Modulo 8: I

nucleotidi e gli acidi

nucleici

Filamento di DNA fuoriuscito da una cellula di

Escherichia coli

Modulo 10: Acidi nucleici

Struttura e funzioni dei nucleotidi

I nucleotidi sono formati da

unione di tre unità più semplici:

una base azotata, un pentoso, un

gruppo fosforico

Funzioni dei nucleotidi:

Unità costitutive degli acidi nucleici DNA ed RNA

Trasportatori di energia chimica (se di- trifosfati): ATP (ma anche UTP, GTP e

CTP)

Alcuni fanno parte di cofattori enzimatici (derivati adeninici)

Alcuni sono molecole di segnalazione (secondi messaggeri)

Le basi azotate: purine e pirimidine

Purina

Pirimidina

Adenina

(6 ammino purina)

Guanina (2 ammino 6 ossi purina)

Citosina (2 ossi 4 ammino pirimidina)

Uracile (RNA) (2,4 ossi pirimidina)

Timina (DNA) (2,4 ossi 5 metil pirimidina)

I pentosi presenti nei nucleotidi

D-ribosio

Presente nei ribonucleotidi (RNA)

D-desossiribosio

β-D-desossiribofuranosio β-D-ribofuranosio

Presente nei desossiribonucleotidi (DNA)

Numerazione con il segno primo (1’-5’) per distinguere gli atomi di carbonio da

quelli delle basi

Negli acidi nucleici sono presenti due tipi di pentosio: il ribosio ed il desossiribosio

I nucleosidi ed i nucleotidi

Le basi azotate legate al pentosio con legami β-N-glicosidici formano i nucleosidi.

Legame fosfoestere

I nucleosidi sono legati con un gruppo

fosforico in 5’ per dare i nucleotidi

(ribonucleotidi 5’ monofosfato)

I nucleosidi sono: (deossi)adenosina,

(deossi)guanosina, (deossi)citidina, deossi-

timidina, uridina.

I nucleotidi e i desossiribonucleotidi

Lo scheletro covalente della catena del DNA

e dell’RNA

I (deossi)nucleotidi sono uniti in

successione mediante legami di tipo

estere tra gruppi fosforici (legami

fosfodiestere).

Legame: tra il 5’ OH di una unità

nucleotidica e il 3´ OH del nucleotide

precedente.

Il polimero (scheletro) lineare derivante

ha direzione 5’ → 3’

Polimero idrofilico e carico

negativamente.

I ribonucleosidi-5’-monofosfato e

deossiribonucleotidi -5’-monofosfato

sono, rispettivamente le unità base

dell’RNA e del DNA

Il DNA è formato da due catene antiparallele

Sequenza nucleotidica:

ACG

I legami H tra le basi (accoppiamenti) sono fissi A-T

e C-G (coppie secondo Watson e Crick) Le dimensioni e la forma delle coppie sono uguali e permettono al DNA di formare

una struttura regolare

Le proprietà delle basi determinano

le proprietà degli acidi nucleici

Le basi azotate sono relativamente poco solubili

in acqua e tendono a disporsi in pile, i cui piani

degli anelli si trovano in posizioni parallele. Ciò

minimizza il contatto con l’acqua.

L’impilamento delle basi contribuisce alla

stabilità della doppia elica:

Per effetto idrofobico (simile all’interno delle

proteine)

Per interazioni di van der Waals tra basi

sovrapposte (l’effetto globale è considerevole)

Il modello di Watson e Crick della struttura

del DNA

il DNA è formato da due catene

che si avvolgono una sull’altra

generando una struttura elicoidale

regolare.

Lo scheletro idrofilico fosfato-

ribosio è all’esterno le basi

azotate impilate una sull’altra

all’interno.

La forma B è quella più stabile (in

figura) e più comune, ma il DNA è

una molecola molto flessibile:

sono presenti anche altre varianti

strutturali.

La natura semiconservativa della

replicazione del DNA

Il meccanismo di copiatura dell’DNA:

•srotolamento dei due filamenti

•Stampo di ognuno dei filamenti per la sintesi

di un nuovo filamento complementare a

quello parentale.

•Produzione di due molecole a doppio

filamento solo per metà formate da

materiale nuovo: replicazione

semiconservativa.

L’organizzazione a doppia elica

facilita la replicazione del DNA.

