Gli acidi nucleici sono i depositari dell'informazione genetica e svolgono un ruolo fondamentale nella sintesi di tutte le proteine, pertanto il loro studio è di importanza fondamentale per interpretare su basi molecolari i fenomeni della vita. Essi sono presenti nelle cellule di tutti gli organismi (animali e vegetali), dai più semplici procarioti ai più complessi eucarioti, sotto forma di acido desossiribonucleico, DNA (dall'inglese Deoxyribonucleic acid) e di acido ribonucleico, RNA (dall'inglese Ribonucleic acid). Nelle cellule si trovano due varietà di acidi nucleici: gli acidi ribonucleici (RNA) e gli acidi desossi-ribonucleici (DNA).
Gli acidi nucleici presentano tutte le caratteristiche necessarie ad assicurare la continuità delle specie e lo svolgersi dei processi evolutivi. L'analisi delle caratteristiche chimiche e fisiche del DNA e dell'RNA ha permesso di comprendere la relazione tra la struttura e la funzione del materiale genetico.
Struttura degli Acidi Nucleici
Gli acidi nucleici sono molecole complesse di grandi dimensioni attraverso le quali avviene la trasmissione dell'informazione genetica. Per idrolisi, entrambi i tipi di acidi nucleici danno acido fosforico, uno zucchero e una miscela di basi puriniche e pirimidiniche. Ciascun nucleotide contiene gli elementi di una base purinica o pirimidinica, una unità di acido fosforico e una unità di pentoso. L'unità di fosfato può essere rimossa selettivamente per successiva cauta idrolisi, convertendo il nucleotide in nucleoside, una molecola costituita da una base pirimidinica o purinica legata a un'unità di pentoso.
DNA: Acido Desossiribonucleico
La sigla DNA significa acido desossiribonucleico o acido deossiribonucleico. Il DNA è costituito da due lunghi filamenti formati dalla ripetizione di unità di base, i nucleotidi, avvolti insieme a formare una doppia elica. Ogni nucleotide consiste di uno zucchero, il D-2'-desossiribosio, a cui è legato in corrispondenza del carbonio 5' un gruppo fosforico, e una base azotata eterociclica, a sua volta legata all'atomo di carbonio 1' dello zucchero.
La base azotata può appartenere al gruppo delle purine, adenina (A) e guanina (G), o a quello delle pirimidine, citosina (C) e timina (T): esistono dunque nel DNA quattro diversi desossi-nucleotidi, ognuno contenente una delle quattro basi. A distinguere le 4 diverse tipologie di desossiribonucleotidi è unicamente la base azotata, legata alla formazione pentoso-gruppo fosfato (che diversamente dalla base azotata non varia mai). Per ovvie ragioni, quindi, le basi azotate del DNA sono 4, nello specifico: l'adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) e la timina (T).
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Il DNA presenta due catene di nucleotidi antiparallele e ha, come zucchero a 5 atomi di carbonio, il desossiribosio. Questo zucchero a 5 atomi di carbonio deve il proprio nome alla mancanza, sul carbonio 2, di atomi di ossigeno. Dal punto di vista chimico, l'estremità 5' degli acidi nucleici coincide con il gruppo fosfato del primo nucleotide della catena, mentre l'estremità 3' degli acidi nucleici coincide con il gruppo ossidrilico (OH) posto sul carbonio 3 dell'ultimo nucleotide.
I nucleotidi di ciascun filamento sono legati tra loro da legami fosfodiesterei, che uniscono il carbonio 3' di uno zucchero con il carbonio 5' dello zucchero successivo, mentre i due filamenti sono tenuti insieme da legami idrogeno tra le basi, le quali sono complementari l'una all'altra: infatti a ciascuna adenina di un filamento corrisponde sempre nell'altro filamento una timina e a ciascuna guanina corrisponde una citosina. Queste coppie sono, tra tutte quelle possibili, le uniche in grado di formare legami idrogeno, due nella coppia A-T e tre in quella C-G, e di permettere la formazione di una doppia elica regolare.
