Caratteristiche, funzioni, struttura degli acidi nucleici

IL acidi nucleici Sono grandi biomolecole formate da unità o monomeri chiamati nucleotidi. Sono responsabili della conservazione e della trasmissione di informazioni genetiche. Partecipano anche a ciascuno dei passaggi della sintesi proteica.

Strutturalmente, ogni nucleotide è formato da un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque carbonio e una base di azoto eterociclica (A, T, C, G e U). Un pH fisiologico, gli acidi nucleici sono caricati negativamente, sono solubili in acqua, formano soluzioni viscose e sono abbastanza stabili.

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Esistono due tipi principali di acidi nucleici: DNA e RNA. La composizione di entrambi gli acidi nucleici è simile: in entrambi troviamo una serie di nucleotidi uniti dai legami di fosfodié. Tuttavia, nel DNA troviamo Timina (T) e nell'RNA Uracil (U).

Il DNA è più lungo ed è in una doppia conformazione dell'elica e l'RNA è formato da un singolo filo. Queste molecole sono presenti in tutti gli organismi viventi, dai virus ai grandi mammiferi.

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Prospettiva storica

Scoperta di acidi nucleici

La scoperta di acidi nucleici risale al 1869 quando Friedrich Miescher identificò la cromatina. Nei suoi esperimenti, Miescher fece l'estrazione di un materiale di coerenza gelatinosa dal nucleo e scoprì che questa sostanza era ricca di fosforo.

Inizialmente, il materiale misterioso è stato designato come "nucleina". Gli esperimenti successivi sulla nucleina hanno concluso che questo non è solo ricco di fosforo, ma anche di carboidrati e basi organiche.

Phoebus Levene ha scoperto che la nucleina era un polimero lineare. Sebbene le proprietà chimiche di base degli acidi nucleici fossero noti, non si ritiene che vi fosse una relazione tra questo polimero e il materiale ereditario degli esseri viventi.

Scoperta della funzione DNA

A metà -40, era poco convincente per i biologi dal momento in cui la molecola incaricata di trasmettere e immagazzinare le informazioni di un organismo risiedeva in una molecola con una conformazione semplice come il DNA - composta da quattro monomeri (nucleotidi) simile a vicenda.

Le proteine, i polimeri composti da 20 tipi di aminoacidi, sembravano per il tempo più candidati plausibili per essere la molecola di eredità.

Questa visione cambiò nel 1928, quando il ricercatore Fred Griffith sospettava che la nucleina fosse coinvolta nell'eredità. Infine, nel 1944 Oswald Avery riuscì a concludere con solide prove che il DNA conteneva informazioni genetiche.

Pertanto, il DNA è passato dall'essere una molecola noiosa e monotona, costituita da soli quattro blocchi strutturali, a una molecola che consente la conservazione di un numero immenso di informazioni e che può mantenerla e trasmetterla in modo preciso, esatto ed efficace.

Discovery della struttura del DNA

L'anno 1953 fu rivoluzionario per le scienze biologiche, da quando i ricercatori James Watson e Francis Crick chiamarono la struttura corretta del DNA.

Sulla base dell'analisi dei modelli di riflessione a raggi X, i risultati di Watson e Crick hanno suggerito che la molecola è una doppia elica, in cui i gruppi di fosfato formano uno scheletro esterno e le basi vengono proiettate.

L'analogia di una scala viene generalmente utilizzata, in cui i corrimano corrispondono ai fosfati e ai passi alle basi.

Discovery di sequenziamento del DNA

Negli ultimi due decenni si sono verificati straordinari progressi in biologia, guidati dal sequenziamento del DNA. Grazie ai progressi tecnologici, oggi abbiamo nella tecnologia necessaria per conoscere con una precisione abbastanza elevata la sequenza di DNA - per "sequenza" intendiamo l'ordine delle basi.

