Acidi nucleici(dal lat. nucleo - nucleo) - acidi, scoperti per la prima volta nello studio dei nuclei dei leucociti; furono scoperti nel 1868 da I.F. Miescher, biochimico svizzero. significato biologico acidi nucleici - stoccaggio e trasferimento informazioni ereditarie; sono necessari per sostenere la vita e per riprodurla.
Acidi nucleici
Il nucleotide del DNA e il nucleotide dell'RNA hanno somiglianze e differenze.
La struttura del nucleotide del DNA
La struttura del nucleotide dell'RNA
La molecola del DNA è un filamento a doppia elica.
Una molecola di RNA è un singolo filamento di nucleotidi, simile nella struttura a un singolo filamento di DNA. Solo al posto del desossiribosio, l'RNA include un altro carboidrato - ribosio (da cui il nome) e invece della timina - uracile.
Due filamenti di DNA sono collegati tra loro da legami a idrogeno. In questo caso, si osserva uno schema importante: di fronte alla base azotata adenina A in una catena c'è la base azotata timina T nell'altra catena e la citosina C si trova sempre di fronte alla guanina G. Queste coppie di basi sono chiamate coppie complementari.
In questo modo, principio di complementarietà(dal lat. complementum - addizione) è che ogni base azotata inclusa nel nucleotide corrisponde ad un'altra base azotata. Esistono coppie di basi rigorosamente definite (A - T, G - C), queste coppie sono specifiche. Esistono tre legami idrogeno tra guanina e citosina e tra adenina e timina si verificano due legami idrogeno nel nucleotide del DNA e nell'RNA si verificano due legami idrogeno tra adenina e uracile.
Legami idrogeno tra basi azotate di nucleotidi
G ≡ C G ≡ C
Di conseguenza, in qualsiasi organismo, il numero di nucleotidi adenilici è uguale al numero di timidile e il numero di nucleotidi guanile è uguale al numero di citidile. A causa di questa proprietà, la sequenza dei nucleotidi in una catena determina la loro sequenza in un'altra. Questa capacità di combinare selettivamente i nucleotidi è chiamata complementarità, e questa proprietà è alla base della formazione di nuove molecole di DNA basate sulla molecola originale (replicazione, cioè raddoppio).
Pertanto, il contenuto quantitativo di basi azotate nel DNA è soggetto a determinate regole:
1) La somma di adenina e guanina è uguale alla somma di citosina e timina A + G = C + T.
2) La somma di adenina e citosina è uguale alla somma di guanina e timina A + C = G + T.
3) La quantità di adenina è uguale alla quantità di timina, la quantità di guanina è uguale alla quantità di citosina A = T; G = C.
Quando le condizioni cambiano, il DNA, come le proteine, può subire una denaturazione, chiamata fusione.
Il DNA ha proprietà uniche: la capacità di auto-raddoppio (replicazione, riduplicazione) e la capacità di autoguarigione (riparazione). replica fornisce riproduzione accurata nelle molecole figlie dell'informazione che è stata registrata nella molecola madre. Ma a volte si verificano errori durante il processo di replica. La capacità di una molecola di DNA di correggere gli errori che si verificano nei suoi circuiti, cioè di ripristinare sequenza corretta si chiama nucleotidi riparazioni.
Le molecole di DNA si trovano principalmente nei nuclei delle cellule e non all'interno in gran numero nei mitocondri e nei plastidi - cloroplasti. Le molecole di DNA sono portatrici di informazioni ereditarie.
Struttura, funzioni e localizzazione nella cellula. Esistono tre tipi di RNA. I nomi sono associati alle funzioni svolte:
Caratteristiche comparative acidi nucleici
Acidi adenosina fosforici - a acido denosintrifosforico (ATP), un acido denosina difosforico (ADP), un acido denosina monofosforico (AMP).
Il citoplasma di ogni cellula, così come i mitocondri, i cloroplasti e i nuclei, contiene adenosina trifosfato (ATP). Fornisce energia per la maggior parte delle reazioni che avvengono nella cellula. Con l'aiuto dell'ATP, la cellula sintetizza nuove molecole di proteine, carboidrati, grassi, svolge il trasporto attivo di sostanze, batte flagelli e ciglia.
L'ATP ha una struttura simile al nucleotide dell'adenina che fa parte dell'RNA, solo che invece di un acido fosforico, l'ATP contiene tre residui di acido fosforico.
La struttura della molecola di ATP:
I legami chimici instabili che collegano le molecole di acido fosforico nell'ATP sono molto ricchi di energia. Quando questi legami si rompono, viene rilasciata energia, che viene utilizzata da ciascuna cellula per garantire i processi vitali:
ATP ADP+P+E
ADP AMP + FA + MI,
dove F è l'acido fosforico H3PO4, E è l'energia rilasciata.
