Che cos’è un nucleotide?

L’acido desossiribonucleico, affettuosamente noto come DNA, è una molecola a forma di doppia elica, che è responsabile della conservazione delle informazioni genetiche nelle cellule di tutti gli organismi viventi. La maggior parte delle persone lo sa o dovrebbe saperlo. Ma di cosa è fatto esattamente il DNA?

Fonte dell’Immagine: Wikimedia Commons

Figura 1: La doppia elica del DNA

il DNA, e altri acidi nucleici come RNA, sono costituiti da nucleotidi. I nucleotidi sono gli elementi costitutivi del DNA e dell’RNA. La struttura di DNA può essere visualizzata o pensata come una scala. Se continuiamo con questa analogia, ogni “gradino o gradino” di questa scala è costituito da una serie di nucleotidi, in un ordine molto specifico e controllato. Ogni nucleotide, a sua volta, è costituito da una base azotata, uno zucchero pentoso e un fosfato. InFigure 2, la base azotata è racchiusa nel quadrato rosso a destra, mentre il fosfato è racchiuso nel quadrato blu a sinistra. Il resto della molecola forma lo zucchero pentoso. Questa particolare molecola è l’adenina; ne scopriremo di più in seguito.

Fonte immagine: Wikimedia Commons

Figura 2: L’assemblaggio chimico delle tre parti del nucleotide, il fosfato (scatola blu), la base azotata (scatola rossa) e lo zucchero pentoso. Questo particolare adenina nucleotide è

L’assemblea di nucleotidi (1) li differenzia da nucleosidi, che non contengono un gruppo fosfato (in blu); (2) permette il nucleotide di connettersi ad altri nucleotidi quando la base azotata forma un legame idrogeno con un altro nucleotide della base azotata; nonché (3) permette il fosfato per formare un legame fosfodiestere con un altro nucleotide dell’zucchero pentoso. Ciò si traduce in una complessa “stringa o scala” a doppio filamento, come si vede in figura1.Questa è la base della forma del DNA.

La base azotata

La parola “nucleotide” fu coniata per la prima volta da P. A. Levene, che osservò che il DNA conteneva quattro blocchi di costruzione simili, in quantità approssimativamente uguali. Questi elementi costitutivi sono ciò che ora conosciamo come le basi azotate presenti nel DNA e nell’RNA.

Una base azotata è una molecola contenente azoto, con le proprietà chimiche di una base a causa di una coppia di elettroni sull’atomo di azoto. Queste basi azotate sono Adenina (A), citosina (C) e Guanina (G) che si trovano sia nell’RNA che nel DNA e quindi Timina (T) che si trova solo nel DNA e Uracile (U), che prende il posto della timina nell’RNA.

Le basi azotate possono essere ulteriormente classificate come pirimidine o purine. Citosina, uracile e timina sono tutte pirimidine. Cioè, la loro struttura molecolare comprende una base azotata sotto forma di un anello singolo a sei membri. Guanina e adenina, d’altra parte, sono purine. Questi contengono una base azotata sotto forma di un doppio anello a nove membri. In breve, le pirimidine hanno un solo anello mentre le purine ne hanno due (figura 3).

Ora che si ottiene l’idea generale di purine contro pirimidine parliamo biochimica. Una purina è un composto organico aromatico eterociclico che comprende un anello di pirimidina che si unisce ad un anello di imidazolo. La prossima domanda logica, ovviamente, diventa “che cos’è allora una pirimidina, biochimicamente parlando”? Bene, le pirimidine sono una classe di composti azotati che hanno un solo anello eterociclico.

Sorgente immagine: Wikimedia Commons

Figura 3: Struttura chimica delle purine (A, G) e delle pirimidine (C, T/U)

Le basi azotate formano coppie di basi l’una con l’altra nel DNA: l’adenina si accoppia sempre con la timina; la guanina è sempre legata alla citosina. Se stavi prestando attenzione, noterai che questo significa che una pirimidina è sempre legata a una purina. Il legame formato è un legame idrogeno ed è responsabile dei pioli formati nella “scala” del DNA.Questa architettura è molto importante per la perfetta costruzione della molecola di DNA. Altrimenti, ci sarebbero dossi e fessure sulla molecola. Questo non lo farebbe affatto perché l’imballaggio molto attento, lo svolgimento e l’avvolgimento del DNA sarebbero un pasticcio con alcuni più difficili da mantenere rispetto ad altri.

Questo accoppiamento è, quindi, cruciale per la funzione genetica ed è la base per la replicazione del DNA e l’espressione genica. L’ordine in cui appaiono le coppie di basi determina il funzionamento della tua fisiologia. Nella sintesi proteica, ad esempio, il codice viene letto in triplicati dove tre basi codificano per un particolare amminoacido. Le delezioni e le inserzioni di nucleotidi in questa situazione possono portare a uno spostamento completo del frame che interrompe la sintesi della proteina in questione. Le sostituzioni possono anche essere problematiche anche se meno, in quanto possono cambiare l’identità di un amminoacido nel codice proteico.

Il gruppo fosfato

Il gruppo fosfato (PO4) è ciò che differenzia un nucleotide da un nucleoside. Questa aggiunta cambia il nucleoside da una base ad un acido. Questi gruppi fosfatici sono importanti, in quanto formano legami fosfodiesterici con gli zuccheri pentosi per creare i lati della “scala”del DNA. Questo è fondamentale, poiché i legami idrogeno che si uniscono alle basi azotate non sono molto forti. Questi lati della scala sono idrofili (attratti dall’acqua), consentendo alla molecola di DNA di legarsi con l’acqua.

