ACIDI NUCLEICI: CARATTERISTICHE, FUNZIONI, STRUTTURA - BIOLOGIA - 2024

Gli acidi nucleici sono grandi biomolecole formate da unità o monomeri chiamati nucleotidi. Sono responsabili della conservazione e della trasmissione delle informazioni genetiche. Partecipano anche a ciascuna delle fasi della sintesi proteica.

Strutturalmente, ogni nucleotide è costituito da un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e una base azotata eterociclica (A, T, C, G e U). A pH fisiologico, gli acidi nucleici sono caricati negativamente, solubili in acqua, formano soluzioni viscose e sono abbastanza stabili.

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Esistono due tipi principali di acidi nucleici: DNA e RNA. La composizione di entrambi gli acidi nucleici è simile: in entrambi troviamo una serie di nucleotidi legati da legami fosfodiestere. Tuttavia, nel DNA troviamo la timina (T) e nell'RNA uracile (U).

Il DNA è più lungo e ha una conformazione a doppia elica e l'RNA è costituito da un singolo filamento. Queste molecole sono presenti in tutti gli organismi viventi, dai virus ai grandi mammiferi.

Prospettiva storica

Scoperta degli acidi nucleici

La scoperta degli acidi nucleici risale al 1869 quando Friedrich Miescher identificò la cromatina. Nei suoi esperimenti, Miescher ha estratto un materiale gelatinoso dal nucleo e ha scoperto che questa sostanza era ricca di fosforo.

Inizialmente, il materiale di natura misteriosa era designato come "nucleina". Successivi esperimenti sulla nucleina hanno concluso che non è solo ricca di fosforo, ma anche di carboidrati e basi organiche.

Phoebus Levene ha scoperto che la nucleina era un polimero lineare. Sebbene le proprietà chimiche di base degli acidi nucleici fossero note, non si è ritenuto che esistesse una relazione tra questo polimero e il materiale ereditario degli esseri viventi.

Scoperta della funzione del DNA

A metà degli anni Quaranta, per i biologi dell'epoca non era convincente che la molecola incaricata di trasmettere e immagazzinare le informazioni di un organismo risiedesse in una molecola con una conformazione semplice come il DNA - composta da quattro monomeri molto simili (nucleotidi) ogni.

Le proteine, polimeri costituiti da 20 tipi di amminoacidi, sembravano all'epoca i candidati più plausibili per essere la molecola dell'ereditarietà.

Questo punto di vista è cambiato nel 1928, quando il ricercatore Fred Griffith sospettava che la nucleina fosse coinvolta nell'ereditarietà. Infine, nel 1944 Oswald Avery riuscì a concludere con solide prove che il DNA conteneva informazioni genetiche.

Il DNA è così passato dall'essere una molecola noiosa e monotona, composta da soli quattro mattoni, a una molecola che permette di immagazzinare un numero immenso di informazioni, e che può conservarle e trasmetterle in modo preciso, esatto ed efficiente.

Scoperta della struttura del DNA

L'anno 1953 è stato rivoluzionario per le scienze biologiche, poiché i ricercatori James Watson e Francis Crick hanno chiarito la corretta struttura del DNA.

Sulla base delle analisi dei modelli di riflessione dei raggi X, i risultati di Watson e Crick hanno suggerito che la molecola è una doppia elica, dove i gruppi fosfato formano una spina dorsale esterna e le basi proiettano all'interno.

Viene generalmente utilizzata l'analogia di una scala, dove i corrimano corrispondono ai gruppi fosfato e i pioli alle basi.

Scoperta del sequenziamento del DNA

Negli ultimi due decenni si sono verificati progressi straordinari in biologia, guidati dal sequenziamento del DNA. Grazie ai progressi tecnologici, oggi abbiamo la tecnologia necessaria per conoscere la sequenza del DNA con una precisione piuttosto elevata - per "sequenza" si intende l'ordine delle basi.

