Caratteristiche degli acidi nucleici

Gli acidi nucleici importanti in natura includono l'acido desossiribonucleico, o DNA, e l'acido ribonucleico, o RNA. Sono chiamati acidi perché sono donatori di protoni (cioè atomi di idrogeno) e quindi portano una carica negativa.

Chimicamente, DNA e RNA sono polimeri, nel senso che sono costituiti da unità ripetitive, spesso un numero molto elevato di esse. Queste unità sono chiamate nucleotidi. Tutti i nucleotidi a loro volta includono tre porzioni chimiche distinte: uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata.

Il DNA differisce dall'RNA in tre modi principali. Uno è che lo zucchero che costituisce la "spina dorsale" strutturale della molecola di acido nucleico è il desossiribosio, mentre nell'RNA è il ribosio. Se hai familiarità con la nomenclatura chimica, riconoscerai che questa è una piccola differenza nello schema strutturale generale; il ribosio ha quattro gruppi ossidrile (-OH), mentre il desossiribosio ne ha tre.

La seconda differenza è che mentre una delle quattro basi azotate presenti nel DNA è la timina, la base corrispondente nell'RNA è l'uracile. Le basi azotate degli acidi nucleici sono ciò che dettano le caratteristiche ultime di questi molecole, perché le porzioni di fosfato e zucchero non variano all'interno o tra le molecole del stesso tipo.

Infine, il DNA è a doppio filamento, ovvero è costituito da due lunghe catene di nucleotidi legate chimicamente da due basi azotate. Il DNA è avvolto in una forma a "doppia elica", come una scala flessibile attorcigliata in direzioni opposte ad entrambe le estremità.

Il desossiribosio è costituito da un anello di cinque atomi, quattro atomi di carbonio e un ossigeno, a forma di pentagono o forse di casa base nel baseball. Poiché il carbonio forma quattro legami e l'ossigeno due, questo lascia liberi otto siti di legame sui quattro atomi di carbonio, due per carbonio, uno sopra e uno sotto l'anello. Tre di questi punti sono occupati da gruppi ossidrile (-OH) e cinque sono rivendicati da atomi di idrogeno.

Questa molecola di zucchero può legarsi a una delle quattro basi azotate: adenina, citosina, guanina e timina. L'adenina (A) e la guanina (G) sono purine, mentre la citosina (C) e la timina (T) sono pirimidine. Le purine sono molecole più grandi delle pirimidine; poiché i due filamenti di qualsiasi molecola di DNA completa sono legati nel mezzo dalle loro basi azotate, questi legami deve formarsi tra una purina e una pirimidina per mantenere approssimativamente la dimensione totale delle due basi attraverso la molecola costante. (Aiuta a fare riferimento a qualsiasi diagramma di acidi nucleici durante la lettura, come quelli nei riferimenti.) Come accade, A si lega esclusivamente a T nel DNA, mentre C si lega esclusivamente a G.

Il desossiribosio legato ad una base azotata è detto a nucleoside. Quando un gruppo fosfato viene aggiunto al desossiribosio in corrispondenza del carbonio a due punti di distanza da dove è fissata la base, si forma un nucleotide completo. Le peculiarità delle rispettive cariche elettrochimiche sui vari atomi nei nucleotidi sono responsabile del DNA a doppio filamento che forma naturalmente una forma elicoidale e dei due filamenti di DNA nella molecola sono chiamati filamenti complementari.

Lo zucchero pentoso nell'RNA è ribosio piuttosto che desossiribosio. Il ribosio è identico al desossiribosio tranne per il fatto che la struttura ad anello è legata a quattro gruppi ossidrile (-OH) e quattro atomi di idrogeno invece di tre e cinque rispettivamente. La porzione ribosio di un nucleotide è legata a un gruppo fosfato e una base azotata, come con il DNA, con alternanza di fosfati e zuccheri che formano la "spina dorsale" dell'RNA. Le basi, come notato sopra, includono A, C e G, ma la seconda pirimidina nell'RNA è l'uracile (U) piuttosto di t.