Vengono chiamati legami chimici ricchi di energia nell'ATP tra i residui di acido fosforico legami macroergici. La scissione di una molecola di acido fosforico è accompagnata dal rilascio di energia - 40 kJ.
L'ATP è formato da ADP e fosfato inorganico a causa dell'energia rilasciata durante l'ossidazione materia organica e durante la fotosintesi. Questo processo è chiamato fosforilazione.
In questo caso devono essere consumati almeno 40 kJ / mol di energia, che viene accumulata in legami macroergici. Di conseguenza, il significato principale dei processi di respirazione e fotosintesi è determinato dal fatto che forniscono energia per la sintesi di ATP, con la partecipazione del quale viene eseguita la maggior parte del lavoro nella cellula.
L'ATP viene aggiornato in modo estremamente rapido. Nell'uomo, ad esempio, ogni molecola di ATP viene scomposta e ricostruita 2.400 volte al giorno, in modo che la sua durata media vita meno di 1 min. La sintesi dell'ATP viene effettuata principalmente nei mitocondri e nei cloroplasti (parzialmente nel citoplasma). L'ATP formato qui viene inviato a quelle parti della cellula dove c'è bisogno di energia.
L'ATP svolge un ruolo importante nella bioenergia cellulare: svolge una delle funzioni più importanti: un dispositivo di accumulo di energia, è un accumulatore di energia biologica universale.
Come le proteine, gli acidi nucleici sono biopolimeri e la loro funzione è quella di immagazzinare, implementare e trasferire informazioni genetiche (ereditarie) negli organismi viventi.
Esistono due tipi di acidi nucleici: desossiribonucleico (DNA) e ribonucleico (RNA). I monomeri negli acidi nucleici sono nucleotidi. Ciascuno di essi contiene una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio (desossiribosio nel DNA, ribosio nell'RNA) e un residuo di acido fosforico.
Il DNA contiene quattro tipi di nucleotidi che differiscono per la base azotata nella loro composizione: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). La molecola di RNA ha anche 4 tipi di nucleotidi con una delle basi azotate: adenina, guanina, citosina e uracile (U). Pertanto, DNA e RNA differiscono sia per il contenuto di zucchero nei nucleotidi che in una delle basi azotate (Tabella 1).
Tabella 1
Componenti dei nucleotidi di DNA e RNA
Le molecole di DNA e RNA differiscono in modo significativo nella loro struttura e funzioni.
Una molecola di DNA può includere un numero enorme di nucleotidi - da diverse migliaia a centinaia di milioni (le molecole di DNA davvero giganti possono essere "viste" con l'aiuto di microscopio elettronico). Strutturalmente, è una doppia elica di catene polinucleotidiche(Fig. 1) collegati da legami idrogeno tra le basi azotate dei nucleotidi. Per questo motivo, le catene polinucleotidiche sono tenute saldamente l'una accanto all'altra.
Nello studio di vari DNA (in tipi diversi organismi) è stato riscontrato che l'adenina di una catena può legarsi solo con la timina e la guanina - solo con la citosina dell'altra. Pertanto, l'ordine dei nucleotidi in un filamento corrisponde strettamente all'ordine della loro disposizione nell'altro. Questo fenomeno è stato nominato complementarità(cioè addizioni) e vengono chiamate le catene polinucleotidiche opposte complementare. Questa è la ragione della proprietà unica del DNA tra tutte le sostanze organiche e inorganiche - capacità di riprodursi o raddoppio(Fig. 2). In questo caso, all'inizio, le catene complementari delle molecole di DNA divergono (sotto l'influenza di un enzima speciale, i legami tra i nucleotidi complementari delle due catene vengono distrutti). Quindi, su ciascuna catena, inizia la sintesi di una nuova catena complementare (“mancante”) dovuta ai nucleotidi liberi, che sono sempre presenti in grande quantità nella cellula. Di conseguenza, invece di una molecola di DNA ("genitore"), se ne formano due nuove ("figlie"), identiche tra loro per struttura e composizione, così come alla molecola di DNA originale. Questo processo precede sempre la divisione cellulare e garantisce il trasferimento delle informazioni ereditarie dalla cellula madre alla figlia ea tutte le generazioni successive.
Riso. uno. Doppia elica del DNA. Due catene sono avvolte l'una intorno all'altra. Ogni catena (raffigurata come un nastro) è composta da gruppi alternati di zucchero e fosfato. I legami idrogeno tra le basi azotate (A, T, G e C) tengono insieme le due catene
Riso. 2.Replicazione del DNA. La doppia elica è "sganciata" dalegami a idrogeno deboli che legano complementari basi di due catene. Ciascuna delle vecchie catene funge da matriceper la formazione di uno nuovo: nucleotidi con complementari le basi si allineano contro la vecchia catena e si colleganoinsieme
Le molecole di RNA sono solitamente a filamento singolo (a differenza del DNA) e contengono un numero molto più piccolo di nucleotidi. Esistono tre tipi di RNA (Tabella 2), che differiscono per le dimensioni delle molecole e le funzioni svolte: informativo (mRNA), ribosomiale (rRNA) e di trasporto (tRNA).
