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Rita Santamaria » 20.Struttura degli acidi nucleici

Struttura e funzioni degli acidi nucleici

Lezione svolta in collaborazione con il Dott. Carlo Irace

Gli acidi nucleici, DNA ed RNA sono lunghi polimeri lineari che contengono, trasportano e decifrano l’informazione genetica.

Gli acidi nucleici sono costituiti da un gran numero di nucleotidi legati l’uno all’altro mediante legami covalenti.

Le molecole di DNA si trovano in forma di doppia elica, mentre le molecole di RNA sono in genere a singolo filamento.

Caratteristica peculiare del DNA è la sua lunghezza. Per contenere l’informazione genetica una molecola di DNA deve necessariamente essere costituita da molti nucleotidi.

Gli acidi nucleici interagiscono con altri tipi di biomolecole dando origine a strutture molecolari spesso estremamente complesse, come ad esempio la cromatina nucleare e i ribosomi.

I nucleotidi, le unità monomeriche degli acidi nucleici

Le unità monomeriche degli acidi nucleici sono i nucleotidi (Figura 1).
Un singolo nucleotide è composto da:
- uno zucchero;
- un gruppo fosforico;
- una base azotata (purina o pirimidina).
La base azotata è legata allo zucchero tramite un legame N-glicosidico.
Negli acidi nucleici i nucleotidi sono uniti l’uno all’altro mediante legami di tipo fosfodiestere.
Il gruppo 3′-OH di un nucleotide forma un legame estere con il gruppo fosforico al 5′ del nucleotide adiacente (Figura 2).
Per convenzione, la sequenza dei nucleotidi è scritta in direzione 5′→ 3′.
Nel DNA (acido deossiribonucleico) lo zucchero è il deossiribosio, un aldopentoso senza la funzione ossidrilica sull’atomo di carbonio in posizione 2′. Le basi presenti nel DNA sono le purine adenina (A) e guanina (G), e le pirimidine citosina (C) e timina (T) (Figura 3).

Figure tratte da: J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino. – D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino).

Fig. 1 Struttura di un nucleotide

Fig. 2 Scheletri covalenti dei polimeri lineari di DNA ed RNA

Struttura dell’RNA

L’acido ribonucleico (RNA), analogamente al DNA, è un lungo polimero lineare formato dalla successione di ribonucleotidi uniti mediante legami fosfodiestere.

La struttura molecolare dell’RNA differisce da quella del DNA per due aspetti:

le unità di zucchero sono costituite da ribosio;
una delle 2 basi azotate pirimidiniche presenti nella molecola è l’uracile (U) anziché la timina (T) (Figura 3).

Nelle cellule eucariotiche, le molecole di RNA sono implicate nei processi di espressione genica e non sono depositarie dell’informazione genetica, come invece si verifica in alcuni tipi di virus ad RNA.

Figura tratta da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 3 Basi puriniche e pirimidiniche presenti negli acidi nucleici

La doppia elica del DNA

La molecola di DNA ha la forma di una doppia elica del diametro di 20 Å.
E’ una struttura elicoidale regolare costituita da 2 filamenti (catene) polinucleotidici complementari (Figure 4, 5).

Le caratteristiche del modello di DNA di Watson e Crick sono:

le 2 catene polinucleotidiche sono avvolte in modo destrorso intorno un asse comune ed hanno direzionalità opposte (antiparallele);
lo scheletro idrofilo zucchero-fosfato si trova all’esterno, mentre le basi azotate sono disposte all’interno originando un nucleo idrofobico;
in questa struttura, l’adenina (A) si appaia con la timina (T) e la guanina (G) con la citosina (C);
le coppie di basi sono quasi perpendicolari all’asse dell’elica;
la struttura elicoidale si ripete ogni 34 Å, corrispondenti a 10 basi per giro dell’elica.

Fig. 4 La doppia elica del DNA secondo Watson e Crick

Fig. 5 Modello tridimensionale del DNA a doppia elica (A) vista assiale, (B) vista radiale

Stabilizzazione della doppia elica di DNA

Nei filamenti complementari di DNA la guanina è sempre appaiata alla citosina e l’adenina alla timina, formando coppie di basi (G-C e A-T) che hanno essenzialmente la stessa forma e ingombro sterico (Figura 6).

Le coppie di basi sono mantenute insieme da specifici legami a ponte di idrogeno, 2 nella coppia A-T e 3 nella coppia G-C, che stabilizzano l’intera struttura grazie ad un effetto di tipo cooperativo.

L’impilamento delle coppie di basi contribuisce alla stabilità della doppia elica.
Le basi azotate idrofobiche si raggruppano all’interno dell’elica, mentre le regioni polari (scheletro di zucchero-fosfato) sono esposte all’acqua.
Le coppie di basi sovrapposte (impilate) possono così interagire tramite interazioni di van der Waals.
Come per i legami a ponte di idrogeno, il numero di atomi che generano contatti di van der Waals è molto grande, e l’effetto globale è pertanto considerevole.

