NUCLEOTIDI: struttura usi e funzioni
STRUTTURA
Un MONOSACCARIDE gli atomi di carbonio si contano con il segno primo: 1'. Soprattutto ribosio e desossiribosio
Uno/ due o tre gruppi fosfato
a seconda di se è NTP,NDP o NMP
Una base azotata
i termini dell'anello si numerano in senso antiorario
Struttura derivante da modifiche di un' anello PIRIMIDINICO
Struttura derivante da modifiche di un' anello PURINICO
Uracile: 2,4 ossi pirimidina
Timina: 2,4 ossi 5 metil pirimidina
Citosina: 2 ossi- 4ammino pirimidina
Adenina: 6 ammino-purina
Guanina: 2 ammino 6 ossi purina
L'unione di zucchero e base azotata forma un nucleoside
Tramite esclusivamente legame β-N-GLICOSIDICO,
legando il C 1' e il N 9 per le puriniche e N 1 per le pirimidiniche
Si usa solo l'anomero β del monosaccaride e questo si lega solo con un azoto
Legando almeno un gruppo fosfato al nucleotide tramite legame fosfo-esterico dall'O zsul C 5' il nucleoside diventa
NUCLEOTIDE
Si nominano mettendo una d se si usa il desossiribosio, niente se il ribosio, si mette l'iniziale della base azotata coinvolta e MP, DP e TP in base al numero di gruppi fosfati legati al nucleoside
I nucleotidi si legano tra loro formando dei legami
fosfo-diestere: legando un altro ossigeno del gruppo fosfato al C 3' dell'altro zucchero con cui vuole legarsi. La catena si muove sempre in direzione 5' --> 3'
Si formano POLINUCLEOTIDI
Poichè la struttura del nucleotide e del polinucleotide poi è caratterizzata da pochissimi doppi legami: queste molecole possiedono molta libertà rotazionale e conformazionale
Il legame β-N-glicosidico può vedere
- la base azotata direttamente sopra il nucleotide se in sin
- oppure crea una diagonale con lo zucchero e quindi è in anti
Il ribosio può avere una conformazione a busta
- endo: se il C dell'anello fuoriuscente dal piano dell'anello è dallo stesso lato del legame che collega il C che non fa parte del anello con l'anello
- eso: se è dal lato opposto *vedi sopra
ACIDI NUCLEICI
polinucleotidi
R.N.A.:
acido ribonucleico
unico filamento
D.N.A:
acido deossiribonucleico
doppio filamento
STRUTTURA:
FUNZIONE:
STRUTTURA:
FUNZIONE:
conservazione del materiale genetico e copia quanto più possibile fedele
Nonostante la libertà conformazionale dei polinucleotidi il doppio filamento si dispone seguendo una struttura A DOPPIA ELICA a causa dell'elevata stabilità della stessa struttura
Polianioni carichi e idrofili
L'impalcatura data degli zuccheri legati ai gruppi fosfato si mantengono all'esterno della struttura avvolgendo le basi azotate che rimangono interne. La struttura esterna è quindi molto negativa e idrosolubile
Le basi azotate dei due filamenti si accoppiano tra loro formando legami ad idrogeno
Forma B: la più comune, elica destrorsa
Forma Z: elica sinistrorsa che si forma in corrispondenza di sequenze CGCGCGCG
Forma A: elica destrorsa ma con basi azotate più inclinate rispetto alla forma B e e spazio tra i filamenti decisamente maggiore.
Questo istituisce delle precise coppie di basi azotate che combaciano perfettamente le une con le altre:
le coppie Watson-Crick: ADENINA-TIMINA e GUANINA-CITOSINA
Tenendo conto solo dei legami ad idrogeno sarebbero possibili altri accoppiamenti ma a causa dello spazio occupato se questi accoppiamenti avvenissero, verrebbe meno la struttura molto stabile della doppia elica
Le basi azotate che corrono in modo quasi perpendicolare allo scheletro fosfo-zuccherino si ritovano poi poste parallelamente le une con le altre (IMPILATE) sviluppando tra loro interazioni idrofobiche ulteriormente stabilizzanti per la struttura
I due filamenti si avvolgono tra loro in modo antiparallelo: uno 5'-->3' , l'altro 3'--> 5'
Si accoppiano solo pirimidine con purine
è LA STESSA STABILITA DATA DAI LEGAMI TRA LE BASI AZOTATE A GIUSTIFICARE L'ESISTENZA DELLA DOPPIA ELICA
Nel caso in cui si presentino sequenze palindrome in uno stesso filamento questo anziché avvolgersi con l'altra catena si accoppia con sé stessa, essendo autocomplementari formando delle strutture
- a croce (palindromo su tutti e due i filamenti)
- a forcina: palindromo solo su uno dei due
Usata nelle forme ibride DNA-RNA
La replicazione del DNA è di tipo semiconservativo: ovvero ciascuno dei due filamenti figli presenta uno dei due filamenti dell'elica madre
Si srotolano i 2 filamenti
Un'enzima si inserisce su ognuno di questi filamenti e ne crea il complementare usando il primo filamento come STAMPO
Si sono create due eliche dove prima ve ne era una
Questa classe di enzimi si chiama D.N.A. POLIMERASI: quest'enzima si occupa di legare i nucleotidi ad un PRIMER iniziale appaiando il nucleotide con la base complementare a quella presente sullo stampo.