Tavolo 2
TretipoRNA
L'RNA messaggero (i-RNA) si trova nel nucleo e nel citoplasma della cellula, ha la catena polinucleotidica più lunga tra gli RNA e svolge la funzione di trasferire le informazioni ereditarie dal nucleo al citoplasma della cellula.
L'RNA di trasferimento (t-RNA) si trova anche nel nucleo e nel citoplasma della cellula, la sua catena ha la struttura più complessa ed è anche la più corta (75 nucleotidi). Il T-RNA fornisce amminoacidi ai ribosomi durante la traduzione - biosintesi proteica.
L'RNA ribosomiale (rRNA) si trova nel nucleolo e nei ribosomi della cellula, ha una catena di media lunghezza. Tutti i tipi di RNA si formano durante la trascrizione dei corrispondenti geni del DNA.
Tutta la vita sul pianeta è costituita da molte cellule che mantengono l'ordine della loro organizzazione grazie alle informazioni genetiche contenute nel nucleo. È immagazzinato, implementato e trasmesso da complessi composti ad alto peso molecolare - acidi nucleici, costituiti da unità monomeriche - nucleotidi. Il ruolo degli acidi nucleici non può essere sopravvalutato. La stabilità della loro struttura determina la normale attività vitale dell'organismo e qualsiasi deviazione nella struttura porta inevitabilmente a un cambiamento nell'organizzazione cellulare, nell'attività dei processi fisiologici e nella vitalità delle cellule nel loro insieme.
Ciascuno o RNA è assemblato da composti monomerici più piccoli - nucleotidi. In altre parole, un nucleotide è un materiale da costruzione per acidi nucleici, coenzimi e molti altri composti biologici che sono essenziali per una cellula nel corso della sua vita.
Le principali proprietà di queste sostanze insostituibili includono:
Archiviazione di informazioni sui tratti ereditati;
. esercitare il controllo sulla crescita e sulla riproduzione;
. partecipazione al metabolismo e molti altri processi fisiologici che scorre nella cella.
Parlando di nucleotidi, non si può non soffermarsi su una questione così importante come la loro struttura e composizione.
Ciascun nucleotide è costituito da:
residuo di zucchero;
. base azotata;
. un gruppo fosfato o un residuo di acido fosforico.
Possiamo dire che un nucleotide è un complesso composto organico. A seconda della composizione delle specie delle basi azotate e del tipo di pentoso nella struttura nucleotidica, gli acidi nucleici sono suddivisi in:
Acido desossiribonucleico, o DNA;
. acido ribonucleico, o RNA.
Negli acidi nucleici, lo zucchero è rappresentato dal pentoso. Questo è uno zucchero a cinque atomi di carbonio, nel DNA si chiama desossiribosio, nell'RNA si chiama ribosio. Ogni molecola di pentoso ha cinque atomi di carbonio, quattro dei quali, insieme a un atomo di ossigeno, formano un anello a cinque membri e il quinto è incluso nel gruppo HO-CH2.
La posizione di ciascun atomo di carbonio in una molecola di pentoso è indicata da un numero arabo con un primo (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Poiché tutti i processi di lettura da una molecola di acido nucleico hanno una direzione rigorosa, la numerazione degli atomi di carbonio e la loro disposizione nell'anello servono come una sorta di indicatore della direzione corretta.
Sul gruppo ossidrile, un residuo di acido fosforico è attaccato al terzo e al quinto atomo di carbonio (3С´ e 5С´). Determina l'affiliazione chimica del DNA e dell'RNA a un gruppo di acidi.
Una base azotata è attaccata al primo atomo di carbonio (1C') nella molecola di zucchero.
I nucleotidi del DNA secondo la base azotata sono rappresentati da quattro tipi:
Adenina (A);
. guanina (G);
. citosina (C);
. timina (T).
I primi due appartengono alla classe delle purine, gli ultimi due sono pirimidine. In termini di peso molecolare, le purine sono sempre più pesanti delle pirimidine.
I nucleotidi di RNA per base azotata sono rappresentati da:
Adenina (A);
. guanina (G);
. citosina (C);
. uracile (U).
L'uracile, come la timina, è una base pirimidinica.
Nella letteratura scientifica, si può spesso trovare un'altra designazione di basi azotate - in lettere latine (A, T, C, G, U).