Figura tratte da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 6 Legami a ponte di idrogeno tra le coppie di basi G-C e A-T

La doppia elica di DNA è una struttura dinamica

La doppia elica di DNA è una molecola dinamica e flessibile che può esistere in diverse conformazioni, la cui interconversione è funzione delle diverse forme dell’anello furanosico del deossiribosio.

La doppia elica di Watson e Crick è nota come DNA-B, ed è la forma più comune di DNA all’interno delle cellule.
Quando il grado di idratazione diminuisce, compare una diversa forma nota come DNA-A, una doppia elica sempre destrorsa ma più ampia e corta (Figura 7).

In particolari condizioni, il DNA assume un altro tipo di struttura, nota come DNA-Z, la cui principale caratteristica sta nel fatto di essere un’elica di tipo sinistrorsa.

Le doppie eliche di DNA presentano tutte due scanalature, o solchi, note come scanalatura maggiore e scanalatura minore (Figura 8).
In queste regioni sono esposti gruppi chimici delle basi azotate, non impegnati nei legami idrogeno A-T e G-C, che permettono specifiche interazioni con le proteine.

Figure tratte da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 7 Modelli spaziali di DNA B e DNA A

Fig. 8 Le scanalature o solchi presenti nella doppia elica del DNA

Denaturazione e fusione della doppia elica di DNA

Nei processi di replicazione e trascrizione le due catene della doppia elica devono necessariamente separarsi, almeno localmente.
Questo processo è noto come fusione del DNA ed è possibile grazie all’intervento di specifiche proteine enzimatiche.

In laboratorio la separazione delle due catene può essere ottenuta in determinate condizioni sperimentali che consentano di rompere le interazioni che stabilizzano la doppia elica, come ad esempio il riscaldamento della soluzione di DNA.
Allontanando le condizioni denaturanti, le due catene complementari di DNA si riassociano spontaneamente in un processo di rinaturazione noto come “rianellamento” (“annealing”) (Figura 9).

La facilità con cui le doppie eliche, sia di DNA ma anche di RNA, fondono e si riassociano, è essenziale per le funzioni biologiche degli acidi nucleici.

Fig. 9 Denaturazione del DNA, un processo reversibile

Geni e genoma

I geni di tutti i tipi cellulari e di molti virus sono costituiti da DNA.
Nei geni sono contenute le informazioni per la biosintesi di tutte le proteine espresse da un organismo vivente.
L’insieme dei geni costituisce il genoma.

Il genoma umano contiene approssimativamente 3 miliardi di coppie di nucleotidi, divisi in 23 coppie di cromosomi (22 autosomi più la coppia di cromosomi sessuali X e Y), per un totale di circa 25000 geni.
In forma estesa, il più piccolo cromosoma umano è costituito da circa 30 mm di DNA cromosomico.

Ogni singola cellula umana contiene all’incirca 2 metri complessivi di DNA, che devono essere “sistemati” in nuclei che hanno dimensioni dell’ordine di 5-10 μm.
Si rende pertanto necessario compattare il DNA in una struttura terziaria estremamente complessa nota come cromatina nucleare, in cui gli acidi nucleici interagiscono con specifiche proteine nucleari (Figura 10).

Fig.10 Compattamento delle molecole di DNA: formazione della cromatina nucleare e dei cromosomi

Nucleosomi e cromatina nucleare

La cromatina è un complesso molecolare formato dal DNA eucariotico e da un gruppo di piccole proteine basiche, dette istoni, ricche di residui di arginina e lisina che funzionano da “rocchetti di avvolgimento”.
Le unità ripetitive che si originano sono dette nucleosomi e rappresentano le unità strutturali di base della cromatina nucleare.
Al microscopio elettronico la cromatina appare come una successione di perline di una collana
In Figura 11 sono riportati i diversi livelli di condensazione del DNA:
(1) DNA a doppia elica (2) DNA con istoni (3) Cromatina condensata durante l’interfase (4) Cromatina condensata durante la profase; (5) Cromosoma durante la metafase.
L’avvolgimento intorno ai nucleosomi contribuisce all’impacchettamento del DNA.
Questo processo rappresenta il primo passo verso la formazione dei cromosomi.

Durante le fasi di divisione cellulare, strutture di ordine superiore formate dai nucleosomi permettono di originare i cromosomi e di raggiungere il grado di impacchettamento finale delle molecole di DNA, che ne riduce di un fattore superiore a 104 la dimensione lineare (Figura 12).

