Acidi nucleici: struttura, funzione, tipi ed esempi

Acidi nucleici rappresentano una delle quattro principali categorie di biomolecole, che sono le sostanze che compongono le cellule. Gli altri sono proteine, carboidrati e lipidi (o grassi).

Acidi nucleici, che includono DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico), differiscono dalle altre tre biomolecole in quanto non possono essere metabolizzate per fornire energia all'organismo genitore.

(Ecco perché non vedi "acido nucleico" sulle etichette delle informazioni nutrizionali.)

La funzione del DNA e dell'RNA è quella di immagazzinare informazioni genetiche. Una copia completa del tuo DNA può essere trovata nel nucleo di quasi tutte le cellule del tuo corpo, creando questa aggregazione di DNA cromosomi in questo contesto, un po' come il disco rigido di un computer portatile.

In questo schema, una lunghezza di RNA del tipo chiamato RNA messaggero contiene le istruzioni codificate per un solo prodotto proteico (cioè contiene un singolo gene) ed è quindi più simile a una "chiavetta" contenente un singolo file importante.

DNA e RNA sono strettamente correlati. La singola sostituzione di un atomo di idrogeno (–H) nel DNA con un gruppo ossidrile (–OH) attaccato al l'atomo di carbonio corrispondente nell'RNA rappresenta l'intera differenza chimica e strutturale tra i due acidi nucleici.

Come vedrai, però, come spesso accade in chimica, quella che sembra una piccola differenza a livello atomico ha ovvie e profonde conseguenze pratiche.

Gli acidi nucleici sono costituiti da nucleotidi, sostanze che a loro volta sono costituite da tre gruppi chimici distinti: a zucchero pentoso, uno a tre gruppi fosfato e un base azotata.

Lo zucchero pentoso nell'RNA è il ribosio, mentre quello nel DNA è il desossiribosio. Inoltre, negli acidi nucleici, i nucleotidi hanno solo un gruppo fosfato. Un esempio di un noto nucleotide che vanta più gruppi fosfato è ATPo adenosina trifosfato. ADP (adenosina difosfato) partecipa a molti degli stessi processi dell'ATP.

Le singole molecole di DNA possono essere straordinariamente lungo e può estendersi per la lunghezza di un intero cromosoma. Le molecole di RNA sono di dimensioni molto più limitate rispetto alle molecole di DNA, ma si qualificano comunque come macromolecole.

ribosio (lo zucchero dell'RNA) ha un anello di cinque atomi che include quattro dei cinque atomi di carbonio nello zucchero. Tre degli altri sono occupati da gruppi ossidrile (–OH), uno da un atomo di idrogeno e uno da un gruppo idrossimetilico (–CH2OH).

L'unica differenza in desossiribosio (lo zucchero del DNA) è che uno dei tre gruppi ossidrile (quello in posizione 2-carbonio) è scomparso ed è sostituito da un atomo di idrogeno.

Inoltre, mentre sia il DNA che l'RNA hanno nucleotidi con inclusa una delle quattro possibili basi azotate, questi variano leggermente tra i due acidi nucleici. Il DNA contiene adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina. mentre l'RNA ha A, C e G but uracile (U) al posto della timina.

La maggior parte delle differenze funzionali tra DNA e RNA riguardano i loro ruoli nettamente diversi nelle cellule. Il DNA è il luogo in cui viene memorizzato il codice genetico per la vita, non solo la riproduzione ma anche le attività della vita quotidiana.

L'RNA, o almeno l'mRNA, è responsabile di raccogliere le stesse informazioni e portarle ai ribosomi al di fuori del nucleo dove si costruiscono le proteine ​​che permettono lo svolgimento di quelle suddette metaboliche attività.

La sequenza di basi di un acido nucleico è dove vengono trasportati i suoi messaggi specifici e l'azoto si può quindi dire che le basi siano in ultima analisi responsabili delle differenze negli animali della stessa specie – che è, diverse manifestazioni dello stesso tratto (ad es. colore degli occhi, modello di peli del corpo).

Due delle basi negli acidi nucleici (A e G) sono purine, mentre due (C e T nel DNA; C e U nell'RNA) sono pirimidine. Le molecole di purina contengono due anelli fusi, mentre le pirimidine ne hanno solo uno e sono generalmente più piccole. Come imparerai presto, la molecola del DNA è a doppio filamento a causa del legame tra nucleotidi in filamenti adiacenti.