Soffermiamoci più in dettaglio sulla struttura chimica delle purine e delle pirimidine.
Le pirimidine, ovvero citosina, timina e uracile, nella loro composizione sono rappresentate da due atomi di azoto e quattro atomi di carbonio, che formano un anello a sei membri. Ogni atomo ha il suo numero da 1 a 6.
Le purine (adenina e guanina) sono composte da pirimidina e imidazolo o da due eterocicli. La molecola di base delle purine è rappresentata da quattro atomi di azoto e cinque atomi di carbonio. Ogni atomo è numerato da 1 a 9.
Come risultato della combinazione di una base azotata e un residuo pentoso, si forma un nucleoside. Un nucleotide è un composto di un nucleoside e un gruppo fosfato.
È importante capire la questione di come i nucleotidi siano collegati in una catena polipeptidica e formino una molecola di acido nucleico. Ciò accade a causa dei cosiddetti legami fosfodiestere.
L'interazione di due nucleotidi dà un dinucleotide. La formazione di un nuovo composto avviene per condensazione, quando si verifica un legame fosfodiestere tra il residuo fosfato di un monomero e il gruppo idrossile del pentoso di un altro.
La sintesi di un polinucleotide è la ripetizione ripetuta di questa reazione (diversi milioni di volte). La catena polinucleotidica è costruita attraverso la formazione di legami fosfodiestere tra il terzo e il quinto carbonio degli zuccheri (3C' e 5C').
L'assemblaggio del polinucleotide è un processo complesso che si verifica con la partecipazione dell'enzima DNA polimerasi, che assicura la crescita della catena da una sola estremità (3') con un gruppo ossidrile libero.
Una molecola di DNA, come una proteina, può avere una struttura primaria, secondaria o terziaria.
La sequenza dei nucleotidi nella catena del DNA determina la sua formazione primaria a causa dei legami idrogeno, che si basano sul principio di complementarità. In altre parole, durante la sintesi di un doppio, opera un certo schema: l'adenina di una catena corrisponde alla timina dell'altra, la guanina alla citosina e viceversa. Si formano coppie di adenina e timina o guanina e citosina a causa di due legami idrogeno nel primo e tre nell'ultimo caso. Tale connessione di nucleotidi fornisce un forte legame tra le catene e una distanza uguale tra loro.
Conoscendo la sequenza nucleotidica di un filamento di DNA, in base al principio di complementarità o addizione, puoi completare il secondo.
La struttura terziaria del DNA è formata da complessi legami tridimensionali, che rendono la sua molecola più compatta e in grado di adattarsi a un piccolo volume cellulare. Quindi, ad esempio, la lunghezza del DNA di E. coli è superiore a 1 mm, mentre la lunghezza della cellula è inferiore a 5 micron.
Il numero dei nucleotidi nel DNA, ovvero il loro rapporto quantitativo, obbedisce alla regola di Chergaff (il numero delle basi puriniche è sempre uguale al numero delle basi pirimidiniche). La distanza tra i nucleotidi è un valore costante pari a 0,34 nm, così come il loro peso molecolare.
L'RNA è rappresentato da una catena polinucleotidica formata attraverso il pentoso (in questo caso ribosio) e un residuo di fosfato. È molto più corto del DNA in lunghezza. Ci sono anche differenze nella composizione delle specie delle basi azotate nel nucleotide. Nell'RNA, l'uracile viene utilizzato al posto della base pirimidinica della timina. A seconda delle funzioni svolte nel corpo, l'RNA può essere di tre tipi.
Ribosomiale (rRNA) - di solito contiene da 3000 a 5000 nucleotidi. Come necessario componente strutturale partecipa alla formazione del centro attivo dei ribosomi, sede di uno dei processi più importanti nella biosintesi cellulare - proteica.
. Trasporto (tRNA) - consiste in una media di 75 - 95 nucleotidi, effettua il trasferimento dell'amminoacido desiderato nel sito di sintesi del polipeptide nel ribosoma. Ogni tipo di tRNA (almeno 40) ha la sua sequenza unica di monomeri o nucleotidi.
. Informazioni (mRNA) - la composizione del nucleotide è molto varia. Trasferisce le informazioni genetiche dal DNA ai ribosomi, funge da matrice per la sintesi di una molecola proteica.
I nucleotidi nella cellula svolgono una serie di importanti funzioni:
Sono utilizzati come blocchi strutturali per gli acidi nucleici (nucleotidi della serie delle purine e delle pirimidine);
. partecipa in molti processi metabolici in una gabbia;
. fanno parte dell'ATP - la principale fonte di energia nelle cellule;
. agiscono come vettori di equivalenti riducenti nelle cellule (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
. svolgere la funzione di bioregolatori;
. possono essere considerati i secondi messaggeri della sintesi regolare extracellulare (ad esempio cAMP o cGMP).