Fig. 11 Livelli di condensazione del DNA

Fig. 12 Differenti stati di condensazione delle cromatina nucleare durante le fasi del ciclo cellulare

Geni discontinui: esoni ed introni

Nei batteri, le informazioni per codificare le proteine sono contenute in una serie continua di nucleotidi all’interno dei singoli geni.
La maggioranza dei geni eucariotici sono invece discontinui, essendo costituiti da regioni codificanti (esoni) e non codificanti (introni).

Le regioni introniche, non utili ai fini dell’espressione genica, sono rimosse nel corso della fase di maturazione dei trascritti primari di mRNA mediante il processo dello splicing, che porta alla formazione degli RNA maturi pronti per la fase della traduzione (Figura 13).

Fig. 13 Maturazione degli RNA messaggeri

Flusso dell’informazione genetica

L’espressione genica è la trasformazione dell’informazione contenuta nel DNA in molecole funzionali.

Il flusso dell’informazione genetica procede dal DNA, all’RNA, alle proteine.
La sintesi di RNA, diretta da un DNA stampo, è detta trascrizione, mentre la sintesi di una proteina, diretta da uno stampo di RNA, è detta traduzione (Figura 14).
Le cellule possiedono diversi tipi di RNA, tra cui gli RNA messaggeri (mRNA), gli RNA transfer (tRNA) e l’RNA ribosomale (rRNA).

Tutto l’RNA cellulare è sintetizzato dalle RNA polimerasi, che seguono le istruzioni fornite dallo stampo di DNA.

Il flusso dell’informazione dipende dal codice genetico, che definisce la relazione tra la sequenza di basi dell’mRA e gli amminoacidi delle proteine.
Il codice genetico è essenzialmente lo stesso in tutti gli organismi viventi:
una sequenza di tre basi, detta codone, specifica un determinato amminoacido.

Fig. 14 Dogma centrale della biologia molecolare e flusso dell'informazione genetica

Tipi, strutture e funzioni degli RNA

Nelle cellule eucariotiche sono presenti numerosi tipi di molecole di RNA, tutte implicate nei processi di espressione genica, dagli mRNA, ai tRNA, ai costituenti dei ribosomi (rRNA), a molecole con funzioni regolatorie (miRNA ed siRNA) (Figura 15).

Gli RNA possono essere classificati in RNA stabili ed in RNA a breve emivita (rapidamente degradati dopo aver svolto la loro funzione).

Molti tipi di RNA danno origine a strutture tridimensionali simili a quelle formate dalle proteine.
Le strutture secondarie, terziarie ed eventualmente quaternarie che si osservano negli RNA strutturati dipendono dalla formazione di doppie eliche intra- e/o inter-molecolari di tipo RNA-RNA (eliche A) tra regioni complementari e sono mantenute esclusivamente da legami a ponte di idrogeno (Figura 16).

Figure tratte da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 15 Tipi, strutture e funzioni degli RNA presenti nelle cellule eucariotiche

Fig 16 Interazioni tra basi nella formazione di strutture secondarie e terziarie degli RNA

RNA transfer (tRNA)

I tRNA presentano una struttura primaria (la sequenza di nucleotidi 5′→ 3′), una struttura secondaria (chiamata comunemente struttura “a trifoglio”), ed una struttura terziaria (un ripiegamento 3D a forma di L che permette loro di entrare nei siti P ed A dei ribosomi) (Figura 17).

Il braccio accettore all’estremità 3′-OH, introdotto con la maturazione del trascritto primario, consente di trasportare gli amminoacidi sui ribosomi durante la traduzione.
Gli amminoacil-tRNA si formano attraverso reazioni catalizzate dalle amminoacil-tRNA sintetasi (Figura 18).

Il braccio A, o braccio dell’anticodone, contiene la tripletta che, mediante l’interazione con il codone dell’mRNA, consente di posizionare lo specifico amminoacido nella corretta posizione durante la sintesi proteica (Figura 19).

Figura tratta da:
D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino)

Fig. 17 Struttura secondaria e terziaria del tRNA e reazione di amminoacilazione

Amminoacil-tRNA

Fig. 18 Amminoacil-tRNA formato mediante la reazione di amminoacilazione catalizzata dalle amminoacil-tRNA sintetasi. Tratta da: J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Funzione biologica dei tRNA

Fig. 19 Funzione dei tRNA durante la biosintesi delle proteine

RNA ribosomiali (rRNA)

Attraverso la formazione di complesse strutture terziarie e quaternarie, gli RNA ribosomiali (rRNA) si strutturano formando gli aggregati che costituiscono, insieme a varie proteine, le unità ribosomiali (Figura 20).

Alcuni tipi di rRNA, ripiegandosi come le proteine, raggiungono livelli di organizzazione tridimensionale a cui sono associate funzioni biologiche anche di tipo catalitico nell’ambito dei processi di sintesi proteica.

Figura tratta da:
D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino).