Acidi Nucleici

Generalità

Gli acidi nucleici sono le grandi molecole biologiche DNA e RNA, la cui presenza e il buon funzionamento, all'interno delle cellule viventi, sono fondamentali per la sopravvivenza di quest'ultime.
Un generico acido nucleico deriva dall'unione, in catene lineari, di un numero elevato di nucleotidi.

Figura: molecola di DNA.

I nucleotidi sono le molecole di piccole dimensioni, alla cui costituzione partecipano tre elementi: un gruppo fosfato, una base azotata e uno zucchero a 5 atomi di carbonio.

Gli acidi nucleici sono vitali per la sopravvivenza di un organismo, in quanto cooperano alla sintesi delle proteine, molecole essenziali per la corretta realizzazione dei meccanismi cellulari.
DNA e RNA differiscono tra di loro sotto alcuni aspetti.
Per esempio, il DNA presenta due catene di nucleotidi antiparallele e ha, come zucchero a 5 atomi di carbonio, il desossiribosio. L'RNA, invece, presenta di solito una catena singola di nucleotidi e possiede, come zucchero a 5 atomi di carbonio, il ribosio.

Cosa sono gli acidi nucleici?

Gli acidi nucleici sono le macromolecole biologiche DNA e RNA, la cui presenza, all'interno delle cellule degli esseri viventi, è fondamentale per la sopravvivenza e il corretto sviluppo di quest'ultimi.
Secondo un'altra definizione, gli acidi nucleici sono i biopolimeri risultanti dall'unione, in lunghe catene lineari, di un elevato numero di nucleotidi.
Un biopolimero, o polimero naturale, è un grande composto biologico costituito da unità molecolari tutte uguali, che prendono il nome di monomeri.

ACIDI NUCLEICI: CHI NE È IN POSSESSO?

Gli acidi nucleici risiedono non solo all'interno delle cellule degli organismi eucarioti e procarioti, ma anche in forme di vita acellulari, come i virus, e in organuli cellulari, quali i mitocondri e i cloroplasti.

Struttura generale

Sulle base delle definizioni precedenti, i nucleotidi sono le unità molecolari che compongono gli acidi nucleici DNA e RNA.
Pertanto, rappresenteranno l'argomento principale di questo capitolo, dedicato alla struttura degli acidi nucleici.

STRUTTURA DI UN GENERICO NUCLEOTIDE

Un generico nucleotide è un composto di natura organica, frutto dell'unione di tre elementi:

• Un gruppo fosfato, che è un derivato dell'acido fosforico;
• Un pentoso, cioè uno zucchero a 5 atomi di carbonio;
• Una base azotata, che è una molecola eterociclica aromatica.

Il pentoso rappresenta l'elemento centrale dei nucleotidi, in quanto a lui si legano il gruppo fosfato e la base azotata.

Figura: Elementi che costituiscono un generico nucleotide di un acido nucleico. Come si può notare, allo zucchero si legano il gruppo fosfato e la base azotata.

Il legame chimico che tiene uniti il pentoso e il gruppo fosfato è un legame fosfodiesterico, mentre il legame chimico che unisce il pentoso e la base azotata è un legame N-glicosidico.

COME PARTECIPA IL PENTOSO AI VARI LEGAMI CON GLI ALTRI ELEMENTI?

Premessa: i chimici hanno pensato di numerare i carboni che costituiscono le molecole organiche in maniera tale da semplificarne lo studio e la descrizione. Ecco, quindi, che i 5 carboni di un pentoso diventano: carbonio 1, carbonio 2, carbonio 3, carbonio 4 e carbonio 5.

Il criterio di assegnazione dei numeri è alquanto complesso, di conseguenza riteniamo opportuno tralasciarne la spiegazione.
Dei 5 carboni che formano il pentoso dei nucleotidi, quelli coinvolti nei legami con la base azotata e il gruppo fosfato sono, rispettivamente, il carbonio 1 e il carbonio 5.

• Carbonio 1 del pentoso → legame N-glicosidico → base azotata
• Carbonio 5 del pentoso → legame fosfodiesterico → gruppo fosfato

CHE TIPO DI LEGAME CHIMICO UNISCE I NUCLEOTIDI DEGLI ACIDI NUCLEICI?

Figura: Struttura di un pentoso, numerazione dei suoi carboni costituenti e legami con base azotata e gruppo fosfato.

Nel comporre gli acidi nucleici, i nucleotidi si organizzano in lunghe catene lineari, meglio note con il termine di filamenti.
Ciascun nucleotide formante questi lunghi filamenti si lega al nucleotide successivo, per mezzo di un legame fosfodiesterico tra il carbonio 3 del suo pentoso e il gruppo fosfato del nucleotide immediatamente successivo.

LE ESTREMITÀ

I filamenti di nucleotidi (o filamenti polinucleotidici), che costituiscono gli acidi nucleici, presentano due estremità, conosciutecome estremità 5' (si legge “estremità cinque primo”) ed estremità 3' (si legge “estremità tre primo”).  Per convenzione, biologi e genetisti hanno stabilito che l'estremità 5' rappresenta il capo di un filamento formante un acido nucleico, mentre l'estremità 3' ne rappresenta la coda.
Dal punto di vista chimico, l'estremità 5' degli acidi nucleici coincide con il gruppo fosfato del primo nucleotide della catena, mentre l'estremità 3' degli acidi nucleici coincide con il gruppo ossidrilico (OH) posto sul carbonio 3 dell'ultimo nucleotide.
È in base a questa organizzazione che, nei libri di genetica e biologica molecolare, i filamenti di nucleotidi di un acido nucleico sono così descritti: P-5'→3'-OH.

* Nota Bene: la lettera P indica l'atomo di fosforo del gruppo fosfato.

Funzione generale

Gli acidi nucleici contengono, trasportano, decifrano ed esprimono in proteine l'informazione genetica.
Costituite da aminoacidi, le proteine sono macromolecole biologiche, che giocano un ruolo fondamentale nel regolare i meccanismi cellulari di un organismo vivente.
L'informazione genetica dipende dalla sequenza di nucleotidi, che costituiscono i filamenti degli acidi nucleici.

Cenni di storia

Il merito della scoperta degli acidi nucleici, avvenuta nel 1869, spetta al medico e biologo svizzero Friedrich Miescher.
Miescher fece i suoi ritrovamenti, mentre stava studiando il nucleo cellulare dei leucociti, con l'intenzione di capirne meglio la composizione interna.
Gli esperimenti di Miescher rappresentarono una svolta nel campo della biologia molecolare e delle genetica, in quanto diedero avvio a una serie di studi che portarono all'individuazione della struttura del DNA (Watson e Crick, nel 1953) e dell'RNA, alla conoscenza dei meccanismi di ereditarietà genetica e all'individuazione dei precisi processi di sintesi proteica.

ORIGINE DEL NOME

Gli acidi nucleici hanno questo nome, perché Miescher li individuò all'interno del nucleo dei leucociti (nucleo – nucleici) e scoperse che contenevano il gruppo fosfato, un derivato dell'acido fosforico (derivato dell'acido fosforico – acidi).

DNA

Tra gli acidi nucleici conosciuti, il DNA è il più famoso, in quanto rappresenta il magazzino delle informazioni genetiche (o geni) che servono a dirigere lo sviluppo e l'accrescimento delle cellule di un organismo vivente.
La sigla DNA significa acido desossiribonucleico o acido deossiribonucleico.

DOPPIA ELICA

Nel 1953, per spiegare la struttura dell'acido nucleico DNA, i biologi James Watson e Francis Crick proposero il modello – rivelatosi poi corretto – della cosiddetta “doppia elica”.
In base al modello della “doppia elica”, il DNA è una grande molecola, risultante dall'unione di due lunghi filamenti di nucleotidi antiparalleli e avvolti a spirale l'uno nell'altro.
Il termine “antiparalleli” indica che i due filamenti hanno orientamento opposto, ossia: il capo e la coda di un filamento interagiscono, rispettivamente, con la coda e il capo dell'altro filamento.

QUAL È IL PENTOSO DEL DNA?

Il pentoso che costituisce i nucleotidi dell'acido nucleico DNA è il desossiribosio.
Questo zucchero a 5 atomi di carbonio deve il proprio nome alla mancanza, sul carbonio 2, di atomi di ossigeno. Del resto, deossiribosio vuol dire “privo di ossigeno”.

Figura: il desossiribosio.

Per la presenza del desossiribosio, i nucleotidi dell'acido nucleico DNA prendono il nome di desossiribonucleotidi.

TIPI DI NUCLEOTIDI E BASI AZOTATE

L'acido nucleico DNA presenta 4 tipi diversi di desossiribonucleotidi.
A distinguere le 4 diverse tipologie di desossiribonucleotidi è unicamente la base azotata, legata alla formazione pentoso-gruppo fosfato (che diversamente dalla base azotata non varia mai).
Per ovvie ragioni, quindi, le basi azotate del DNA sono 4, nello specifico: l'adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) e la timina (T).
L'adenina e la guanina appartengono alla classe delle purine, composti eterociclici aromatici a doppio anello.
La citosina e la timina, invece, rientrano nella categoria delle pirimidine, composti eterociclici aromatici ad anello singolo.
Con il modello della “doppia elica”, Watson e Crick spiegarono anche qual è l'organizzazione delle basi azotate all'interno del DNA:

• Ciascuna base azotata di un filamento si unisce, mediante legami a idrogeno, a una base azotata presente sul filamento antiparallelo, formando di fatto una coppia, un appaiamento, di basi.
• L'appaiamento tra le basi azotate dei due filamenti è altamente specifico. Infatti, l'adenina si unisce soltanto alla timina, mentre la citosina si lega soltanto alla guanina.
  Questa importante scoperta indusse biologi molecolari e genetisti a coniare i termini di “complementarietà tra basi azotate” e “appaiamenti complementari tra basi azotate”, per indicare l'univocità di legame dell'adenina con la timina e della citosina con la guanina. .

DOVE RISIEDE ALL'INTERNO DELLE CELLULE VIVENTI?

Negli organismi eucarioti (animali, piante, funghi e protisti), l'acido nucleico DNA risiede all'interno del nucleo di tutte le cellule aventi questa struttura cellulare.

Negli organismi procarioti (batteri e archeobatteri), invece, l'acido nucleico DNA risiede nel citoplasma, poiché le cellule procariote mancano del nucleo.

RNA

Tra i due acidi nucleici esistenti in natura, l'RNA rappresenta la macromolecola biologica che traduce i nucleotidi del DNA negli aminoacidi costituenti le proteine (processo di sintesi proteica).
Di fatto, l'acido nucleico RNA è equiparabile a un dizionario dell'informazione genetica, riportata sull'acido nucleico DNA.
La sigla RNA vuol dire acido ribonucleico.

DIFFERENZE CHE LO DISTINGUONO DAL DNA

L'acido nucleico RNA presenta diverse differenze, rispetto al DNA:

• L'RNA è una molecola biologica più piccola del DNA, formata solitamente da unico filamento di nucleotidi.
• Il pentoso che costituisce i nucleotidi dell'acido ribonucleico è il ribosio. Diversamente dal desossiribosio, il ribosio presenta un atomo di ossigeno sul carbonio 2.
  È per la presenza dello zucchero ribosio che biologi e chimici hanno assegnato, all'RNA, il nome di acido ribonucleico.
• I nucleotidi dell'acido nucleico RNA sono noti anche con il nome di ribonucleotidi.
• L'acido nucleico RNA condivide con il DNA soltanto 3 basi azotate su 4. Al posto della timina, infatti, presenta la base azotata uracile.
• L'RNA può risiedere in vari compartimenti della cellula, dal nucleo al citoplasma.

TIPI DI RNA

Figura: il ribosio.

All'interno delle cellule viventi, l'acido nucleico RNA esiste in quattro forme principali: l'RNA di trasporto (o RNA transfer o tRNA), l'RNA messaggero (o RNA messenger o mRNA), l'RNA ribosomiale (o ribosomal RNA o rRNA) e il piccolo RNA nucleare (o small nuclear RNA o snRNA).
Sebbene ricoprano ruoli specifici diversi, le quattro sopraccitate forme di RNA cooperano per un obiettivo comune: la sintesi delle proteine, a partire dalle sequenze di nucleotidi presenti nel DNA.

Modelli artificiali

Negli ultimi decenni, i biologi molecolari hanno sintetizzato, in laboratorio, diversi acidi nucleici, identificati con l'aggettivo “artificiali”.
Tra gli acidi nucleici artificiali meritano una citazione particolare: il TNA, il PNA, l'LNA e il GNA.