Inizialmente, chiarire la sequenza era un evento costoso e il completamento richiedeva molto tempo. Attualmente non è un problema conoscere la sequenza di interi genomi.

caratteristiche

Carica e solubilità

Come suggerisce il nome, la natura degli acidi nucleici è acida e sono molecole con elevata solubilità in acqua; cioè sono idrofili. A pH fisiologico, la molecola è caricata negativamente, per la presenza di gruppi fosfato.

Di conseguenza, le proteine ​​a cui è associato il DNA sono ricche di residui amminoacidici con cariche positive. La corretta associazione del DNA è fondamentale per il suo confezionamento nelle cellule.

Viscosità

La viscosità dell'acido nucleico dipende dal fatto che sia doppia o singola banda. Il DNA a doppia banda forma soluzioni ad alta viscosità, poiché la sua struttura è rigida, resistente alla deformazione. Inoltre, sono molecole estremamente lunghe in relazione al loro diametro.

Al contrario, ci sono anche soluzioni di acidi nucleici a banda singola, che sono caratterizzate da bassa viscosità.

Stabilità

Un'altra caratteristica degli acidi nucleici è la loro stabilità. Naturalmente, una molecola con un compito così indispensabile come l'immagazzinamento dell'eredità deve essere molto stabile.

Comparativamente, il DNA è più stabile dell'RNA, poiché manca di un gruppo idrossile.

È possibile che questa caratteristica chimica abbia giocato un ruolo importante nell'evoluzione degli acidi nucleici e nella scelta del DNA come materiale ereditario.

Secondo le ipotetiche transizioni proposte da alcuni autori, l'RNA è stato sostituito dal DNA nel processo evolutivo. Tuttavia, oggi ci sono alcuni virus che utilizzano l'RNA come materiale genetico.

Assorbimento della luce ultravioletta

L'assorbimento degli acidi nucleici dipende anche dal fatto che si tratti di doppia banda o singola banda. Il picco di assorbimento degli anelli nella loro struttura è di 260 nanometri (nm).

Quando il filamento di DNA a doppia banda inizia a separarsi, l'assorbimento alla lunghezza d'onda menzionata aumenta, poiché gli anelli che costituiscono i nucleotidi sono esposti.

Questo parametro è importante per i biologi molecolari in laboratorio, poiché misurando l'assorbimento possono stimare la quantità di DNA che esiste nei loro campioni. In generale, la conoscenza delle proprietà del DNA contribuisce alla sua purificazione e trattamento nei laboratori.

Classificazione (tipi)

I due principali acidi nucleici sono DNA e RNA. Entrambi sono componenti di tutti gli esseri viventi. DNA sta per acido desossiribonucleico e RNA per acido ribonucleico. Entrambe le molecole svolgono un ruolo fondamentale nell'ereditarietà e nella sintesi proteica.

Il DNA è la molecola che immagazzina tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo di un organismo ed è raggruppata in unità funzionali chiamate geni. L'RNA è responsabile della raccolta di queste informazioni e, insieme ai complessi proteici, traduce le informazioni da una catena di nucleotidi a una catena di amminoacidi.

I filamenti di RNA possono essere lunghi poche centinaia o poche migliaia di nucleotidi, mentre i filamenti di DNA superano milioni di nucleotidi e possono essere visualizzati alla luce di un microscopio ottico se sono colorati con coloranti.

Le differenze strutturali di base tra le due molecole verranno descritte in dettaglio nella sezione successiva.

RNA

Nelle cellule, ci sono diversi tipi di RNA che insieme lavorano per orchestrare la sintesi proteica. I tre tipi principali di RNA sono messaggero, ribosomiale e di trasferimento.

Messenger RNA

L'RNA messaggero è responsabile della copia del messaggio che esiste nel DNA e del suo trasporto alla sintesi proteica che avviene in strutture chiamate ribosomi.

RNA ribosomiale o ribosomiale

L'RNA ribosomiale si trova come parte di questo meccanismo essenziale: il ribosoma. Del ribosoma, il 60% è costituito da RNA ribosomiale e il resto è occupato da quasi 80 proteine ​​diverse.

Trasferimento di RNA

L'RNA di trasferimento è una sorta di adattatore molecolare che trasporta gli amminoacidi (i mattoni delle proteine) al ribosoma, da incorporare.

