I legami fosfodiestere sono legami covalenti che si verificano tra due degli atomi di ossigeno di un gruppo fosfato e gruppi idrossilici di due diverse molecole. In questo tipo di legame, il gruppo fosfato agisce come un "ponte" di legame stabile tra le due molecole attraverso i loro atomi di ossigeno.
Il ruolo fondamentale dei legami fosfodiestere in natura è quello della formazione di catene di acidi nucleici, sia DNA che RNA. Insieme agli zuccheri pentosi (desossiribosio o ribosio, a seconda dei casi), i gruppi fosfato fanno parte della struttura portante di queste importanti biomolecole.
Legame fosfodiestere nello scheletro del DNA (Fonte: File: Phosphodiester bond.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: Utente: G3pro (parlare) Utente: G3pro su en.wikipedia.org Lavoro derivato: Utente: Merops (parlare) Lavoro derivato: Utente : Deneapol (parlare) Lavoro derivato: Utente: KES47 (parlare) Modifiche al testo: Incnis Mrsi (parlare) Modifiche al testo: DMacks (parlare)) Lavoro derivato: Utente: Miguelferig (parlare) con ionizzazione, tramite Wikimedia Commons)
Le catene nucleotidiche del DNA o dell'RNA, come le proteine, possono assumere diverse conformazioni tridimensionali che vengono stabilizzate da legami non covalenti, come i legami idrogeno tra basi complementari.
Tuttavia, la struttura primaria è data dalla sequenza lineare di nucleotidi legati covalentemente tramite legami fosfodiestere.
Come si forma un legame fosfodiestere?
Come i legami peptidici nelle proteine e i legami glicosidici tra i monosaccaridi, i legami fosfodiestere derivano da reazioni di disidratazione in cui si perde una molecola d'acqua. Ecco lo schema generale di una di queste reazioni di disidratazione:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Gli ioni fosfato corrispondono alla base coniugata completamente deprotonata dell'acido fosforico e sono chiamati fosfati inorganici, la cui abbreviazione è indicata con Pi. Quando due gruppi fosfato sono collegati insieme, si forma un legame fosfato anidro e si ottiene una molecola nota come pirofosfato inorganico o PPi.
Quando uno ione fosfato è attaccato a un atomo di carbonio in una molecola organica, il legame chimico è chiamato estere fosfato e la specie risultante è un monofosfato organico. Se la molecola organica si lega a più di un gruppo fosfato, si formano difosfati organici o trifosfati.
Quando una singola molecola di fosfato inorganico è attaccata a due gruppi organici, viene impiegato un legame fosfodiestere o "diestere fosfato". È importante non confondere i legami fosfodiestere con legami fosfoanidro ad alta energia tra i gruppi fosfato di molecole come l'ATP, per esempio.
Differenze tra fosfati e fosforili (Fonte: Strater, tramite Wikimedia Commons)
I legami fosfodiestere tra nucleotidi adiacenti consistono in due legami fosfoestere che si verificano tra l'idrossile nella posizione 5 'di un nucleotide e l'idrossile nella posizione 3' del nucleotide successivo in un filamento di DNA o RNA.
A seconda delle condizioni dell'ambiente, questi legami possono essere idrolizzati sia enzimaticamente che non enzimaticamente.
Enzimi coinvolti
La formazione e la rottura dei legami chimici è cruciale per tutti i processi vitali così come li conosciamo, e il caso dei legami fosfodiestere non fa eccezione.
Tra gli enzimi più importanti che possono formare questi legami ci sono DNA o RNA polimerasi e ribozimi. Gli enzimi fosfodiesterasi sono in grado di idrolizzarli enzimaticamente.
Durante la replicazione, un processo cruciale per la proliferazione cellulare, in ogni ciclo di reazione un dNTP (deossinucleotide trifosfato) complementare alla base del modello viene incorporato nel DNA attraverso una reazione di trasferimento nucleotidico.
La polimerasi è responsabile della formazione di un nuovo legame tra il 3'-OH del filamento stampo e l'α-fosfato del dNTP, grazie all'energia liberata dalla rottura dei legami tra i fosfati α e β del dNTP, che sono legati da legami fosfoanidro.
Il risultato è l'estensione della catena da parte di un nucleotide e il rilascio di una molecola di pirofosfato (PPi). È stato determinato che queste reazioni meritano due ioni magnesio bivalenti (Mg 2+ ), la cui presenza consente la stabilizzazione elettrostatica del nucleofilo OH - per ottenere l'approccio verso il sito attivo dell'enzima.
Il pK a di un legame fosfodiestere è vicino a 0, quindi in una soluzione acquosa questi legami sono completamente ionizzati, caricati negativamente.
Ciò conferisce alle molecole di acido nucleico una carica negativa, che viene neutralizzata grazie alle interazioni ioniche con le cariche positive dei residui di aminoacidi proteici, al legame elettrostatico con ioni metallici o all'associazione con le poliammine.
In una soluzione acquosa i legami fosfodiestere nelle molecole di DNA sono molto più stabili che nelle molecole di RNA. In una soluzione alcalina, questi legami nelle molecole di RNA vengono scissi dallo spostamento intramolecolare del nucleoside all'estremità 5 'da un ossianione 2'.
Funzione ed esempi
Come accennato, il ruolo più rilevante di questi legami è la loro partecipazione alla formazione della spina dorsale delle molecole di acido nucleico, che sono una delle molecole più importanti nel mondo cellulare.
L'attività degli enzimi topoisomerasi, che partecipano attivamente alla replicazione del DNA e alla sintesi proteica, dipende dall'interazione dei legami fosfodiestere all'estremità 5 'del DNA con la catena laterale dei residui di tirosina nel sito attivo di questi enzimi.
Le molecole che partecipano come secondi messaggeri, come l'adenosina monofosfato ciclico (cAMP) o la guanosina trifosfato ciclico (cGTP), possiedono legami fosfodiestere che vengono idrolizzati da enzimi specifici noti come fosfodiesterasi, la cui partecipazione è della massima importanza per molti processi di segnalazione cellulare.
I glicerofosfolipidi, componenti fondamentali nelle membrane biologiche, sono composti da una molecola di glicerolo che è attaccata tramite legami fosfodiestere ai gruppi polari "testa" che costituiscono la regione idrofila della molecola.
Riferimenti
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