Un nucleotide è un'unità monomerica che forma composti più complessi: acidi nucleici, senza i quali il trasferimento di informazioni genetiche, la sua conservazione e riproduzione è impossibile. I nucleotidi liberi sono i componenti principali coinvolti nella segnalazione e nei processi energetici che supportano il normale funzionamento delle cellule e del corpo nel suo insieme.
Diamo un'occhiata più da vicino ai nucleotidi. È noto che i nucleotidi sono chiamati adenina, guanina, timina, citosina e uracile - basi azotate, sono mostrati nella figura seguente.
I nucleotidi sono monomeri di acidi nucleici. acidi nucleici in cellule eucariotiche sono nel nucleo. Tutti gli organismi viventi li hanno (quelli che non hanno un nucleo hanno ancora acidi nucleici - sono al centro della cellula nei batteri e formano nucleoidi). I monomeri, dai quali vengono poi costruiti gli acidi nucleici, sono costituiti da una base azotata, un residuo zuccherino (desossiribosio o ribosio) e fosfato. Gli zuccheri insieme a una base azotata sono chiamati nucleosidi (adenosina, guanosina, timidina, citidina). Se sono attaccati residui di 1, 2 o 3 fosforo, l'intera struttura è chiamata, rispettivamente, nucleotiside monofosfato, difosfato o trifosfato o nucleotide (adenina, guanina, timina, citosina).
Ecco come appare il modello ATP nello spazio. La base azotata che fa parte del DNA è divisa in due gruppi: pirimidina e purina. Il DNA contiene adenina, timina, citosina e guanina; l'RNA contiene uracile invece di timina. Come sapete, il DNA è un grande archivio in cui sono conservate le informazioni e l'RNA è una molecola che trasferisce le informazioni dal nucleo al citoplasma per la sintesi proteica. Le differenze di funzione sono associate a differenze di struttura. L'RNA è chimicamente più attivo a causa del fatto che il suo zucchero - ribosio - ha un gruppo ossidrile nella sua composizione e non c'è ossigeno nel desossiribosio. A causa della mancanza di ossigeno, il DNA è più inerte, il che è importante per la sua funzione di memorizzazione delle informazioni in modo che non entri in reazioni.
I nucleotidi sono in grado di interagire tra loro, mentre due fosfori vengono "buttati fuori" e si forma un legame tra nucleotidi adiacenti. Nella molecola di furanosio, le molecole di carbonio sono numerate. La base azotata è associata alla prima. Quando si forma una catena di nucleotidi, il legame è tra il quinto carbonio di uno e il terzo carbonio dell'altro acido fosforico. Pertanto, nella catena degli acidi nucleici vengono isolate diverse estremità disuguali rispetto alle quali la molecola non è simmetrica.
Le molecole complementari di acido nucleico a filamento singolo sono in grado di formare una struttura a doppio filamento. All'interno di questa elica, l'adenina si accoppia con la timina e la guanina con la citosina. C'è un'affermazione che i nucleotidi si incastrano come pezzi di vetro rotto, motivo per cui formano coppie. Ma questa affermazione è sbagliata. I nucleotidi sono in grado di formare coppie in qualsiasi modo. L'unica ragione, secondo il quale sono collegati in questo modo, e nient'altro, sta nel fatto che l'angolo tra le "code" che vanno agli zuccheri coincide solo in queste coppie, e, inoltre, le loro dimensioni coincidono. Nessun'altra coppia forma una tale configurazione. E poiché coincidono, possono essere collegati tra loro attraverso la spina dorsale zucchero-fosfato. La struttura a doppia elica è stata scoperta nel 1953 da James Watson e Francis Crick.
Quando sono collegati tra loro, di fronte all'estremità 5' di un filo c'è l'estremità 3' dell'altro filo. Cioè, i filamenti vanno in direzioni opposte: dicono che i filamenti nel DNA sono antiparalleli.
La figura mostra un modello di DNA, si può vedere che l'adenina è collegata alla timina da due legami idrogeno e la guanina è collegata alla citosina da un triplo legame idrogeno. Se una molecola di DNA viene riscaldata, è chiaro che due legami sono più facili da rompere rispetto a tre, il che è essenziale per le proprietà del DNA.
A causa della disposizione spaziale della spina dorsale zucchero-fosfato e dei nucleotidi, quando i nucleotidi sono impilati uno sull'altro e "cuciti" attraverso la spina dorsale zucchero-fosfato, la catena inizia ad avvolgersi, formando così la famosa doppia elica.
