che sono nostri amici e nemici, dipende appunto se sono patogeni