Una base purinica può legarsi solo con una base pirimidinica, perché due purine occuperebbero troppo spazio tra i filamenti e due pirimidine troppo poco, con una combinazione purina-pirimidina giusta dimensione.

Ma le cose sono in realtà più controllate di così: negli acidi nucleici, UNlegami solo aT (otu nell'RNA), mentre C si lega solo a G.

La descrizione completa della molecola di DNA come a elica a doppio filamento nel 1953 da James Watson e Francis Crick alla fine valsero al duo un Premio Nobel, sebbene il lavoro di diffrazione dei raggi X di Rosalind Franklin negli anni che hanno portato a questo risultato è stata determinante per il successo della coppia ed è spesso sottovalutata in libri di storia.

In natura, Il DNA esiste come un'elica perché questa è la forma energeticamente più favorevole per il particolare insieme di molecole che contiene.

Le catene laterali, le basi e le altre porzioni della molecola del DNA sperimentano la giusta miscela di attrazioni elettrochimiche ed elettrochimiche repulsioni in modo che la molecola sia più "confortevole" sotto forma di due spirali, leggermente sfalsate l'una dall'altra, come a spirale intrecciate scale.

I filamenti di DNA sono costituiti da gruppi fosfato alternati e residui di zucchero, con le basi azotate attaccate a una parte diversa della porzione di zucchero. Un filamento di DNA o RNA si allunga grazie ai legami idrogeno formati tra il gruppo fosfato di un nucleotide e il residuo zuccherino del successivo.

In particolare, è attaccato il fosfato al carbonio numero 5 (spesso scritto 5') del nucleotide in entrata al posto del gruppo ossidrile sul carbonio numero 3 (o 3') del polinucleotide in crescita (piccolo nucleo acido). Questo è noto come a legame fosfodiestere.

Nel frattempo, tutti i nucleotidi con basi A sono allineati con nucleotidi con basi T nel DNA e nucleotidi con basi U nell'RNA; C si accoppia in modo univoco con G in entrambi.

Si dice che i due filamenti di una molecola di DNA siano complementare gli uni agli altri, perché la sequenza di basi di uno può essere determinata utilizzando la sequenza di basi dell'altro grazie al semplice schema di accoppiamento delle basi che le molecole di acido nucleico osservano.

L'RNA, come notato, è straordinariamente simile al DNA a livello chimico, con una sola base azotata su quattro differenti e un singolo atomo di ossigeno "extra" nello zucchero dell'RNA. Ovviamente queste differenze apparentemente banali sono sufficienti a garantire un comportamento sostanzialmente diverso tra le biomolecole.

In particolare, l'RNA è singolo filamento. Cioè, non vedrai il termine "filamento complementare" usato nel contesto di questo acido nucleico. Diverse porzioni dello stesso filamento di RNA, tuttavia, possono interagire tra loro, il che significa che la forma dell'RNA varia in realtà più della forma del DNA (invariabilmente una doppia elica). Di conseguenza, esistono numerosi tipi diversi di RNA.

• mRNA, o RNA messaggero, utilizza l'accoppiamento di basi complementare per trasportare il messaggio che il DNA gli fornisce durante la trascrizione ai ribosomi, dove quel messaggio viene tradotto nella sintesi proteica. La trascrizione è descritta in dettaglio di seguito.
• rRNA, o RNA ribosomiale, costituisce una parte considerevole della massa dei ribosomi, le strutture all'interno delle cellule responsabili della sintesi proteica. Il resto della massa dei ribosomi è costituito da proteine.
• tRNA, o RNA di trasferimento, svolge un ruolo fondamentale nella traduzione trasportando gli amminoacidi destinati alla catena polipeptidica in crescita nel punto in cui sono assemblate le proteine. Ci sono 20 amminoacidi in natura, ognuno con il proprio tRNA.
  

Immagina di essere presentato con un filamento di acido nucleico con la sequenza di basi AAATCGGCATTA. Sulla base di queste sole informazioni, dovresti essere in grado di concludere rapidamente due cose.

Uno, che questo è DNA, non RNA, come rivelato dalla presenza di timina (T). La seconda cosa che puoi dire è che il filamento complementare di questa molecola di DNA ha la sequenza di basi TTTAGCCGTAAT.

Puoi anche essere sicuro del filamento di mRNA che risulterebbe da questo filamento di DNA sottoposto a trascrizione dell'RNA. Avrebbe lo stesso sequenza di basi come la filamento di DNA complementare, con eventuali casi di timina (T) sostituiti da uracile (U).