Piccolo RNA

Oltre a questi tre tipi di base, sono stati recentemente scoperti numerosi RNA aggiuntivi che svolgono un ruolo essenziale nella sintesi proteica e nell'espressione genica.

I piccoli RNA nucleari, abbreviati in snRNA, partecipano come entità catalitiche allo splicing (processo che consiste nella rimozione degli introni) dell'RNA messaggero.

Piccoli RNA nucleolari o snoRNA sono coinvolti nell'elaborazione dei trascritti di RNA pre-ribosomiale che fanno parte della subunità ribosomiale. Ciò si verifica nel nucleolo.

Gli RNA interferenti corti e i microRNA sono piccole sequenze di RNA il cui ruolo principale è la modulazione dell'espressione genica. I microRNA sono codificati dal DNA, ma la loro traduzione in proteine ​​non continua. Sono a filamento singolo e possono integrare un messaggio RNA, inibendone la traduzione in proteine.

Struttura e composizione chimica

Gli acidi nucleici sono lunghe catene polimeriche costituite da unità monomeriche chiamate nucleotidi. Ciascuno è composto da:

Un gruppo fosfato

Esistono quattro tipi di nucleotidi e hanno una struttura comune: un gruppo fosfato legato a un pentoso tramite un legame fosfodiestere. La presenza di fosfati conferisce alla molecola un carattere acido. Il gruppo fosfato è dissociato al pH della cellula, quindi è caricato negativamente.

Questa carica negativa consente l'associazione di acidi nucleici con molecole la cui carica è positiva.

Piccole quantità di nucleosidi possono essere trovate all'interno delle cellule e anche nei fluidi extracellulari. Si tratta di molecole costituite da tutti i componenti di un nucleotide, ma prive di gruppi fosfato.

Secondo questa nomenclatura, un nucleotide è un nucleoside che ha uno, due o tre gruppi fosfato esterificati in corrispondenza dell'idrossile situato nel carbonio 5 '. I nucleosidi con tre fosfati sono coinvolti nella sintesi degli acidi nucleici, sebbene svolgano anche altre funzioni nella cellula.

Un pentoso

Un pentoso è un carboidrato monomerico composto da cinque atomi di carbonio. Nel DNA, il pentosio è un desossiribosio, che è caratterizzato dalla perdita di un gruppo idrossile al carbonio 2 '. Nell'RNA, il pentosio è un ribosio.

Una base azotata

Il pentoso è a sua volta legato ad una base organica. L'identità del nucleotide è fornita dall'identità della base. Esistono cinque tipi, abbreviati dalle loro iniziali: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) e uracile (U).

È comune in letteratura che troviamo che queste cinque lettere siano usate per riferirsi all'intero nucleotide. Tuttavia, in senso stretto, questi sono solo una parte del nucleotide.

I primi tre, A, G e C, sono comuni sia al DNA che all'RNA. Mentre T è unico per il DNA e l'uracile è limitato alla molecola di RNA.

Strutturalmente, le basi sono composti chimici eterociclici, i cui anelli sono costituiti da molecole di carbonio e azoto. A e G sono formati da una coppia di anelli fusi e appartengono al gruppo delle purine. Le restanti basi appartengono alle pirimidine e la loro struttura è costituita da un unico anello.

È comune che in entrambi i tipi di acidi nucleici troviamo una serie di basi modificate, come un gruppo metilico aggiuntivo.

Quando si verifica questo evento diciamo che la base è metilata. Nei procarioti si trovano solitamente adenine metilate e sia nei procarioti che negli eucarioti le citosine possono avere un gruppo metilico aggiuntivo.

Come avviene la polimerizzazione?

Come accennato, gli acidi nucleici sono lunghe catene costituite da monomeri - nucleotidi. Per formare le catene, queste sono legate in un modo particolare.

Quando i nucleotidi polimerizzano, il gruppo idrossile (-OH) trovato sul carbonio 3 'dello zucchero di uno dei nucleotidi forma un legame estere con il gruppo fosfato di un'altra molecola nucleotidica. Durante la formazione di questo legame, avviene la rimozione di una molecola d'acqua.