L'appaiamento tra le basi azotate dei due filamenti è altamente specifico. Questa importante scoperta indusse biologi molecolari e genetisti a coniare i termini di “complementarietà tra basi azotate” e “appaiamenti complementari tra basi azotate”, per indicare l'univocità di legame dell'adenina con la timina e della citosina con la guanina. Inoltre, per consentire il corretto allineamento delle basi, e quindi la formazione dei legami idrogeno, i due filamenti della doppia elica sono orientati in direzioni opposte, devono cioè essere antiparalleli.
Si viene così a formare una doppia elica destrorsa con due scanalature, una stretta e una larga, che per ogni giro completo presenta circa 10 coppie di basi, ciascuna delle quali dista da quella adiacente 0,34 nm: questa è la struttura del DNA-B, la più rappresentata in natura. Esistono anche altre forme di DNA, per es. La struttura a doppia elica del DNA-B è stabilizzata, oltre che dai legami idrogeno tra le basi complementari dei due filamenti, anche da forze idrofobiche tra le coppie di basi e da interazioni elettrostatiche con cationi mono- e bivalenti che neutralizzano le cariche negative dei gruppi fosfati.
RNA: Acido Ribonucleico
Il pentoso che costituisce i nucleotidi dell'acido ribonucleico è il ribosio. L'acido nucleico RNA condivide con il DNA soltanto 3 basi azotate su 4. Al posto della timina, infatti, presenta la base azotata uracile. Da un punto di vista chimico le principali differenze rispetto al DNA sono essenzialmente due: la presenza nell'RNA di D-ribosio al posto del D-2'-desossi-ribosio e dell'uracile, anch'esso una pirimidina, al posto della timina.
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Le molecole di RNA, come quelle del DNA, sono polimeri di unità nucleotidiche legate da ponti fosfodiesterici: esse però sono sempre a catena singola, in alcuni casi ripiegata a formare corti tratti a doppia elica, e presentano un peso molecolare di gran lunga inferiore a quello del DNA.
Funzioni degli Acidi Nucleici
Il DNA è depositario di un'informazione biologicamente utile, mantenuta in una forma stabile che viene trasmessa da cellula a cellula e di generazione in generazione. L'informazione in esso codificata si esprime inoltre consentendo la produzione di molecole biologiche diverse da quelle di origine. Questa proprietà del materiale genetico, in apparente contraddizione con il requisito di un'informazione stabile, prevede che esso stesso possa variare.
L'informazione genetica è contenuta nella sequenza delle basi puriniche e pirimidiniche lungo la catena polinucleotidica del DNA; la complementarità dei filamenti che costituiscono la molecola del DNA consente la sua fedele duplicazione, un processo alla fine del quale si ottengono due nuove doppie eliche, esatte repliche di quella originaria. Una data sequenza nucleotidica (gene) può essere tradotta nella sequenza polipeptidica di una proteina: i geni vengono dapprima trascritti in molecole di RNA con sequenze complementari al DNA di origine, il cosiddetto RNA messaggero, il quale a sua volta entrerà direttamente nel processo di sintesi proteica.
Per la biosintesi delle proteine (sintesi proteica) sono essenziali sia l'RNA che il DNA. Una data sequenza nucleotidica (gene) può essere tradotta nella sequenza polipeptidica di una proteina: i geni vengono dapprima trascritti in molecole di RNA con sequenze complementari al DNA di origine, il cosiddetto RNA messaggero, il quale a sua volta entrerà direttamente nel processo di sintesi proteica.
Tipi di RNA e Loro Funzioni
In ogni cellula sono presenti diversi tipi di RNA, che differiscono per dimensioni e per funzione. Circa l'80% dell'RNA totale è costituito da RNA ribosomale (r-RNA), che costituisce parte integrante dei ribosomi, gli organelli ribonucleoproteici sui quali avviene la sintesi proteica; negli eucarioti si conoscono quattro specie diverse di r-RNA, costituite rispettivamente da 4700, 1870, 160 e 120 nucleotidi, ciascuna con una diversa costante di sedimentazione.
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L'RNA di trasporto, o t-RNA, rappresenta il 15% circa dell'RNA totale; esistono diverse molecole di t-RNA, in grado di legare in modo specifico uno dei 20 aminoacidi naturali in una reazione mediata da enzimi specifici detti aminoacil-t-RNA-sintetasi. I t-RNA sono molecole di piccole dimensioni, costituite da 75-95 nucleotidi con una caratteristica struttura a quadrifoglio e quattro corte zone a doppia elica.
