Caratteristiche generali degli acidi nucleici
Gli acidi nucleici, ovvero le molecole del DNA e dell’RNA, sono fondamentali molecole biologiche che svolgono un ruolo cruciale nella sopravvivenza delle cellule viventi. Queste molecole sono costituitie da lunghe catene lineari di nucleotidi, che vengono legati tra loro per formare le grandi molecole biologiche note come acidi nucleici. La presenza e il corretto funzionamento di queste molecole all’interno delle cellule sono fondamentali per la sopravvivenza di quest’ultime.
I nucleotidi sono molecole di piccole dimensioni composte da tre componenti essenziali: un gruppo fosfato, una base azotata e uno zucchero a 5 atomi di carbonio. Queste molecole sono fondamentali per la costituzione di importanti macromolecole biologiche, come gli acidi nucleici DNA e RNA.
Gli acidi nucleici svolgono un ruolo importante nella sintesi delle proteine. Le proteine sono molecole essenziali per il corretto funzionamento dei meccanismi cellulari. DNA e RNA sono due tipi diversi di acidi nucleici che differiscono per alcune caratteristiche. Ad esempio, il DNA è costituito da due catene di nucleotidi disposte in maniera antiparallela e ha come zucchero a 5 atomi di carbonio il desossiribosio. Al contrario, l’RNA è generalmente costituito da una singola catena di nucleotidi e presenta come zucchero a 5 atomi di carbonio il ribosio.
Dove si trovano gli acidi nucleici?
Gli acidi nucleici sono presenti non solo all’interno delle cellule degli organismi eucarioti e procarioti, ma anche in forme di vita acellulari, come i virus, e negli organuli cellulari, come i mitocondri e i cloroplasti.
La funzione degli acidi nucleici
Gli acidi nucleici sono vettori di informazione genetica, che influiscono sulla funzione proteica che regola i processi cellulari di un organismo vivente. La struttura degli acidi nucleici è costituita da filamenti di nucleotidi, la cui sequenza determina l’informazione genetica. Questa informazione viene poi trasformata in proteine composte da aminoacidi, che svolgono un ruolo cruciale nei meccanismi cellulari. Ma prima di addentrarci nelle caratteristiche in dettaglio descriviamo come si è arrivati alla conoscenze di queste molecole biologiche.
La storia degli acidi nucleici
La ricerca sulla struttura degli acidi nucleici ebbe inizio più tardi rispetto a quella sulla struttura delle proteine, in parte a causa della difficoltà nel ottenere una purificazione sufficiente degli acidi nucleici. Queste molecole, come suggerisce il loro nome, sono presenti all’interno del nucleo delle cellule. Inizialmente, furono identificati in grandi quantità nel lievito e successivamente nel timo, una ghiandola endocrina attiva durante l’adolescenza.
La loro presenza fu confermata attraverso l’assorbimento di luce ultravioletta e la loro capacità di assumere determinati colori, rivelando la loro presenza in grandi quantità nei cromosomi, noti per essere associati alla trasformazione genetica e alla riproduzione cellulare.
Gli studi di Astbury, Furberg e Chargaff
Il processo di studio della struttura degli acidi nucleici ha avuto inizio nel 1932 con W. T. Astbury, che ha isolato queste molecole e ha scoperto che potevano essere sciolte in un liquido denso e ridotte in filamenti che mostravano una struttura polimerica fibrosa. Astbury ha dimostrato che i quattro nucleotidi – adenina, guanina (purine), citosina e timina o uracile (pirimidine) – erano disposti come monete ad angolo retto rispetto all’asse del filo.
S. Furberg ha poi dimostrato che il cerchio delle molecole di zucchero era disposto ad angolo retto in modo da poter essere raggiunto attraverso gli zuccheri dai gruppi fosfato per formare un polimero. Infine, le analisi chimiche condotte da E. Chargaff hanno dimostrato che il numero di purine e pirimidine era perfettamente bilanciato.
L’ipotesi di Watson e Crick
La famosa ipotesi di Watson e Crick sul modello di struttura degli acidi nucleici sosteneva che la struttura non fosse una singola elica ma doppia, con una base azotata purinica legata ad una base azotata pirimidinica in una coppia complementare. Successivamente, Wilkins e Franklin confermarono la loro ipotesi utilizzando la diffrazione ai raggi X. L’ordine preciso dei nucleotidi all’interno di un acido nucleico specifico è essenziale per le sue funzioni biologiche e viene trasmesso durante la replicazione. Questa struttura molecolare degli acidi nucleici rappresenta la base per la costruzione di un “nastro” che trasporta e trasmette informazioni genetiche all’interno di ogni cellula o virus.
Struttura generale degli acidi nucleici
Gli acidi nucleici DNA e RNA sono composti da unità molecolari chiamate nucleotidi. Queste unità sono le fondamentali per la comprensione della struttura degli acidi nucleici. Descriveremo adesso la struttura dei nucleotidi.
Nucleotidi
Un nucleotide è un composto organico costituito da tre componenti: 1) un gruppo fosfato, derivato dell’acido fosforico, 2) un pentosio, uno zucchero a 5 atomi di carbonio e 3) una base azotata, una molecola aromatica eterociclica. Il pentosio rappresenta la componente centrale del nucleotide, che lega il gruppo fosfato e la base azotata. Il pentosio e il gruppo fosfato sono uniti tramite un legame fosfodiesterico, mentre il pentosio e la base azotata sono uniti tramite un legame N-glicosidico.