Le figure mostrano modelli di sfere di DNA, in cui ogni atomo è indicato da una sfera. All'interno della spirale ci sono delle scanalature: piccole e grandi. Le proteine interagiscono con il DNA attraverso questi solchi e vi riconoscono la sequenza nucleotidica.
Quando il DNA viene riscaldato, i legami a idrogeno si rompono e i filamenti nella doppia elica vengono districati. Il processo di riscaldamento è chiamato fusione del DNA e i legami tra le coppie AT e GC vengono distrutti. vapore A-T, meno saldamente i filamenti sono collegati tra loro, più facile è sciogliere il DNA. La transizione dal DNA a doppio filamento al DNA a filamento singolo viene misurata su spettrofotometri mediante assorbimento di luce a 260 nm. La temperatura di fusione del DNA dipende dalla composizione A-T/G-C e dalla dimensione del frammento della molecola. È chiaro che se un frammento è costituito da diverse decine di nucleotidi, è molto più facile fondersi rispetto a frammenti più lunghi.
In un essere umano, in un genoma aploide, cioè un singolo set di cromosomi, ci sono 3 miliardi di coppie di nucleotidi e la loro lunghezza è di 1,7 m e la cellula è molto più piccola, come puoi immaginare. Affinché il DNA possa adattarsi al suo interno, è strettamente ripiegato e, in una cellula eucariotica, le proteine - gli istoni - lo aiutano a piegarsi. Gli istoni sono caricati positivamente e poiché il DNA è caricato negativamente, gli istoni hanno un'affinità per il DNA. Il DNA impacchettato nell'istone ha la forma di perline chiamate nucleosomi. 200 coppie di nucleotidi vanno a un nucleosoma, 146 coppie sono avvolte attorno agli istoni e le restanti 54 coppie sono appese sotto forma di DNA linker (nucleosomi leganti). Questo è il primo livello di compattazione del DNA. Nei cromosomi, il DNA viene piegato più volte per formare strutture compatte.
Oltre al DNA, l'RNA appartiene anche agli acidi nucleici. La cella contiene tipi diversi RNA: ribosomiale, stampo, trasporto. Esistono altri tipi di RNA, di cui parleremo più avanti. L'RNA è sintetizzato come una molecola a filamento singolo, ma alcune delle sue sezioni fanno parte di eliche a doppio filamento. Per RNA si parla anche di struttura primaria (sequenze nucleotidiche) e di struttura secondaria (formazione di regioni a doppio filamento).
Il libro di testo è destinato agli studenti della direzione "Biologia" di tutti i profili di formazione, di tutte le forme di istruzione per la preparazione teorica a classi, prove ed esami. Il manuale copre le principali sezioni della biochimica strutturale: struttura, proprietà fisico-chimiche e funzioni delle principali classi di macromolecole biologiche. Molta attenzione è prestata ad una serie di aspetti applicati della biochimica.
Nucleotidi e acidi nucleici
Struttura dei nucleotidi e delle basi azotate
I nucleotidi sono coinvolti in molti processi biochimici e sono anche monomeri di acidi nucleici. Gli acidi nucleici forniscono tutti i processi genetici. Ogni nucleotide è costituito da tre tipi di molecole chimiche:
base azotata;
monosaccaride;
1-3 residui di acido fosforico.
A differenza dei monosaccaridi, i nucleotidi come monomeri sono molecole complesse costituite da strutture appartenenti a classi diverse. sostanze chimiche, pertanto, è necessario considerare separatamente le proprietà e la struttura di questi componenti.
Basi azotate
Le basi azotate sono composti eterociclici. Oltre agli atomi di carbonio, la composizione dell'eterociclo include atomi di azoto. Tutte le basi azotate incluse nei nucleotidi appartengono a due classi di basi azotate: purine e pirimidine. Le basi delle purine sono derivati della purina - un eterociclo costituito da due cicli, uno a cinque membri, il secondo sei, la numerazione è quella mostrata nella figura. Le basi pirimidiniche sono derivati della pirimidina e sono costituite da un anello a sei membri, la numerazione è mostrata anche nella figura (Figura 31). Le principali basi pirimidiniche sia nei procarioti che negli eucarioti lo sono citosina, timina e uracile. Le più comuni delle basi puriniche sono adenina e guanina. Altri due – xantina e ipoxantina– sono intermedi nei processi del loro metabolismo. Nell'uomo, la base ossidata delle purine agisce come prodotto finale del catabolismo delle purine. - acido urico. Oltre alle cinque basi principali sopra menzionate, sono note anche basi minori meno ampiamente rappresentate. Alcuni di essi sono presenti solo negli acidi nucleici di batteri e virus, ma molti si trovano anche nei DNA pro ed eucariotici e negli RNA di trasporto e ribosomiali. Pertanto, sia il DNA batterico che il DNA umano contengono quantità significative di 5-metilcitosina; La 5-idrossimetilcitosina è stata trovata nei batteriofagi. Basi insolite sono state trovate nell'RNA messaggero - N 6 -metiladenina, N 6 , N 6 -dimetiladenina e N 7 -metilguanina. I batteri hanno anche un uracile modificato con un gruppo (α-ammino, α-carbossi)-propile attaccato nella posizione N 3. Le funzioni di queste purine e pirimidine sostituite non sono completamente comprese, ma possono formare legami non canonici tra basi (questo sarà discusso di seguito), fornendo la formazione di strutture secondarie e terziarie di acidi nucleici.