Il terzo tipo di RNA, m-RNA o RNA messaggero, pur rappresentando solo il 5% circa del totale, costituisce il vero e proprio intermediario chimico tra DNA e proteine. Tutti i diversi tipi di RNA vengono sintetizzati nel processo di trascrizione di un DNA stampo. Negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo, nel quale i vari RNA subiscono processi di maturazione prima di essere trasportati nel citoplasma, dove svolgeranno la loro funzione.
Replicazione del DNA
La replicazione, o duplicazione, del DNA è il processo nel quale il DNA replica se stesso: ogni nuova molecola di DNA contiene uno dei due filamenti della molecola di DNA parentale e uno di nuova sintesi. Durante la replicazione, i due filamenti della doppia elica si svolgono localmente e si separano. Ciascuno di essi funziona da 'stampo' per la sintesi di un nuovo filamento a esso complementare: il modello della replicazione viene detto 'semiconservativo' per sottolineare che ciascuno dei due filamenti originali si conserva, avvolto a un filamento nuovo, in una delle due nuove doppie eliche.
Per la sintesi di nuove molecole di DNA è necessaria la presenza, oltre ai due filamenti stampo, dei quattro desossi-ribonucleotidi 5'-trifosfato, di numerosi enzimi e ioni bivalenti, nonché di inneschi, costituiti da corte catene polinucleotidiche (in vivo, corte sequenze di acido ribonucleico) con estremità 3'-OH libere. Negli eucarioti la replicazione avviene durante la fase S del ciclo cellulare (v. cellula) e inizia contemporaneamente in molti siti, cosicché il DNA viene replicato per tutta la sua notevole lunghezza in un tempo sufficientemente breve (poche ore). In ogni sito di inizio della replicazione, la doppia elica del DNA parentale si svolge, formando la cosiddetta bolla di replicazione, e la sintesi procede contemporaneamente in ambedue le direzioni: i due siti di svolgimento del DNA parentale e di sintesi del nuovo DNA si chiamano forcelle di replicazione.
Tutte le DNA polimerasi note sono in grado di allungare le catene polinucleotidiche soltanto in direzione 5'→3'. Ciò nonostante ambedue i filamenti di una doppia elica, che come già detto sono orientati in direzioni opposte, vengono allungati contemporaneamente. Sul filamento che si svolge nella direzione 3'→5' la sintesi della nuova catena, detta 'veloce', può realizzarsi in direzione 5'→3' in modo continuo e senza interruzioni; sul filamento che si svolge nella direzione 5'→3', invece, la nuova catena, detta 'lenta', sarà orientata in direzione 3'→5': essa viene sintetizzata in modo discontinuo, cioè vengono sintetizzati in direzione 5'→3' piccoli frammenti, detti di Okazaki dal nome del loro scopritore, che poi vengono uniti a opera di uno specifico enzima.
Trascrizione e Traduzione
La sintesi delle proteine, o traduzione, è il processo tramite il quale si realizza la conversione di una sequenza di nucleotidi dell'm-RNA nella sequenza degli aminoacidi di una proteina. La relazione tra la sequenza dell'RNA messaggero e quella della proteina corrispondente è basata su un codice, detto codice genetico, nel quale ciascuna tripletta di basi nell'm-RNA, il codone, corrisponde a un determinato aminoacido nella sequenza proteica. Il codice genetico descrive la relazione tra la sequenza di basi dell’RNA e la sequenza amminoacidica delle proteine.
In realtà, di 64 possibili triplette che si possono ottenere dalle quattro basi nucleotidiche in tutte le possibili combinazioni (43=64), 61 codificano per i 20 aminoacidi naturali, mentre le altre tre costituiscono i segnali di terminazione della traduzione. La sintesi inizia con il legame della subunità piccola del ribosoma all'm-RNA e al primo aminoacil-t-RNA. Questo contiene sempre l'aminoacido metionina, che è formilata nei procarioti, e si lega con il suo anticodone al codone di inizio AUG dell'm-RNA: la metionina infatti è sempre il primo aminoacido a essere incorporato in un polipeptide e sarà eventualmente rimosso durante la fase di maturazione della proteina.