Mentre il DNA si occupa solo della memorizzazione delle informazioni (un gene è semplicemente un filamento di DNA che codifica per una singola proteina), diversi tipi di RNA assumono funzioni diverse. L'RNA messaggero, o mRNA, è costituito dal DNA quando il DNA normalmente a doppio filamento si divide in due filamenti singoli ai fini della trascrizione. L'mRNA risultante alla fine si fa strada verso le parti delle cellule in cui avviene la produzione di proteine, portando le istruzioni per questo processo fornite dal DNA. Un secondo tipo di RNA, l'RNA di trasferimento (tRNA), partecipa alla produzione delle proteine. Ciò si verifica su organelli cellulari chiamati ribosomi e i ribosomi stessi sono costituiti principalmente da un terzo tipo di RNA chiamato, giustamente, RNA ribosomiale (rRNA).

Le cinque basi azotate - adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) nel DNA e le prime tre più uracile (U) nell'RNA - sono le porzioni di acidi nucleici che sono in ultima analisi responsabili della diversità dei prodotti genici attraverso la vita cose. Le porzioni di zucchero e fosfato sono essenziali in quanto forniscono struttura e impalcatura, ma le basi sono dove vengono generati i codici. Se pensi al tuo computer portatile come un acido nucleico o almeno una serie di nucleotidi, l'hardware (ad es. schermo, microprocessore) è analogo agli zuccheri e ai fosfati, mentre qualsiasi software e app in esecuzione sono come l'azoto basi, perché l'assortimento unico di programmi che hai caricato sul tuo sistema rende efficacemente il tuo computer un pezzo unico "organismo."

Come descritto in precedenza, le basi azotate sono classificate come purine (A e G) o pirimidine (C, T e U). A si accoppia sempre in un filamento di DNA con T e C si accoppia sempre con G. È importante sottolineare che quando un filamento di DNA viene utilizzato come stampo per la sintesi dell'RNA (trascrizione), in ogni punto lungo la molecola di RNA in crescita, il nucleotide di RNA che si crea dal nucleotide di DNA "genitore" include la base che è quella che la base "genitore" si lega sempre per. Questo è esplorato in un'ulteriore sezione.

Le purine sono costituite da un anello di azoto e carbonio a sei membri e da un anello di azoto e carbonio a cinque membri, come un esagono e un pentagono che condividono un lato. La sintesi delle purine comporta la messa a punto chimica di uno zucchero ribosio, seguita dall'aggiunta di aminoacidi (-NH₂) gruppi. Le pirimidine hanno anche un anello azoto e carbonio a sei membri, come le purine, ma mancano dell'anello azoto e carbonio a cinque membri delle purine. Le purine hanno quindi una massa molecolare maggiore rispetto alle pirimidine.

La sintesi di nucleotidi contenenti pirimidine e la sintesi di nucleotidi contenenti purine avvengono nell'ordine opposto in un passaggio cruciale. Nelle pirimidine, la porzione di base viene assemblata per prima e il resto della molecola viene successivamente modificato in un nucleotide. Nelle purine, la parte che alla fine diventa adenina o guanina viene modificata verso la fine della formazione del nucleotide.

La trascrizione è la creazione di un filamento di mRNA da un modello di DNA, che trasporta le stesse istruzioni (cioè il codice genetico) per produrre una particolare proteina come fa il modello. Il processo avviene nel nucleo cellulare, dove si trova il DNA. Quando una molecola di DNA a doppio filamento si separa in filamenti singoli e la trascrizione procede, l'mRNA che viene generato da uno filamento della coppia di DNA "decompresso" è identico al DNA dell'altro filamento di DNA decompresso, tranne per il fatto che l'mRNA contiene U invece di t. (Ancora una volta, è utile fare riferimento a un diagramma; vedere i riferimenti.) L'mRNA, una volta completo, lascia il nucleo attraverso i pori della membrana nucleare. Dopo che l'mRNA lascia il nucleo, si attacca a un ribosoma.