Inizialmente, chiarire la sequenza è stato un evento costoso e ha richiesto molto tempo per completare. Attualmente non è un problema conoscere la sequenza di interi genomi.

Caratteristiche

Carico e solubilità

Come suggerisce il nome, la natura degli acidi nucleici è acida e sono molecole con elevata solubilità dell'acqua; cioè lo sono idrofilo. A pH fisiologico, la molecola viene caricata negativamente dalla presenza di gruppi di fosfati.

Di conseguenza, le proteine ​​con cui è associato il DNA sono ricche di residui di aminoacidi con carichi positivi. La corretta associazione del DNA è fondamentale per l'imballaggio nelle cellule.

Sostanza vischiosa

La viscosità dell'acido nucleico dipende dal fatto che si tratti di una banda doppia o semplice. Il DNA a doppia banda forma soluzioni ad alta viscosità, poiché la sua struttura è rigida e opposta alla deformazione. Inoltre, sono molecole estremamente lunghe in relazione al suo diametro.

Al contrario ci sono anche soluzioni di acido nucleico nella banda semplice, che sono caratterizzate da una ridotta viscosità.

Stabilità

Un'altra caratteristica degli acidi nucleici è la loro stabilità. Naturalmente, una molecola con un lavoro così indispensabile come lo stoccaggio dell'eredità deve essere molto stabile.

Comparativamente, il DNA è più stabile dell'RNA, poiché manca di un gruppo idrossilico.

È possibile che questa caratteristica chimica abbia avuto un ruolo importante nell'evoluzione degli acidi nucleici e nella scelta del DNA come materiale ereditario.

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Secondo le ipotetiche transizioni raccolte da alcuni autori, l'RNA è stato sostituito dal DNA nel futuro evolutivo. Tuttavia, oggi ci sono alcuni virus che usano l'RNA come materiale genetico.

Assorbimento della luce ultravioletta

L'assorbimento di acidi nucleici dipende anche sia in doppia banda che in una banda semplice. Il picco di assorbimento degli anelli nella sua struttura è di 260 nanometri (NM).

Man mano che il filo DNA a doppia banda inizia a separarsi, l'assorbimento della lunghezza d'onda menzionata aumenta, poiché gli anelli che compongono i nucleotidi sono esposti.

Questo parametro è importante per i biologi molecolari in laboratorio, poiché misurando l'assorbimento possono stimare la quantità di DNA che esiste nei loro campioni. In generale, la conoscenza delle proprietà del DNA contribuisce alla sua purificazione e trattamento nei laboratori.

Classificazione (tipi)

I due acidi nucleici principali sono il DNA e l'RNA. Entrambi sono componenti di tutti gli esseri viventi. Il DNA è l'acronimo dell'acido deossiribonucleico e dell'RNA per l'acido ribonucleico. Entrambe le molecole hanno un ruolo fondamentale nell'eredità e nella sintesi proteica.

Il DNA è la molecola che memorizza tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo di un organismo ed è raggruppata in unità funzionali chiamate geni. L'RNA è responsabile di prendere queste informazioni e, insieme ai complessi proteici, traduce le informazioni di una catena nucleotidica in una catena di aminoacidi.

Le catene di RNA possono avere lunghe o poche migliaia di nucleotidi, mentre le catene di DNA superano i milioni di nucleotidi e possono essere visualizzate alla luce di un microscopio ottico se sono tinte di coloranti.

Le differenze strutturali di base tra le due molecole le descriranno in dettaglio nella sezione seguente.

RNA

Nelle cellule, esistono diversi tipi di RNA che insieme funzionano per orchestrare la sintesi proteica. I tre tipi principali di RNA sono il messaggero, il ribosomiale e il trasferimento.

RNA Messenger

L'RNA Messenger è responsabile della copia del messaggio che esiste nel DNA e del trasporto nella sintesi proteica che si svolge in strutture chiamate ribosomi.