Questo tipo di reazione è chiamata "reazione di condensazione" ed è molto simile a ciò che si verifica quando si formano legami peptidici nelle proteine ​​tra due residui amminoacidici. I legami tra ciascuna coppia di nucleotidi sono chiamati legami fosfodiestere.

Come nei polipeptidi, le catene di acido nucleico hanno due orientamenti chimici alle loro estremità: uno è l'estremità 5 'che contiene un gruppo idrossile libero o un gruppo fosfato sul carbonio 5' dello zucchero terminale, mentre all'estremità 3 ´ troviamo un gruppo idrossile libero del carbonio 3´.

Immaginiamo che ogni blocco di DNA sia un set Lego, con un'estremità che viene inserita e con un foro libero dove può avvenire l'inserimento di un altro blocco. L'estremità 5 'con il fosfato sarà l'estremità da inserire e la 3' è analoga al foro libero.

Altri nucleotidi

Nella cellula troviamo un altro tipo di nucleotidi con una struttura diversa da quella sopra citata. Sebbene questi non faranno parte degli acidi nucleici, svolgono ruoli biologici molto importanti.

Tra i più rilevanti abbiamo la riboflavina mononucleotide, nota come FMN, il coenzima A, l'adenina dinucleotide e la nicotinamina, tra gli altri.

Struttura dell'RNA

La struttura lineare del polimero dell'acido nucleico corrisponde alla struttura primaria di queste molecole. I polinucleotidi hanno anche la capacità di formare array tridimensionali stabilizzati da forze non covalenti, simili al ripiegamento che si trova nelle proteine.

Sebbene la composizione primaria di DNA e RNA sia abbastanza simile (ad eccezione delle differenze sopra menzionate), la composizione della loro struttura è notevolmente diversa. Gli RNA si trovano comunemente come una singola catena nucleotidica, sebbene possa assumere disposizioni diverse.

Gli RNA di trasferimento, ad esempio, sono piccole molecole composte da meno di 100 nucleotidi. La sua tipica struttura secondaria ha la forma di un trifoglio a tre braccia. Cioè, la molecola di RNA trova al suo interno basi complementari e può ripiegarsi su se stessa.

Gli RNA ribosomiali sono molecole più grandi che assumono complesse conformazioni tridimensionali e presentano una struttura secondaria e terziaria.

Struttura del DNA

Doppia elica

A differenza dell'RNA lineare, la disposizione del DNA è costituita da due filamenti intrecciati. Questa differenza strutturale è fondamentale per svolgere le sue specifiche funzioni. L'RNA non è in grado di formare questo tipo di eliche a causa di un ostacolo sterico imposto dal gruppo OH aggiuntivo che il suo zucchero presenta.

Complementarità di base

C'è complementarità tra le basi. Cioè, a causa della loro dimensione, forma e composizione chimica, le purine devono accoppiarsi con una pirimidina attraverso legami idrogeno. Per questo motivo, nel DNA naturale troviamo che A è quasi sempre accoppiato con T e G con C, formando legami idrogeno con i loro partner.

Le coppie di basi tra G e C sono collegate da tre legami idrogeno, mentre le coppie A e T sono più deboli e solo due legami idrogeno le tengono insieme.

I filamenti di DNA possono essere separati (ciò avviene sia nella cellula che nelle procedure di laboratorio) e il calore richiesto dipende dalla quantità di GC nella molecola: più è grande, maggiore sarà l'energia necessaria per separarla.

Orientamento del filo

Un'altra caratteristica del DNA è il suo orientamento opposto: mentre un filamento corre nella direzione 5'-3 ', il suo partner corre nella direzione 3'-5'.

Conformazioni naturali e in laboratorio

La struttura o conformazione che normalmente troviamo in natura si chiama DNA B. Questa è caratterizzata dall'avere 10,4 nucleotidi per ogni giro, separati da una distanza di 3,4. Il DNA B gira a destra.

Questo modello di avvolgimento si traduce nella comparsa di due solchi, uno più grande e uno più piccolo.