Il DNA di un batterio è un unico

filamento di 3x106 paia di basi

Il DNA viene replicato dalle

DNA polimerasi

Reazione catalizzata:

(DNA)n + dNTP = (DNA)n+1 +PPi

•La reazione richiede i 4 precursori

dATP, dGTP, dCTP, dTTP

•La catena sintetizzata si forma su una

catena stampo di sequenza

complementare

•La sintesi di DNA avviene per

allungamento a partire da un richiede

un ( innesco (primer)

•La catena procede sempre in direzione

5’3’

Il DNA può essere separato nelle sue

componenti in maniera reversibile

Le basi sovrapposte nella doppia elica

assorbono meno delle basi di eliche singole: è

l’effetto ipercromico.

La rottura dei legami idrogeno tra le basi

permette ai filamenti di DNA di separarsi,

(denaturazione o fusione). Può avvenire per

aumento di temperatura (non fisiologico) o

enzimaticamente.

L’espressione genica è la trasformazione

dell’informazione contenuta nel DNA

L’espressione dell’informazione genetica comporta un passaggio di copiatura

(trascrizione) di una parte selezionata del DNA (gene) in una molecola di mRNA.

Gli RNA ribosomiali (rRNA) costituiscono il nucleo catalitico del ribosoma dove

avviene la sintesi proteica.

Gli RNA transfer (tRNA) trasportano gli aa in forma attivata sul ribosoma per la

formazione del legame peptidico.

L’RNA forma strutture ad elica singola

destrorsa.

Molecola di RNA a singolo

filamento. Le sequenze

complementari danno

origine a strutture

complesse.

Alcuni appaiamenti non

seguono le regole di W-C

L’mRNA rappresenta il collegamento tra informazione chimica contenuta nel DNA

sotto forma di sequenze ed espressione di queste sotto forma di specifiche sequenze

di proteine.

RNA cellulare è sintetizzato dalle RNA

polimerasi

La sintesi del mRNA, guidata

dallo stampo di DNA è

chiamata trascrizione, catalizzata

dall’RNA polimerasi

(RNA)n + NTP = (RNA)n+1

+PPi

Simile alla DNA polimerasi ma:

Richiede NTP e uno stampo di

DNA.

Non richiede un primer

La direzione della sintesi è

5’3’

Gli RNA transfer sono molecole adattatrici

tra mRNA e amminoacidi

Gli aa vengono portati sullo stampo costituito da mRNA

da molecole adattatrici: gli RNA transfer.

Ogni specifico tRNA contiene:

1) Un sito di riconoscimento all’RNA stampo formato da

3 basi (anticodone).

2) Per ogni anticodone

uno specifico aa in

forma attivata legato

con un legame estere al

3’-OH di una adenina

I nucleotidi di- e tri-fosfato trasportano

energia chimica

I gruppi fosforici β e γ sono legati tramite un legame fosfoanidridico.

L’idrolisi di legami fosfoanidridici è una reazione esoergonica che viene utilizzata per guidare reazioni termodinamicamente sfavorite.

L’aggiunta di uno o due gruppi

fosforici (β, γ) ad un nucleotide

monofosfato (NMP) determina la

formazione di un nucleotide difosfato

(NDP) e nucleotide trifosfato (NTP,

N=A,T,C o G).

(utilizzati anche GTP, UTP e CTP)

Altre funzioni dei nucleotidi:

cofattori enzimatici

I nucleotidi adenilici fanno parte di cofattori enzimatici. Principale trasportatore di

elettroni nell’ossidazione di sostanze organiche.

NADH: nicotinamide adenin dinucleotide, un derivato della piridina.

NAD+/NADH Nelle biosintesi riduttive: NADPH:

NADH 2’ fosfato.

Anello piridinico soggetto a

riduzione

Il flavin-adenin dinucleotide

FAD/FADH2 (deriva dalla Vit B2): secondo trasportatore di elettroni nelle

ossidoriduzione biologiche. Interviene in molteplici processi

FAD = FMN + AMP

FMN= isoallosazina + ribitolo + fosfato

3. Alcuni nucleotidi sono molecole

segnale: i nucleotidi ciclici

I nucleotidi monofosfato possono

esterificare ulteriormente i due

gruppi ossidrilici del ribosio per

formare strutture cicliche.

cAMP e cGMP sono due esempi di

nucleotidi ciclici che giocano

importanti funzioni nella

segnalazione chimica intracellulare e

in funzioni regolatorie. (secondi

messaggeri).