Il complesso di inizio è completato con l'unione della subunità grande del ribosoma e con il legame del metionil-t-RNA al sito P, o sito polipeptidico, situato su di essa. Successivamente sul sito A, o sito aminoacidico, posto anch'esso sulla subunità grande del ribosoma, si lega un secondo aminoacil-t-RNA, specifico per il codone successivo dell'm-RNA.
DNA: Dimensioni e Organizzazione
Il DNA ha un peso molecolare molto grande in confronto a tutte le altre macromolecole biologiche, quali le proteine e i polisaccaridi. Nelle cellule aploidi umane il DNA nucleare, che è distribuito in 23 cromosomi distinti, contiene 2,9 x 109 coppie di basi, con un peso molecolare complessivo di 1,9 x 1012: se tutto il DNA venisse esteso arriverebbe a misurare 99 cm. Date le sue dimensioni, si calcola che esso potrebbe codificare per 300.000 geni, ciascuno lungo 10.000 coppie di basi: in realtà il numero totale di geni espressi può venire stimato in 30.000-40.000, se si tiene conto che numerosi geni sono presenti in copie multiple (il significato di tale ridondanza rappresenta ancora oggi un problema irrisolto).
È interessante paragonare le enormi dimensioni del DNA nucleare umano con quelle del DNA di un piccolo virus, per es. il polioma, che ha 5100 coppie di basi, un peso molecolare di 3,4 x 106, e una lunghezza, se esteso, di 0,0017 mm, o del batterio Escherichia coli, che ha 4 x 106 coppie di basi, un peso molecolare di 2,6 x 109 e una lunghezza, se fosse esteso, di 1,36 mm. Oltre al DNA nucleare nelle cellule eucariote esistono anche altri DNA più piccoli contenuti nei mitocondri e nei cloroplasti. Il DNA mitocondriale umano, per es., è una molecola circolare a doppia elica costituita da 16.569 coppie di basi.
Sia nelle cellule eucariote che in quelle procariote il DNA si trova in una forma altamente condensata, cioè esso è ripiegato in modo assai complesso. Nelle cellule eucariote, in particolare, il DNA non è 'nudo', ma è legato a piccole proteine basiche, gli istoni, che consentono la formazione di unità ripetute, i nucleosomi. Ciascun nucleosoma è costituito da un tratto di DNA di circa 140 coppie di basi, avvolto intorno a un ottamero di istoni, mentre un'ulteriore molecola di istone funziona da 'legante' esterno.
Nel nucleo delle cellule eucariotiche, invece, il DNA contiene migliaia di geni e decine di migliaia negli organismi più complessi. La cromatina è un complesso molecolare contenuto all’interno del nucleo delle cellule eucariotiche. È determinata essenzialmente dall’associazione tra il DNA e proteine basiche, dette istoni. Gli istoni (H1, H2A, H2B, H3, H4) sono ricchi di residui di arginina e lisina, che sono due amminoacidi fondamentali nel processo di avvolgimento del DNA sugli istoni.
Forze che Stabilizzano la Struttura degli Acidi Nucleici
Il legame idrogeno è fondamentale nella struttura degli acidi nucleici. La formazione della doppia elica, ad esempio, è dovuta alla presenza di legami idrogeno intermolecolari. I legami idrogeno intervengono anche durante la trascrizione (DNA a RNA) tra il filamento di DNA e quello di RNA.
- Legame ionico: è presente tra gruppi elettricamente carichi.
- Forze di van der Waals: viene così denominata l’interazione tra due atomi qualsiasi che si trovano molto vicini tra loro, questa attrazione è dovuta a cariche elettriche fluttuanti.
- Forze idrofobiche: in ambiente acquoso le molecole idrofobiche tendono a raggrupparsi riducendo gli effetti destabilizzanti dovuti ai legami idrogeno presenti tra le molecole d’acqua.
Tabella Riassuntiva delle Differenze tra DNA e RNA
| Caratteristica | DNA | RNA |
|---|---|---|
| Zucchero | Desossiribosio | Ribosio |
| Basi azotate | Adenina, Guanina, Citosina, Timina | Adenina, Guanina, Citosina, Uracile |
| Struttura | Doppia elica | Singola elica (con possibili ripiegamenti) |
| Funzione principale | Deposito dell'informazione genetica | Intermediario nella sintesi proteica |
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