La polimerasi al suo interno possiede anche delle UNITA DI CONTROLLO che verificano l'accoppiamento eseguito sia corretto e nel caso in cui non lo fosse interrompono il processo di polimerasi e sostituiscono il nucleotide
La polimerasi allunga soltanto perché sarebbe troppo pericoloso per l'incidenza di mutazioni se lui avesse anche il compito di iniziare la catena
Precisamente quest'enzima catalizza la reazione per cui un desossi-nucleotide trifosfato si lega con il più interno dei fosfati allo zucchero (legame fosfodiesterico) che costituisce l'inizio del filamento: primer allungando la catena e rilasciando del pirofosfato (due gruppi fosfati)
(DNA)n + dNTP = (DNA)n+1 +PPi
Essendo la reazione di sintesi endoergonica, si usa come substrato un nucleotide trifosfato che tramite l'idrolisi del legame
fosfo-anidridico tra i gruppi fosfati direziona la reazione
Avviene anche la reazione di idrolisi del pirofosfato così da eliminare uno dei prodotti e spingere Re-Chatelier verso i prodotti tra cui il filamento formato.
Più precisamente il gruppo OH del C3' attacca il fosfato più interno che per legarsi con l'OH spezza il suo legame anidridico con il fosfato intermedio
L'impalcatura della struttura a doppia elica non riveste completamente la pila di basi azotate ma lascia delle zone scoperte definite solchi, attraverso cui altre molecole possono interagire con il DNA: questi sono il SOLCO MAGGIORE ed il SOLCO MINORE.
A seconda delle diverse coppie di basi azotate che si trovano nei diversi solchi dell'elica si sviluppano diversi legami ad idrogeno.
Questi diversi legami ad H portano le molecole esterne a poter riconoscere quali siano le sequenze in quel momento presenti nel solco e quindi a sviluppare interazioni SEQUENZA SPECIFICO
Utile ad esempio per copiare piccole regioni di DNA
Questo processo viene definito DENATURAZIONE e coonsiste appunto nella rottura dei legami a idrogeno tra le coppie di basi azotate che tengono insieme i filamenti. Può avvenire sia naturalmente per via enzimatica che artificialmente con la temperatura.
Questo processo anche artificialmente, se condotto con cautela, è REVERSIBILE e può essere molto utile poiché tutte le tecniche di analisi o che operano con il DNA necessitano prima che questo si denaturi.
Per monitorare lo stato di denaturazione di una proteina si può utilizzare una proprietà degli acidi nucleici definita effetto IPOCROMICO per cui le basi azotate degli acidi nucleici sono in grado di assorbire una certa quantità di luce UV
Le basi azotate del DNA a filamento singolo (denaturato) assorbo di più la luce UV in quanto queste non sono impegnate a svolgere legami ad idrogeno
Si può quindi seguendo la quantità di luce assorbita, in relazione alla temperatura monitorare lo stato di denaturazione del DNA
Si definisce come Tm di denaturazione il valore medio di temperatura tra quando i filamenti sono ancora legati e quando la proteina è completamente denaturata.
Questo varia tra le diverse sequenze di DNA infatti, gli accoppiamenti guanina-citosina sono uniti da più legami ad idrogeno rispetto alla coppia citosina- adenina e quindi necessitano di maggior calore per essere staccate.
Le sequenze quindi con una maggiore percentuale di coppie guanina-citosina avranno valori di Tm maggiori
Come zucchero il DNA utilizza il DEOSSIRIBOSIO: infatti il gruppo OH sul carbonio 2' viene sostituito da un idrogeno perché questo ha la tendenza a reagire autonomamente (stesso gruppo che interviene nella DNA polimerasi) e questo non va bene per una struttura conservativa
Il DNA (diversamente dal RNA) non utilizza come base azotata l'URACILE ma la TIMINA.
Questo perché il gruppo amminico della CITOSINA ha la tendenza a deamminare le basi trasformandosi praticamente in URACILE.
Questo sarebbe un problema se il DNA utilizzasse regolarmente l'uracile perché la DNA polimerasi anzichè legare la citosina trasformata alla guanina, scambiandola con uracile la legherebbe all'adenina comportando una MUTAZIONE, che è molto male per una struttura conservativa.
