Nucleotidi e acidi nucleici

NUCLEOTIDI E ACIDI NUCLEICI

I nucleotiti sono composti ricchi di energia che guidano i processi metabolici in tutte le cellule. Essi servono anche come segnali chimici per alcuni sistemi cellulari che rispondono a ormoni e come componenti strutturali di un certo numero di cofattori enzimatici e intermedi metabolici. Gli acidi nucleici, l'acido deossiribonucleico, DNA, e l'acido ribonucleico, RNA, sono depositari molecolari dell'informazione genetica. I nucleotiti contengono tre composti caratteristici: una base azotata, un pentosio e un gruppo fosforico. Le basi azotate sono derivati di due composti, la piramidina e la purina. Le basi e i pentosi presenti nei nucleotiti sono composti eterociclici.

Se la molecola è priva del gruppo fosforico, viene detta nucleoide. Sia DNA che RNA contengono le basi puriniche adenina e guanina e la base piramidinica citosina.

La sola differenza riguarda la seconda base piramidinica che è la timida nel DNA e l'uracile nell'RNA. Negli acidi nucleici sono presenti due tipi di pentosio. Le unità deossiribonucleotidiche ricorrenti del DNA contengono 2'-deossiribosio, mentre le unità ribonucleotidiche dell'RNA contengono D- ribosio. Entrambi i tipi di pentosi sono sempre nella loro forma ciclica furanosidica. I nucleotiti del DNA e dell'RNA sono uniti tra loro in successione mediante ponti covalenti tra gruppi fosforici:il gruppo ossidrilico 5' di un'unità nucleotidica si lega all'ossidrile 3' dell'unità successiva, formando un legame fosfodiestere.

Lo scheletro covalente degli acidi nucleici è quindi costituito da un'alternanza di gruppi fosforici e residui di pentosio, mentre le basi caratteristiche di questi composti possono essere considerate come gruppi laterali uniti allo scheletro ad intervalli regolari. I gruppi fosforici dello scheletro polare sono completamente ionizzati e carichi negativamente a pH 7, il DNA è quindi un acido. Un acido nucleico con polimeri contenenti sui 50 nucleotidi sono chiamati oligonucleoide, gli acidi nucleici più lunghi vengono detti polinucleotidi.

I gruppi funzionali più importanti delle basi puriniche e piramidiniche sonagli atomi di azoto degli anelli, i gruppi carbonilici e i gruppi amminici esociclici. I legami formati dai gruppi carbonilici e dai gruppi amminici sono un sistema di interazione tra le basi. I legami idrogeno tra le basi consentono una associazione complementare tra due catene di acido nucleico. Questi tipi di coppie di basi sono predominanti nel DNA e nell'RNA a doppia elica e permettono la duplicazione dell'informazione genetica mediante la sintesi di catene di acidi nucleici complementari alle catene esistenti. Il DNA è sostituito da due catene elicoidali avvolte intorno allo stesso asse per formare una doppia elica destrorsa rigida. Lo scheletro covalente idrofilo, composto dall'alternanza di deossiribosio e da gruppi fosforici carichi negativamente, è all'esterno della doppia elica, in contatto con l'ambiente circostante. Le basi azotate sono impilate all'interno della doppia elica con le loro strutture planari ad anello poste in posizione praticamente perpendicolari al lungo asse longitudinale della molecola.

Nella cellula i nucleotidi trasportano energia chimica. I nucleotidi possono avere 1,2 o 3 gruppi fosforici legati covalentemente al gruppo ossidrilico 5' del ribosio. Essi vengono detti rispettivamente nucleosidi mono-, di- e trifosfato. A partire dal ribosio, i tre gruppi fosforici sono indicati con le lettere greche α,β e γ. I nucleosidi trifosfato sono usati nella cellula come fonte di energia per guidare un gran numero di reazioni biochimiche. Tra questi l'ATP è quello maggiormente utilizzato. I nucleosidi trifosfato sono anche precursori attivati per la sintesi del DNA e dell'RNA. L'idrolisi dell'ATP e degli altri nucleotidi trifosfato è una reazione che rilascia energia, proprio per le proprietà chimiche della struttura del gruppo trifosforico. Un certo numero di cofattori enzimatici contengono nella loro struttura l'adenosina. In nessuno l'adenina partecipa direttamente ma la rimozione determina una riduzione della loro attività biologica.

Il metabolismo, la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo, contiene serie di reazioni catalizzate da enzimi che costituiscono le vie metaboliche. Nella via metabolica, una molecola di precursore viene convertita in un prodotto, attraverso una serie di intermedi metabolici.

Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo, in cui le molecole organiche delle sostanze nutrienti vengono convertite in prodotti finali più semplici. Le vie catabolitiche rilasciano energia libera, parte della quale viene conservata mediante la formazione di ATP e la riduzione di trasportatori di elettroni (NADH e NADPH).

Nell'anabolismo, chiamato anche biosintesi, precursori semplici vengono uniti tra loro per costruire molecole complesse più grandi, come i lipidi, i polisaccaridi, le proteine e gli acidi nucleici. Le reazioni anaboliche hanno bisogno di un rifornimento di energia, in genere sotto forma dell'energia libera di idrolisi dell'ATP e del potere riducente del NADH e del NADPH. Le vie metaboliche sono regolate a tre livelli: la regolazione degli enzimi allosterici, che variano la loro attività in risposta a modulatori stimolatori o inibitori; il controllo metabolico viene effettuato negli organismi superiori dagli ormoni anche se i loro effetti avvengono in tempi più lunghi dei mediatori allosterici; infine la regolazione della concentrazione dell'enzima che catalizza.

Le cellule non convertono il glucosio in CO in una singola reazione, ma piuttosto in un serie di reazioni, alcune delle quali sono delle ossidazioni. La variazione di energia libera di queste tappe ossidative è circa dello stesso ordine di quella richiesta per la sintesi di ATP da ADP e Pi. Gli elettroni rimossi in queste reazioni di ossidazione vengono trasferiti a coenzimi specializzati per il trasporto di elettroni, come il NAD e il FAD. I nucleotidi NAD , NADP , FMN e FAD sono cofattori solubili in acqua che possono andare incontro a ossidazione e riduzione reversibile in molte reazioni di trasferimento di elettroni del metabolismo. La loro riduzione nei processi catabolici consente di conservare l'energia libera rilasciata dall'ossidazione dei substrati. I nucleotidi NAD e NADP si spostano rapidamente da un enzima all'altro, mentre i nucleotidi flavinici FMN e FAD sono legati saldamente agli enzimi, chiamati flavoproteine, in cui agiscono da gruppi prostetici. Il NADH e NADPH agiscono come trasportatori di elettroni solubili.

Quando una molecola di substrato va incontro a ossidazione (deidrogenazione), perdendo due atomi di idrogeno, la forma ossidata del coenzima, NAD  o NADP , accetta uno ione idruro e si trasforma nella forma ridotta, NADH o NADPH. Il secondo H rimosso dal substrato viene rilasciato nel solvente acquoso.

Il nome generale di questo tipo di enzimi è ossidoreduttasi o deidrogenasi. Le flavoproteine sono enzimi che catalizzano reazioni di ossido-riduzione usando cofattori sia di flavin mononucleoide che flavin adenin dinucleoide.le forme ridotte di questi cofattori sono abbreviate come FADH e FMNH .