Gli enzimi si attaccano quindi al complesso ribosomiale e assistono nel processo di traduzione. La traduzione è la conversione dell'istruzione dell'mRNA in proteine. Ciò si verifica quando gli amminoacidi, le subunità delle proteine, sono generati da "codoni" di tre nucleotidi sul filamento di mRNA. Il processo coinvolge anche rRNA (poiché la traduzione avviene sui ribsomi) e tRNA (che aiuta ad assemblare gli amminoacidi).

I filamenti di DNA si assemblano in una doppia elica a causa di una confluenza di fattori correlati. Uno di questi sono i legami idrogeno che si formano naturalmente tra le diverse parti della molecola. Quando l'elica si forma, le coppie di legame delle basi azotate sono perpendicolari all'asse della doppia elica nel suo insieme. Ogni giro completo include un totale di circa 10 coppie legate base-base. Quelli che avrebbero potuto essere chiamati i "lati" del DNA quando disposti come una "scala" sono ora chiamati le "catene" della doppia elica. Questi sono costituiti quasi interamente dalle porzioni ribosio e fosfato dei nucleotidi, con le basi all'interno. Si dice che l'elica abbia solchi sia maggiori che minori che determinano la sua forma in definitiva stabile.

Mentre i cromosomi possono essere descritti come filamenti di DNA molto lunghi, questa è una grossolana semplificazione. È vero che un dato cromosoma potrebbe, in teoria, essere svolto per rivelare una singola molecola di DNA ininterrotta, ma questo non indica l'intricato avvolgimento, spooling e clustering che il DNA fa sulla strada per formare a forming cromosoma. Un cromosoma presenta milioni di coppie di basi del DNA e se tutto il DNA fosse allungato senza rompere l'elica, la sua lunghezza si estenderebbe da pochi millimetri a oltre un centimetro. In realtà, il DNA è molto più condensato. Le proteine ​​chiamate istoni si formano da quattro paia di proteine ​​subunità (otto subunità in tutto). Questo ottamero serve come una sorta di bobina affinché la doppia elica del DNA si avvolga due volte, come un filo. Questa struttura, l'ottamero più il DNA avvolto attorno ad esso, è chiamata nucleosoma. Quando un cromosoma viene parzialmente svolto in un filamento chiamato cromatide, questi nucleosomi appaiono al microscopio come perline su un filo. Ma al di sopra del livello dei nucleosomi, si verifica un'ulteriore compressione del materiale genetico, sebbene il meccanismo preciso rimanga sfuggente.

Sono considerati DNA, RNA e proteine biopolimeri perché sono sequenze ripetute di informazioni e amminoacidi che sono associate agli esseri viventi ("bio" significa "vita"). I biologi molecolari oggi riconoscono che il DNA e l'RNA in qualche forma precedono l'emergere della vita su Terra, ma a partire dal 2018, nessuno aveva capito il percorso dai primi biopolimeri alla vita semplice cose. Alcuni hanno teorizzato che l'RNA in qualche forma fosse la fonte originale di tutte queste cose, incluso il DNA. Questa è l'"ipotesi del mondo a RNA". Tuttavia, questo presenta una sorta di scenario di pollo e uova per i biologi, perché apparentemente molecole di RNA sufficientemente grandi non sarebbero potute essere emerse in altro modo se non trascrizione. In ogni caso, gli scienziati stanno attualmente studiando, con crescente entusiasmo, l'RNA come bersaglio per la prima molecola autoreplicante.

I prodotti chimici che imitano i costituenti degli acidi nucleici vengono utilizzati come farmaci oggi, con ulteriori sviluppi in questo settore in corso. Ad esempio, una forma leggermente modificata di uracile, il 5-fluorouracile (5-FU), è stata utilizzata per decenni per trattare il carcinoma del colon. Lo fa imitando una vera base azotata abbastanza da vicino in modo che venga inserita nel DNA appena fabbricato. Questo alla fine porta a una rottura della sintesi proteica.

Gli imitatori dei nucleosidi (che, come ricorderete, sono uno zucchero ribosio più una base azotata) sono stati utilizzati nelle terapie antibatteriche e antivirali. A volte, è la porzione di base del nucleoside che subisce la modifica, e altre volte il farmaco prende di mira la porzione di zucchero.