RNA ribosomiale o ribosomiale

L'RNA ribosomiale fa parte di questo macchinario essenziale: ribosoma. Del ribosoma, il 60% è formato da ribosoma RNA e il resto è occupato da quasi 80 diverse proteine.

Trasferisci l'RNA

Il trasferimento dell'RNA è una sorta di adattatore molecolare che trasporta aminoacidi (i blocchi strutturali delle proteine) in ribosoma, da incorporare.

RNA piccolo

Oltre a questi tre tipi di base, esiste un'ulteriore serie di RNA che sono stati scoperti di recente e che hanno un ruolo essenziale nella sintesi proteica e nell'espressione dei geni.

Piccoli RNA nucleari, abbreviati come snRNA partecipano come entità catalitiche nel Giunzione (processo costituito dall'eliminazione degli introni) dell'RNA messaggero.

Gli RNA nucleolari piccoli o snorno sono coinvolti nell'elaborazione delle trascrizioni pre-adarn ribosomiale che faranno parte della subunità ribosoma. Ciò si verifica nel nucleolo.

Gli RNA brevi di interferenza e microarn sono piccole sequenze di RNA il cui ruolo principale è la modulazione dell'espressione genica. I microarn sono codificati dal DNA, ma non continua la loro traduzione proteica. Sono monocatenari e possono essere integrati a un messaggio RNA, inibendo la loro traduzione proteica.

Struttura chimica e composizione

Gli acidi nucleici sono lunghe catene di polimeri formati da unità monomeriche chiamate nucleotidi. Ognuno è composto da:

Un gruppo fosfato

Esistono quattro tipi di nucleotidi e questi hanno una struttura comune: un gruppo fosfato legato a un pentosio attraverso un legame fosfodi. La presenza di fosfati dà alla molecola un carattere acido. Il gruppo fosfato è dissociata nel pH della cellula, quindi viene caricato negativamente.

Questo carico negativo consente l'associazione di acidi nucleici con molecole il cui carico è positivo.

Cellule interne e anche nei fluidi extracellulari possiamo trovare piccole quantità di nucleosidi. Queste sono molecole formate da tutti i componenti di un nucleotide, ma che mancano di gruppi di fosfato.

Secondo la nomenclatura, un nucleotide è un nucleoside che ha uno, due o tre gruppi di fosfato esterificati nell'idrossile situato in carbonio 5 '. I nucleosidi con tre fosfati sono coinvolti nella sintesi di acidi nucleici, sebbene svolgano anche altre funzioni nella cellula.

Un pentosio

Un pentosio è un carboidrato monomerico formato cinque atomi di carbonio. Nel DNA il pentosio è un desossiribosio, che è caratterizzato dalla perdita di un gruppo idrossile nel carbonio 2 '. Nell'RNA il pentosio è un ribosio.

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Una base di azoto

La pantosa è a sua volta collegata a una base organica. L'identità del nucleotide è fornita dall'identità della base. Esistono cinque tipi, abbreviati dalla sua iniziale: adenina (a), guanina (g), citosina (c), timina (t) e uracile (u).

È comune che in letteratura scopriamo che usano queste cinque lettere per riferirsi all'intero nucleotide. Tuttavia, a rigor di termini, questi sono solo una parte del nucleotide.

I primi tre, A, G e C, sono comuni sia al DNA che all'RNA. Mentre la T è unica per il DNA e l'uracile è limitato alla molecola di RNA.

Strutturalmente, le basi sono composti chimici eterociclici, i cui anelli sono composti da molecole di carbonio e azoto. A e G sono formati da un paio di anelli fusi e appartengono al gruppo Purinas. Le basi rimanenti appartengono alle pirimidine e la loro struttura è formata da un unico anello.

È comune che in entrambi i tipi di acidi nucleici troviamo una serie di basi modificate, come un ulteriore gruppo metilico.

Quando si verifica questo evento, diciamo che la base è metilata. Nei procarioti, di solito si trovano adenine metilate ed sia nei procarioti che negli eucarioti le citosine possono avere un metodo aggiuntivo.

