Modulo 8: I nucleotidi e gli acidi nucleici

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1 Modulo 8: I nucleotidi e gli acidi nucleici Modulo 10: Acidi nucleici Filamento di DNA fuoriuscito da una cellula di Escherichia coli

2 Struttura e funzioni dei nucleotidi 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) I nucleotidi sono formati da unione di tre unità più semplici: una base azotata, un pentoso, un gruppo fosforico

3 Le basi azotate: purine e pirimidine Purina Adenina (6 ammino purina) Guanina (2 ammino 6 ossi purina) Pirimidina Citosina (2 ossi 4 ammino pirimidina) Uracile (RNA) (2,4 ossi pirimidina) Timina (DNA) (2,4 ossi 5 metil pirimidina)

4 I pentosi presenti nei nucleotidi Negli acidi nucleici sono presenti due tipi di pentosio: il ribosio ed il desossiribosio D-ribosio D-desossiribosio β-d-ribofuranosio β-d-desossiribofuranosio Presente nei ribonucleotidi (RNA) Presente nei desossiribonucleotidi (DNA) Numerazione con il segno primo (1-5 ) per distinguere gli atomi di carbonio da quelli delle basi

5 I nucleosidi ed i nucleotidi Le basi azotate legate al pentosio con legami β-n-glicosidici formano i nucleosidi. Legame fosfoestere I nucleosidi sono: (deossi)adenosina, (deossi)guanosina, (deossi)citidina, deossitimidina, uridina. I nucleosidi sono legati con un gruppo fosforico in 5 per dare i nucleotidi (ribonucleotidi 5 monofosfato)

6 I nucleotidi e i desossiribonucleotidi

7 Lo scheletro covalente della catena del DNA e dell RNA I ribonucleosidi-5 -monofosfato e deossiribonucleotidi -5 -monofosfato sono, rispettivamente le unità base dell RNA e del DNA 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.

8 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

9 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)

10 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 fosfatoribosio 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.

11 La natura semiconservativa della replicazione del DNA Il DNA di un batterio è un unico filamento di 3x10 6 paia di basi L organizzazione a doppia elica facilita la 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.

12 Il DNA viene replicato dalle DNA polimerasi 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 Reazione catalizzata: (DNA) n + dntp = (DNA) n+1 +PPi

13 Il DNA può essere separato nelle sue componenti in maniera reversibile 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. Le basi sovrapposte nella doppia elica assorbono meno delle basi di eliche singole: è l effetto ipercromico.

14 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.

15 L RNA forma strutture ad elica singola destrorsa. 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. Molecola di RNA a singolo filamento. Le sequenze complementari danno origine a strutture complesse. Alcuni appaiamenti non seguono le regole di W-C

16 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

17 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

18 I nucleotidi di- e tri-fosfato trasportano energia chimica 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). 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. (utilizzati anche GTP, UTP e CTP)

19 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. Anello piridinico soggetto a riduzione NAD + /NADH Nelle biosintesi riduttive: NADPH: NADH 2 fosfato.

20 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

21 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).