Sostituendo invece l'uracile con la timina, quando la citosina diventa uracile questo viene riconosciuto come errore e eliminato.
L'RNA può utilizzare il ribosio con l'OH sul C2' a differenza del DNA perché non avendo funzione conservativa la reattività non ne è un problema.
L'RNA ha mantenuto l'uracile poiché non essendo conservativo non creano grandi problemi eventuali mutazioni.
Anche qui quando ci sono sequenze palindrome autocomplementari quest'ultime si appaiano su loro stesse formando strutture riconosciute dalle proteine
- anse
- gemme
- forcine
- croci
mRNA (messagero): funge da "copia di stampo" del codice genetico contenuto nel DNA per la sintesi delle proteine.
tRNA (tranfer): è l'RNa che funge da punto di contatto tra l'mRNA e gli amminoacidi e che direttamente traduce il messaggio delle basi azotate in proteina.
Altri RNA hanno la funzione di regolare l'espressione genica
Funzione catalitica: una sorta di enzimi primordiali (poco usati)
Il processo di formazione di questa copia di stampo avviene grazie alla RNA-POLIMERASI: questa svolge una funzione e catalizza una reazione identica a quella della DNA polimerasi, tuttavia questa NON necessita di PRIMER, e utilizza NTP e non dNTP
Il processo non necessita di primer perchè meno importante se si fanno mutazioni
Ad ogni diversa sequenza di 3 basi azotate del filamento di mRNA corrisponde un CODONE, per ogni codone vi è uno specifico anticodone diverso localizzato su una zona del tRNA.
A sua volta per ognuno di queste molecole di tRNA vi è uno specifico amminoacido corrispondente, in forma attivata, che si lega alllo stelo di aggancio sul tRNA
L'amminoacido si lega al transfer tramite legame esterico e per far avvenire questo legame è necessario un enzima specifico per ogni tRNA
rRNA: ha una funzione strutturale in quanto costituisce insieme alle proteine il ribosoma
COFATTORI ENZIMATICI:
NADH
FADH2
ACETIL-COENZIMA A
Cofattore fondamentale nelle reazioni di ossidoreduttasi in quanto è un ottimo donatore di idruri
Dinucleotide in cui i due ribosi sono uniti da un legame diesterico tramite due gruppi fosfato (legati tra loro da un legame anidridico) e in cui sempre ai due ribosi sono legati due basi azotate. su una un'adenina e sull'altro un nicotinammide
Il centro reattivo è caratterizzato dal solo anello piridinico del nicotin-ammide, tutto il resto della struttura è utile affinchè il NADH sia riconosciuto dall'enzima come coenzima
Dagli enzimi il NADH è talmente utilizzato che esiste un vero e proprio dominio proteico ricorrente atto al legame con questo cofattore
Anche questo è un cofattore utile come donatore di idruri nelle reazioni redox anche se spesso viene proprio incorporato come gruppo prostetico negli enzimi
Risulta necessario creare un'altra moleocla con la stessa fuinzione perchè varia il POTENZIALE OSSIDORIDUTTIVO di cui necessitano le diverse reazioni
Anche questo è un dinucleotide: uno dei due è sempre un ribosio con un'adenina ma il secondo è una RIBOFLAVANINA (vitamina B2, sostanza essenziale). Lo zucchero che costituisce il nucleotide è quindi non uno ciclico ma un tetrosio.
L'acetil coenzima A invece è una molecola complessa cofattore di reazione di transferasi del gruppo acetil
Difatti questo viene usato dagli enzimi come molecola da cui prelevare il gruppo acetil che è attaccato al coenzima A tramite legame tioestere
Essendo inoltre molto esoergonica la reazione di idrolisi dell'acetil coenzima A questo fa anche in modo che le reazioni possano spontaneamente avvenire, alternandone la termodinamica
Si può quindi dire che l'acetil-coenzima A funge da attivatore dei substrati prima che questi subiscano l'azione enzimatica.
SEGNALATORI CHIMICI: nucleotidi ciclici
Sono nucleotidi in cui il legame fosfodiestere si crea tra due diversi ossigeni dello stesso pentosio rendendoli CICLICI
Questi nucleotidi non sono molto stabili e questo si inserisce perfettamente nella loro funzione di segnalazione chimica poichè questa è un'azione transitoria
FUNZIONE ENERGETICA: nucleotidi trifosfati
Tramite l'aggiunta di due gruppi fosfati legati tra loro i nucleotidi monofosfati divengono nucleotidi trifosfati.
I due gruppi fosfati vengono legati tra loro stessi con un legame FOSFO-ANIDRIDICO che è un legame a energia elevatissima
I sistemi biologici hanno iniziato ad coordinare l'idrolisi di queste molecole (estremamente esoergoniche) con meccanismi di reazione endoergonici di cui però i sistemi biologici hanno bisogno per influenzarne la termodinamica e far avvenire la reazione.