Cosa sono i difosfati nucleosidici e i trifosfati?

Sai che un nucleotide è differenziato da un nucleoside da un gruppo fosfato. Di conseguenza, un nucleotide può anche essere un monofosfato nucleosidico (figura 4). Se più fosfati si legano al nucleotide (nucleoside monofosfato) può diventare un difosfato nucleosidico (se due fosfati si legano) o un trifosfato nucleosidico (se tre fosfati si legano), come l’adenosina trifosfato (ATP). L’ATP è un componente cruciale della respirazione e della fotosintesi, tra gli altri processi.

Fonte immagine: Wikimedia Commons

Figura 4: La struttura molecolare del nucleoside mono -, di-e trifosfato

Un polinucleotide è una catena di oltre 20 nucleotidi uniti da un legame fosfodiestere.

Lo zucchero pentoso

Lo zucchero pentoso è un monosaccaride a 5 atomi di carbonio con formula (CH2O)5. Questi formano due gruppi: aldopentosi e ketopentosi. Gli zuccheri pentosi trovati nei nucleotidi sono aldopentosi. Desossiribosio e ribosio sono due di questi zuccheri.

Questi zuccheri differiscono nel DNA e nell’RNA. Lo zucchero nel DNA è acido desossiribonucleico, che contiene desossiribosio. Lo zucchero nell’RNA è l’acido ribonucleico, che contiene ribosio. La differenza strutturale tra questi zuccheri è che l’acido ribonucleico contiene un gruppo idrossilico (- OH), mentre l’acido desossiribonucleico contiene solo un atomo di idrogeno al posto di questo gruppo idrossilico. I nucleotidi che contengono acido desossiribonucleico sono noti come desossiribonucleotidi. Quelli contenenti acido ribonucleico sono noti come ribonucleotidi. Pertanto, la molecola di zucchero determina se un nucleotide fa parte di una molecola di DNA o di una molecola di RNA. Di seguito è riportato un elenco dei nomi dati agli zuccheri presenti nell’RNA e nel DNA.

Putting it All Together

To recap, we have covered what a nucleotide is, what the three parts of a nucleotide are, we have covered the specifics of nitrogenous bases, pentose sugars, and phosphates, and we have discussed how i nucleotidi differiscono nel DNA e nell’RNA.

Il fosfato è collegato allo zucchero pentoso; lo zucchero pentoso è collegato alla coppia di basi azotate (A, C, G o T), che nel DNA è collegata alla sua coppia di basi partner. Qualcosa del genere:

Fonte immagine: Wikimedia Commons

Figura 5: Legame nucleotidico nella molecola del DNA con legami idrogeno e fosfato.

La struttura chimica del fosfato, dello zucchero pentoso e delle basi azotate di adenina, timina, citosina e guanina sono mostrate sopra (figura 5).

Un filamento di DNA si forma quando le basi azotate sono unite da legami idrogeno e i fosfati di un gruppo sono uniti agli zuccheri pentosi del gruppo successivo con un legame fosfodiestere (figura 5).

La forma a doppia elica è il risultato dei legami idrogeno tra le basi azotate, che formano i “pioli” della scala mentre il fosfato e lo zucchero pentoso (formando legami fosfodiesterici) formano le parti verticali della scala.

Per concludere, i nucleotidi sono importanti in quanto formano gli elementi costitutivi degli acidi nucleici, come il DNA e l’RNA. I nucleotidi sono costituiti da 3 parti. Il primo è una base azotata distinta, che è adenina, citosina, guanina o timina. Nell’RNA, la timina viene sostituita dall’uracile. Queste basi azotate sono purine o pirimidine. Le coppie di basi si formano quando l’adenina forma un legame idrogeno con la timina, o la citosina forma un legame idrogeno con la guanina. La seconda parte di un nucleotide è il fosfato, che differenzia la molecola nucleotidica da una molecola nucleosidica. Questo fosfato è importante nella formazione di legami fosfodiesterici, che collegano diversi nucleotidi in modo lineare. La terza parte di un nucleotide è lo zucchero pentoso (5 carbonio). Gli zuccheri pentosi presenti nei nucleotidi sono aldopentosi: ribosio nell’RNA e desossiribosio nel DNA. Questi zuccheri determinano se il nucleotide farà parte di un DNA o di una molecola di RNA e fanno parte dei legami fosfodiesterici che collegano diversi nucleotidi. La combinazione di legami idrogeno tra basi azotate e legami fosfodiesterici tra fosfati e zuccheri è ciò che dà al DNA la sua forma a doppia elica.

Mettiamo tutto in pratica. Prova questa domanda di pratica di biologia cellulare e molecolare:

Cerchi più pratica di biologia cellulare e molecolare?

Scopri i nostri altri articoli sulla biologia cellulare e molecolare.

Puoi anche trovare migliaia di domande di pratica su Albert.io. Albert.io consente di personalizzare la vostra esperienza di apprendimento al bersaglio pratica in cui è necessario il maggior aiuto. Ti daremo domande pratiche impegnative per aiutarti a raggiungere la padronanza della biologia cellulare e molecolare.

Inizia a praticare qui.

Sei un insegnante o un amministratore interessato a migliorare i risultati degli studenti di biologia cellulare e molecolare?

Scopri di più sulle nostre licenze scolastiche qui.