Negli acidi nucleici formati in laboratorio (sintetici) si possono trovare altre conformazioni, che compaiono anche in condizioni molto specifiche. Questi sono DNA A e DNA Z.

Anche la variante A fa la svolta a destra, sebbene sia più corta e leggermente più larga di quella naturale. La molecola assume questa forma quando l'umidità diminuisce. Ruota ogni 11 coppie di basi.

L'ultima variante è la Z, caratterizzata dall'essere stretta e dalla svolta a sinistra. È formato da un gruppo di esanucleotidi raggruppati in un duplex di catene antiparallele.

Caratteristiche

DNA: molecola ereditaria

Il DNA è una molecola che può immagazzinare informazioni. La vita così come la conosciamo sul nostro pianeta dipende dalla capacità di memorizzare e tradurre tali informazioni.

Per la cellula, il DNA è una sorta di libreria in cui si trovano tutte le istruzioni necessarie per la produzione, lo sviluppo e il mantenimento di un organismo vivente.

Nella molecola del DNA troviamo un'organizzazione di entità funzionali discrete chiamate geni. Alcuni di loro saranno trasportati alle proteine, mentre altri svolgeranno funzioni di regolazione.

La struttura del DNA che descriviamo nella sezione precedente è la chiave per svolgere le sue funzioni. L'elica deve essere in grado di separarsi e unirsi facilmente, una proprietà chiave per eventi di replica e trascrizione.

Il DNA si trova nei procarioti in un sito specifico nel loro citoplasma, mentre negli eucarioti si trova all'interno del nucleo.

RNA: una molecola multifunzionale

Ruolo nella sintesi proteica

L'RNA è un acido nucleico che troviamo in diversi stadi della sintesi proteica e nella regolazione dell'espressione genica.

La sintesi proteica inizia con la trascrizione del messaggio crittografato nel DNA in una molecola di RNA messaggero. Successivamente, il messenger deve eliminare le porzioni che non verranno tradotte, note con il nome di introni.

Per la traduzione del messaggio RNA in residui amminoacidici, sono necessari due componenti aggiuntivi: l'RNA ribosomiale che fa parte dei ribosomi, e l'RNA di trasferimento, che trasporterà gli amminoacidi e sarà responsabile dell'inserimento dell'amminoacido corretto nella catena peptidica. In allenamento.

In altre parole, ogni tipo principale di RNA gioca un ruolo critico in questo processo. Questo passaggio dal DNA all'RNA messaggero e infine alle proteine ​​è ciò che i biologi chiamano "il dogma centrale della biologia".

Tuttavia, poiché la scienza non può essere basata sui dogmi, ci sono diversi casi in cui questa premessa non è soddisfatta, come i retrovirus.

Ruolo nella regolamentazione

I piccoli RNA sopra menzionati partecipano indirettamente alla sintesi, orchestrando la sintesi dell'RNA messaggero e partecipando alla regolazione dell'espressione.

Ad esempio, nella cellula ci sono diversi RNA messaggeri che sono regolati da piccoli RNA, che hanno una sequenza complementare a questa. Se il piccolo RNA si attacca al messaggio, può fendere il messaggero, impedendone così la traduzione. Esistono più processi regolati in questo modo.

Riferimenti

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … e Walter, P. (2015). Biologia cellulare essenziale. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochimica. 5a edizione. WH Freeman.
3. Cooper, GM e Hausman, RE (2000). La cellula: approccio molecolare. Sinauer Associates.
4. Curtis, H. e Barnes, NS (1994). Invito alla biologia. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Breve storia della scoperta della struttura del DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Origine ed evoluzione delle macchine per la replicazione del DNA e del DNA. In: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Biologia cellulare e molecolare: concetti ed esperimenti. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). La transizione evolutiva dall'RNA al DNA nelle prime cellule. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, … e Matsudaira, P. (2008). Biologia cellulare molecolare. Macmillan.
10. Voet, D. e Voet, JG (2006). Biochimica. Ed. Medica panamericana
11. Voet, D., Voet, JG e Pratt, CW (1999). Fondamentale della biochimica. New York: John Willey and Sons.