Le proteine sono molecole organiche contenenti molecole di azoto (chiamate amminoacidi) e disposte in sequenza. Gli amminoacidi sono formati da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto (sull'atomo di idrogeno ci sono 2 di azoto).
Acidi Nucleici: I Mattoni della Vita
Gli acidi nucleici sono polimeri formati da molecole particolari chiamate nucleotidi. Questi sono formati da un gruppo fosfato, uno zucchero a 5 atomi di carbonio e una base azotata.
DNA: Il Depositario dell'Informazione Genetica
Il DNA (o acido deossiribonucleico) contiene lo zucchero chiamato deossiribosio, che ha un atomo di ossigeno in meno rispetto al ribosio. La sigla DNA significa acido desossiribonucleico o acido deossiribonucleico. Questo zucchero a 5 atomi di carbonio deve il proprio nome alla mancanza, sul carbonio 2, di atomi di ossigeno.
Il DNA è la macromolecola biologica che contiene tutte le informazioni genetiche relative a un essere vivente. Tra un individuo e l’altro o due animali della stessa specie risulta sempre diverso. Il DNA è formato da 2 filamenti e ogni filamento rappresenta una successione di nucleotidi (zucchero-acido); la molecola di DNA è lineare ed è formata da 4 diversi tipi di basi azotate: l'adenina, la timina, la citosina e la guanina.
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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Struttura a Doppia Elica del DNA
La struttura del più complesso degli acidi nucleici è detta a doppia elica, in quanto i due filamenti che lo compongono si uniscono in questa spirale. A mantenere unita la struttura sono i legami idrogeno fra le basi azotate. Per la precisione la citosina si unisce alla guanina e la timina all’adenina. Tra le prima due ci sono due legami idrogeno, tra le altre invece si arriva a tre.
Tra le basi azotate la guanina e l’adenina hanno una struttura a doppio anello e sono chiamate purine. La timina e la citosina invece hanno un anello singolo e insieme sono le pirimidine. Una purina si associa sempre e solo alla pirimidina corrispondente in quanto il legame che si viene a formare 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.
Per distinguere fra di loro i due filamenti si dice che uno va in direzione 5′-3′, mentre il secondo segue quella contraria (3′-5′). Infatti la “coda” di un filamento si lega alla “testa” dell’altro. 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.
La doppia elica del DNA compie un giro ogni dieci coppie di basi e la sua lunghezza è pari a 3,3 nm. La distanza fra i due filamenti invece è pari a 10,8 Å (angstrom).
Funzioni del DNA
Il nucleo delle cellule eucariote è il compartimento cellulare dove si trova il patrimonio genetico. Qui il DNA si organizza in cromosomi, compattandosi e associandosi agli istoni, ovvero le proteine che mantengono stabili queste strutture. L’unione di acidi nucleici e istoni si chiama cromatina, ed è organizzata in questo modo per proteggere il DNA e controllarne la replicazione.
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I cromosomi contengono i geni di un individuo o di un organismo e si tratta di sequenze di basi azotate che codificano per le proteine. Per sintetizzarle serve che avvenga la traduzione del DNA in RNA, che poi trasporta l’informazione genetica ai ribosomi. Grazie alla sua duplicazione durante la mitosi inoltre si ottengono cellule uguali fra di loro a livello di geni.
Negli acidi nucleici è possibile che le sequenze di geni siano soggette a mutazioni che possono arrivare a produrre una proteina difettosa o inutile. Evitare che si presentino questi “errori” è fondamentale perché le cellule esercitino le loro funzioni, anche se alcuni possono essere silenti, ovvero non portare alcuna variazione. Altre possono anche rivelarsi vantaggiose e infatti il DNA è stato il motore dell’evoluzione grazie alle variazioni che si sono accumulate nel tempo. Il differenziamento fra le specie deriva dalla diversità a livello di codice genetico che porta gli organismi a produrre strutture corporee diverse.
RNA: Il Messaggero dell'Informazione Genetica
Diversamente dal DNA, l’RNA si presenta a filamento singolo e quindi non forma un’elica. Dal punto di vista biologico rappresenta la molecola di mediazione fra il DNA e le proteine. Permette infatti di costruirle portando le informazioni genetiche ai ribosomi, nel citoplasma. Ogni nucleotide dell’RNA è costituito da una molecola di ribosio, un gruppo fosfato e una base azotata. Il pentoso che costituisce i nucleotidi dell'acido ribonucleico è il ribosio.
A livello di basi azotate c’è una differenza fondamentale fra i due acidi nucleici. Mentre nel DNA l’adenina si associa alla timina, nell’RNA invece forma un legame con una base azotata chiamata uracile. L'acido nucleico RNA condivide con il DNA soltanto 3 basi azotate su 4. Al posto della timina, infatti, presenta la base azotata uracile. Come la timina e la citosina anche questa base è una pirimidina e quindi è formata da un solo anello. Anche fra adenina e uracile si formano solo due legami idrogeno.
Grazie alla sua struttura a filamento singolo l’RNA è in grado di realizzare la catalisi chimica, e per questo esistono i ribozimi. Si tratta di molecole di RNA che possono funzionare come degli enzimi e quindi favorire delle reazioni chimiche. Alcuni possono compiere la reazione di catalisi su sé stessi per staccarsi da una molecola.
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I Vari Tipi di RNA e le Loro Funzioni
Nel caso dell’RNA esistono più tipologie di acidi nucleici che portano questo nome e che si differenziano sia per struttura che per funzione. Vediamo i principali:
- mRNA o RNA messaggero: Il suo ruolo è quello di trascrivere l’informazione contenuta nel DNA e a sintetizzarlo è la RNA polimerasi. Viene poi fatto “maturare” attraverso i processi del capping, della poliadenilazione e dello splicing. Una volta giunto ai ribosomi viene tradotto in amminoacidi durante il processo della sintesi proteica.
- tRNA o RNA transfer/di trasporto: Si tratta di una molecola di RNA lunga appena 70-90 nucleotidi che assume una struttura secondaria simile a un trifoglio. I tre lobi vengono chiamati “braccia” del tRNA e il suo scopo è trasportare gli amminoacidi ai ribosomi per assemblare le proteine cellulari.
- rRNA o RNA ribosomale: Si tratta di quello presente in percentuale più abbondante fra gli acidi nucleici che rientrano nella categoria degli RNA. Compone i 2/3 della struttura degli organelli cellulari chiamati ribosomi dove avviene la sintesi proteica.
DNA e RNA differiscono tra di loro sotto alcuni aspetti. Per esempio, il DNA presenta due catene di nucleotidi antiparallele e ha, come zucchero a 5 atomi di carbonio, il desossiribosio.
Figura: Elementi che costituiscono un generico nucleotide di un acido nucleico.
Miescher fece i suoi ritrovamenti, mentre stava studiando il nucleo cellulare dei leucociti, con l'intenzione di capirne meglio la composizione interna.
Tra gli acidi nucleici artificiali meritano una citazione particolare: il TNA, il PNA, l'LNA e il GNA.