Com'è la polimerizzazione?

Come accennato, gli acidi nucleici sono catene lunghe formate da monomeri - nucleotidi. Per formare le catene, queste sono collegate in un modo particolare.

Quando i nucleotidi polimerizan, il gruppo idrossilico (-OH) che si trova nel carbonio 3 'dello zucchero di uno dei nucleotidi forma un collegamento di tipo estere con il gruppo fosfato da un'altra molecola di nucleotidi. Durante la formazione di questo collegamento, si verifica l'eliminazione di una molecola d'acqua.

Questo tipo di reazione è chiamato "reazione di condensa" ed è molto simile a ciò che accade quando i collegamenti peptidici delle proteine ​​tra due rifiuti di aminoacidi. I collegamenti tra ogni coppia di nucleotidi sono chiamati Link fosfodister.

Come nei polipeptidi, le catene di acido nucleico hanno due orientamenti chimici alle loro estremità: uno è l'estremità 5 'che contiene un gruppo idrossile libero o un gruppo di fosfato nel carbonio 5' dello zucchero terminale, mentre alla fine 3 'abbiamo trovato un Gruppo idrossile senza carbonio 3 '.

Immagina che ogni blocco di DNA sia un blocco del gioco Lego, con un'estremità che viene inserita e con un buco libero in cui può verificarsi l'inserimento di un altro blocco. L'estremità 5 'con fosfato sarà l'estrema da inserire e il 3' è analogo al foro libero.

Altri nucleotidi

Nella cellula troviamo un altro tipo di nucleotidi con una struttura diversa da quella sopra menzionata. Sebbene questi non faranno parte degli acidi nucleici, giocano documenti biologici molto importanti.

Tra i più rilevanti che abbiamo il mononucléido di Riboflavina, noto come FMN, il coenzima A, il dyucleotide di Adenina e Nicotinamina, tra gli altri.

Struttura dell'RNA

La struttura lineare del polimero di acido nucleico corrisponde al struttura primaria di queste molecole. I polinucleotidi hanno anche la capacità di formare accordi in tre dimensioni stabilizzate da forze non covalenti - simili al ripiegamento che troviamo nelle proteine.

Sebbene la composizione primaria di DNA e RNA sia abbastanza simile (ad eccezione delle differenze sopra menzionate), la formazione della sua struttura è marcatamente diversa. Di solito troviamo gli RNA come una catena a singolo nucleotide, sebbene possa prendere disposizioni diverse.

Gli RNA di trasferimento, ad esempio, sono piccole molecole formate da meno di 100 nucleotidi. La sua tipica struttura secondaria è nella forma di un trifoglio con tre braccia. Cioè, la molecola di RNA trova basi complementari all'interno e può piegarsi su se stessa.

Gli RNA ribosomiali sono molecole più grandi che assumono conformazioni tridimensionali complesse e hanno una struttura secondaria e terziaria.

Struttura del DNA

Doppia elica

A differenza dell'RNA lineare, la disposizione del DNA è costituita da due fili intrecciati. Questa differenza strutturale è fondamentale per svolgere le sue funzioni specifiche. L'RNA non è in grado di formare questo tipo di eliche a causa di un ostacolo sterico imposto dal gruppo OH aggiuntivo che presenta il suo zucchero.

Complementarità di base

Tra le basi c'è complementarità. Cioè, come conseguenza delle sue dimensioni, forma e composizione chimica, le purine devono essere fangose ​​con una pirimidina mediante legami idrogeno. Pertanto, nel DNA naturale scopriamo che A è quasi sempre abbinato a T e G con C, formando ponti idrogeno con i loro compagni.

Le coppie di basi tra G e C sono collegate da tre ponti idrogeno, mentre la coppia A e T è più debole e solo due legami idrogeno li tengono uniti.