Questo perché la replicazione del DNA e la trascrizione dell'RNA funzionano in modo simile in quanto il filamento formato dal filamento stampo è non un duplicato di quel filo, ma il suo complemento o l'equivalente nell'RNA.

Affinché una molecola di DNA possa fare una copia di se stessa, i due filamenti della doppia elica devono separarsi in prossimità della copiatura. Questo perché ogni filamento viene copiato (replicato) separatamente e perché gli enzimi e le altre molecole che partecipano a replicazione del DNA hanno bisogno di spazio per interagire, cosa che una doppia elica non fornisce. Quindi i due filamenti si separano fisicamente e si dice che il DNA sia denaturato.

Ogni filamento separato di DNA crea un nuovo filamento complementare a se stesso e rimane legato ad esso. Quindi, in un certo senso, nulla è diverso in ogni nuova molecola a doppio filamento dalla sua madre. Chimicamente, hanno il stessa composizione molecolare. Ma uno dei filamenti in ciascuna doppia elica è nuovo di zecca mentre l'altro è rimasto dalla replica stessa.

Quando la replicazione del DNA avviene simultaneamente lungo filamenti complementari separati, la sintesi dei nuovi filamenti avviene effettivamente in direzioni opposte. Da un lato, il nuovo filamento cresce semplicemente nella direzione in cui il DNA viene "decompresso" mentre viene denaturato.

Dall'altra parte, invece, vengono sintetizzati piccoli frammenti di nuovo DNA lontano dalla direzione di separazione dei filamenti. Questi sono chiamati frammenti di Okazaki e vengono uniti tra loro da enzimi dopo aver raggiunto una certa lunghezza. Questi due nuovi filamenti di DNA sono antiparallelo l'uno all'altro.

trascrizione dell'RNA è simile alla replicazione del DNA in quanto è necessario il disaccoppiamento dei filamenti di DNA per iniziare. L'mRNA viene prodotto lungo lo stampo del DNA mediante l'aggiunta sequenziale di nucleotidi di RNA da parte dell'enzima RNA polimerasi.

Questa trascrizione iniziale di RNA creata dal DNA crea ciò che chiamiamo pre-mRNA. Questo filamento di pre-mRNA contiene entrambi introni ed esoni. Gli introni e gli esoni sono sezioni all'interno del DNA/RNA che codificano o meno per parti del prodotto genico.

introni sono sezioni non codificanti (chiamate anche "interfering sezioni") mentre esoni sono sezioni di codifica (chiamate anche "exsezioni pressate").

Prima che questo filamento di mRNA lasci il nucleo per essere tradotto in una proteina, gli enzimi all'interno del nucleo asportano, ovvero tagliano, gli introni poiché non codificano per nulla in quel particolare gene. Gli enzimi quindi collegano le restanti sequenze di introni per darti il ​​filamento finale di mRNA.

Un filamento di mRNA di solito include esattamente la sequenza di basi necessaria per assemblare una proteina unica a valle nel traduzione processo, il che significa che una molecola di mRNA in genere trasporta l'informazione per una gene. Un gene è una sequenza di DNA che codifica per un particolare prodotto proteico.

Una volta completata la trascrizione, il filamento di mRNA viene esportato fuori dal nucleo attraverso i pori dell'involucro nucleare. (Le molecole di RNA sono troppo grandi per diffondersi semplicemente attraverso la membrana nucleare, così come l'acqua e altre piccole molecole). Quindi "attracco" con ribosomi nel citoplasma o all'interno di alcuni organelli, e sintesi proteica è avviato.

Gli acidi nucleici non possono essere metabolizzati come combustibile, ma possono essere creati da molecole molto piccole o scomposti dalla loro forma completa in parti molto piccole. I nucleotidi sono sintetizzati attraverso reazioni anaboliche, spesso da nucleosidi, che sono nucleotidi meno qualsiasi gruppo fosfato (cioè un nucleoside è uno zucchero ribosio più una base azotata).

Anche DNA e RNA possono essere degradati: da nucleotidi a nucleosidi, poi a basi azotate ed eventualmente ad acido urico.

La degradazione degli acidi nucleici è importante per important salute generale. Ad esempio, l'incapacità di scomporre le purine è legata alla gotta, una malattia dolorosa che colpisce alcune articolazioni grazie ai depositi di cristalli di urato in quei luoghi.