I nucleotidi, le unità costitutive degli acidi nucleici DNA e RNA, sono organizzati in lunghe catene lineari denominate filamenti. Questi filamenti sono formati dall’unione tra i nucleotidi successivi attraverso un legame fosfodiesterico tra il carbonio 3 del pentosio di un nucleotide e il gruppo fosfato del nucleotide successivo.
I filamenti polinucleotidici che compongono gli acidi nucleici presentano due termini, noti come termini 5′ ed estremità 3′. Per convenzione, la biologia e la genetica hanno stabilito che il termine 5′ rappresenta l’estremità iniziale del filamento, mentre il termine 3′ rappresenta la sua estremità finale. Dalla prospettiva chimica, il termine 5′ degli acidi nucleici corrisponde al gruppo fosfato del primo nucleotide della catena, mentre il termine 3′ corrisponde al gruppo ossidrilico (OH) sul carbonio 3 dell’ultimo nucleotide. Questa organizzazione viene descritta nella genetica e nella biologia molecolare come “P-5’→3′-OH”.
DNA
L’acido desossiribonucleico (DNA), rappresenta il deposito dei geni che controllano lo sviluppo e la crescita delle cellule in un organismo vivente.
Il tipo di pentosio che compone i nucleotidi dell’acido nucleico DNA è il deossiribosio. Questo zucchero a 5 atomi di carbonio è stato denominato in questo modo a causa della sua carenza di atomi di ossigeno sul carbonio 2. Pertanto, “deossiribosio” significa “privo di ossigeno”. A causa della presenza del deossiribosio, i nucleotidi dell’acido nucleico DNA sono noti come deossiribonucleotidi.
Nel regno dei organismi eucarioti il DNA si trova all’interno del nucleo di tutte le cellule che hanno questa organizzazione cellulare. Al contrario, negli organismi procarioti (come batteri e archeobatteri), il DNA è localizzato nel citoplasma, poiché queste cellule non hanno un nucleo definito.
La doppia elica del DNA
Nel 1953, James Watson e Francis Crick proposero il modello della doppia elica per descrivere la struttura dell’acido desossiribonucleico (DNA). Questo modello si è rivelato essere corretto. Il DNA è una grande molecola composta da due filamenti di nucleotidi antiparalleli avvolti in una spirale. I filamenti sono orientati in modo opposto, con il capo di un filamento che interagisce con la coda dell’altro e viceversa.
Secondo un altro modello della “doppia elica” del DNA, i nucleotidi sono disposti in modo tale che le basi azotate sono allineate lungo l’asse centrale delle spirali, mentre i pentosi e i gruppi fosfato compongono la struttura esterna di queste ultime.
I nucleotidi del DNA
Il DNA è costituito da nucleotidi che contengono una base azotata, un gruppo fosfato e un pentosio chiamato desossiribosio. Le basi azotate sono orientate verso l’asse centrale di ciascuna spirale, mentre i gruppi fosfato e il pentosio costituiscono l’impalcatura esterna. Esistono 4 tipi diversi di desossiribonucleotidi, che si distinguono solo per le basi azotate: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T).
Watson e Crick hanno anche spiegato l’organizzazione delle basi azotate all’interno del DNA. Ciascuna base azotata di un filamento si unisce a una base azotata sul filamento antiparallelo mediante legami a idrogeno, formando una coppia di basi. Questo appaiamento è altamente specifico, con l’adenina che si lega solo alla timina e la citosina che si lega solo alla guanina. Questa scoperta ha portato biologi molecolari e genetisti a parlare di “complementarietà tra basi azotate” e “appaiamenti complementari tra basi azotate”.
RNA
Negli organismi viventi, l’acido ribonucleico (RNA) svolge un ruolo cruciale nella traduzione dell’informazione genetica presente nei nucleotidi del DNA in aminoacidi, costituenti delle proteine, durante il processo di sintesi proteica. In questo senso, l’RNA è considerato un dizionario per la codifica delle informazioni genetiche del DNA.
Nelle cellule viventi, esistono quattro forme principali di acido nucleico RNA: tRNA (RNA di trasporto), mRNA (RNA messaggero), rRNA (RNA ribosomiale) e snRNA (piccolo RNA nucleare). Queste forme di RNA svolgono ruoli distinti ma lavorano insieme verso un obiettivo comune: la sintesi delle proteine a partire dalle sequenze di nucleotidi del DNA.
Le differenze tra l’RNA e il DNA
L’RNA differisce dal DNA per diverse caratteristiche:
- Il RNA è una molecola biologica più piccola rispetto al DNA, generalmente formata da un singolo filamento di nucleotidi.
- Il pentosio che costituisce i nucleotidi del RNA è il ribosio, che differisce dal desossiribosio per la presenza di un atomo di ossigeno sul carbonio 2.
- La presenza del ribosio ha portato all’assegnazione del nome di “acido ribonucleico” al RNA da parte di biologi e chimici.
- I nucleotidi del RNA sono conosciuti anche come ribonucleotidi.
- Il RNA condivide con il DNA solo 3 basi azotate su 4, sostituendo la timina con l’uracile.
- Il RNA può essere localizzato in diverse aree della cellula, dal nucleo al citoplasma.
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Fonti
- https://it.wikipedia.org/wiki/Acidi_nucleici
- https://www.my-personaltrainer.it/biologia/acidi-nucleici.html