I filamenti di DNA possono essere separati (ciò si verifica sia nella cellula che nelle procedure di laboratorio) e il calore necessario dipende dalla quantità di GC che la molecola ha: maggiore è, più energia sarà necessaria per separarla.

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Orientamento del filo

Un'altra caratteristica del DNA è il suo orientamento opposto: mentre uno Strand corre in direzione 5 ' - 3', il suo partner è nella direzione 3' -5 '.

Conformazioni naturali e in laboratorio

La struttura o la conformazione che normalmente abbiamo trovato in natura si chiama DNA B. Questo è caratterizzato da 10.4 nucleotidi per ciascun giro, separati da una distanza di 3,4. Il DNA B si gira a destra.

Questo modello di rotolamento provoca la comparsa di due scanalature, uno maggiore e un minore.

Negli acidi nucleici formati in laboratorio (sintetico) si possono trovare altre conformazioni, che appaiono anche in condizioni molto specifiche. Questi sono DNA A e DNA Z.

La variante A esegue anche la svolta a destra, sebbene sia più corta e un po 'più ampia del naturale. La molecola acquisisce questa forma quando l'umidità diminuisce. Gira ogni 11 coppie di basi.

L'ultima variante è la z, caratterizzata dall'essere stretta e girando a sinistra. È formato da un gruppo di esanucleotidi che sono raggruppati in un duplex di catene antipaalla.

Funzioni

DNA: molecola di eredità

Il DNA è una molecola in grado di archiviare informazioni. La vita, come la conosciamo sul nostro pianeta, dipende dalla capacità di salvare e tradurre tali informazioni.

Per la cellula, il DNA è una sorta di libreria in cui si trovano tutte le istruzioni necessarie per la produzione, lo sviluppo e il mantenimento di un organismo vivente.

Nella molecola di DNA troviamo un'organizzazione di entità funzionali discrete chiamate geni. Alcuni di essi saranno portati alle proteine, mentre altri svolgeranno funzioni normative.

La struttura del DNA che descriviamo nella sezione precedente è la chiave per eseguire le sue funzioni. L'elica deve essere in grado di separare e unirsi facilmente - Proprietà chiave per eventi di replica e trascrizione.

Il DNA si trova nei procarioti in un luogo specifico del suo citoplasma, mentre negli eucarioti si trova all'interno del nucleo.

RNA: una molecola multifunzionale

Carta nella sintesi proteica

L'RNA è un acido nucleico che troviamo in diverse fasi della sintesi proteica e nella regolazione dell'espressione genica.

La sintesi proteica inizia con la trascrizione del messaggio crittografato nel DNA in una molecola di RNA messaggero. Quindi, il messaggero deve eliminare le porzioni che non saranno tradotte, note come introni.

Per la traduzione del messaggio di RNA ai residui di aminoacidi, sono necessari due componenti aggiuntivi: l'RNA ribosomiale che fa parte dei ribosomi e l'RNA di trasferimento, che trasporterà gli aminoacidi e sarà responsabile di inserire il corretto aminoacido nella catena peptidica in allenamento.

In altre parole, ogni tipo principale di RNA ha un ruolo fondamentale in questo processo. Questo passaggio di DNA a un messaggero e questo finalmente alle proteine ​​è ciò che i biologi chiamano "il dogma centrale della biologia".

Tuttavia, poiché la scienza non può essere basata su dogmi, ci sono diversi casi in cui questa premessa non è soddisfatta, come il retrovirus.

Ruolo nella regolamentazione

Il piccolo RNA sopra menzionato partecipa indirettamente nella sintesi, orchestrando la sintesi dell'RNA messaggero e partecipando alla regolazione dell'espressione.

Ad esempio, nella cellula ci sono diversi messaggeri che sono regolati da piccoli RNA, che hanno una sequenza complementare a questo. Se il piccolo RNA si accoppia al messaggio può dividere il messaggero, impedendo così la sua traduzione. Ci sono più processi che sono regolati in questo modo.

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