Figura 31. Struttura delle basi azotate
Una serie di basi puriniche con sostituenti metilici è stata trovata nelle cellule vegetali. Molti di loro sono farmacologicamente attivi. Esempi includono chicchi di caffè contenenti caffeina (1,3,7-trimetilxantina), foglie di tè contenenti teofillina (1,3-dimetil-xantina) e semi di cacao contenenti teobromina (3,7-dimetilxantina).
isomeria e Proprietà fisiochimiche basi puriniche e pirimidiniche
La molecola di base azotata forma un sistema di legami singoli e doppi alternati (un sistema di doppi legami coniugati). Tale organizzazione forma una molecola rigida, senza possibilità di transizioni conformazionali. Di conseguenza, non si può parlare di un cambiamento nella conformazione delle basi azotate.
Per le basi azotate è stato identificato un solo tipo di isomeria, la transizione cheto-enolo o tautomerismo.
Tautomerismo
A causa del fenomeno del tautomerismo cheto-enolico, i nucleotidi possono esistere sia in forma lactim che lattame, con predominanza di guanina e timina in condizioni fisiologiche (Figura 32). L'importanza di questa circostanza risulterà chiara quando si discuterà dei processi di accoppiamento delle basi.
Figura 32. Tautomerismo nucleotidico
Solubilità
A pH neutro, la guanina ha la minor solubilità. Il prossimo in linea è la xantina. L'acido urico, sotto forma di urati, è relativamente solubile a pH neutro, ma molto poco solubile in liquidi a pH più basso come l'urina. La guanina è normalmente assente nell'urina umana e la xantina e l'acido urico sono i suoi componenti abituali. Le ultime due purine si trovano spesso nei calcoli delle vie urinarie.
assorbimento della luce
A causa del sistema di doppi legami coniugati, tutte le basi azotate assorbono nella parte ultravioletta dello spettro. Spettro di assorbimento: un grafico della distribuzione della densità ottica in base alla lunghezza d'onda. Ogni base azotata ha un proprio spettro di assorbimento, può essere utilizzato per distinguere soluzioni di varie basi azotate o composti che includono una base azotata (nucleotidi), ma il massimo di assorbimento per tutti coincide a una lunghezza d'onda di 260 nm. Ciò consente di determinare facilmente e rapidamente la concentrazione di basi azotate e nucleotidi e acidi nucleici. Lo spettro di assorbimento dipende anche dal pH della soluzione (Figura 33).
Figura 33. Spettri di assorbimento di varie basi azotate
Funzioni delle basi azotate
Le basi azotate non si trovano praticamente allo stato libero. Le eccezioni sono alcuni alcaloidi e acido urico.
Le basi azotate svolgono le seguenti funzioni:
Fanno parte dei nucleotidi;
Alcuni degli alcaloidi sono basi azotate, ad esempio la caffeina nel caffè o la teofelina nel tè;
Prodotti metabolici intermedi di basi azotate e nucleotidi;
L'acido urico è la causa dell'urolitiasi;
L'azoto viene escreto sotto forma di acido urico in alcuni organismi.
Nucleotidi e nucleosidi
Le molecole nucleosidici sono costituite da una base di purina o pirimidina, a cui un carboidrato (solitamente D-ribosio o 2-deossiribosio) è attaccato (tramite un legame β) rispettivamente nella posizione N 9 o N 1. Pertanto, l'adenina ribonucleoside (adenosina)è costituito da adenina e D-ribosio attaccati nella posizione N 9; guanosina- da guanina e D-ribosio in posizione N 9; citidina- da citosina e ribosio in posizione N 1; uridina- da uracile e ribosio in posizione N 1. Pertanto, nei nucleosidi purinici (nucleotidi), la base azotata e lo zucchero sono legati da un legame glicosidico 1-9 β e nelle pirimidine da un legame glicosidico 1-1 β.
La composizione dei 2'-deossiribonucleosidi comprende basi puriniche o pirimidiniche e 2'-desossiribosio attaccati agli stessi atomi di N 1 e N 9. L'adesione di ribosio o 2′-desossiribosio alla struttura ad anello della base avviene attraverso un legame N-glicosidico relativamente acido-labile (Figura 34).
I nucleotidi sono derivati di nucleosidi fosforilati in uno o più gruppi idrossilici di un residuo di ribosio (o desossiribosio). Quindi, l'adenosina monofosfato (AMP o adenilato) è costituito da adenina, ribosio e fosfato. La 2'-deossiadenosina monofosfato (dAMP o deossiadenilato) è una molecola composta da adenina, 2'-desossiribosio e fosfato. Di solito, il ribosio è attaccato all'uracile e il 2-desossiribosio è attaccato alla timina. Pertanto, l'acido timidilico (TMF) è composto da timina, 2′-desossiribosio e fosfato. Oltre alle suddette forme di nucleotidi, sono stati trovati anche nucleotidi di una struttura insolita. Quindi, nella molecola del tRNA, è stato trovato un nucleotide in cui il ribosio è attaccato all'uracile in quinta posizione, cioè non da un legame azoto-carbonio, ma da un legame carbonio-carbonio. Il prodotto di questa insolita aggiunta è chiamato pseudouridina (ψ). Le molecole di tRNA contengono anche un'altra struttura nucleotidica insolita: la timina, combinata con il ribosio monofosfato. Questo nucleotide si forma già dopo la sintesi della molecola di tRNA per metilazione del residuo UMP con S-adenosilmetionina. L'acido pseudouridilico (ψMP) si forma anche come risultato del riarrangiamento dell'UMP dopo la sintesi del tRNA.
Figura 34. Struttura di nucleosidi e nucleotidi purinici e pirimidinici
Nomenclatura, proprietà fisico-chimiche e funzioni di nucleosidi e nucleotidi
La posizione del gruppo fosfato nella molecola nucleotidica è indicata da un numero. Ad esempio, l'adenosina con un gruppo fosfato attaccato al 3° carbonio del ribosio sarebbe designata 3'-monofosfato. Il primo dopo il numero è posto per distinguere il numero di atomi di carbonio nella base delle purine o della pirimidina dalla posizione di questo atomo nel residuo di desossiribosio. Quando si numerano gli atomi di carbonio della base, il primo non viene messo. Il nucleotide 2'-deossiadenosina con un residuo di fosfato al carbonio-5 della molecola di zucchero è indicato come 2'-deossiadenosina-5'-monofosfato. I nucleosidi contenenti adenina, guanina, citosina, timina e uracile sono generalmente indicati rispettivamente con le lettere A, G, C, T e U. La presenza della lettera d (od) prima dell'abbreviazione indica che il componente carboidrato del nucleoside è il 2′-desossiribosio. La guanosina contenente 2′-desossiribosio può essere designata dG (deossiguanosina) e il corrispondente monofosfato con un gruppo fosfato attaccato al terzo atomo di carbonio del desossiribosio può essere designato dG-3′-MF. Come regola generale, quando un fosfato è attaccato al carbonio-5 di ribosio o desossiribosio, il simbolo 5′ viene omesso. Ad esempio, la guanosina 5′-monofosfato è comunemente indicata come GMP e la 2′-deossiguanosina 5′-monofosfato è abbreviata come dGMP. Se 2 o 3 residui di acido fosforico sono attaccati al residuo di carboidrati del nucleoside, vengono utilizzate le abbreviazioni DF (difosfato) e TF (trifosfato). Pertanto, l'adenosina + trifosfato con tre gruppi fosfato nella posizione 5' del carboidrato sarà designato ATP. Poiché i fosfati nelle molecole nucleotidiche sono sotto forma di anidridi fosforiche, cioè in uno stato con bassa entropia, sono chiamati macroerg (che hanno una grande fornitura di energia potenziale). L'idrolisi di 1 mole di ATP in ADP rilascia 7,3 kcal di energia potenziale.
Figura 35. Struttura di cAMP
Proprietà fisico-chimiche dei nucleotidi
Poiché i nucleotidi contengono basi azotate, proprietà come il tautomerismo e la capacità di assorbire nella parte ultravioletta dello spettro sono anche caratteristiche dei nucleotidi e gli spettri di assorbimento delle basi azotate e dei nucleotidi contenenti queste basi sono simili. La presenza di zuccheri e residui di acido fosforico li rende più idrofili delle basi azotate. Tutti i nucleotidi sono acidi perché contengono residui di acido fosforico.
Funzioni dei nucleotidi naturali
I nucleotidi sono monomeri degli acidi nucleici (RNA, DNA). La composizione del DNA comprende fosfati desossiribonucleotidici - derivati di adenina, timina, guanina e citosina. Inoltre, alcune molecole di guanina e citosina nel DNA sono metilate, cioè contengono un gruppo metilico. Come i principali monomeri, l'RNA contiene fosfati ribonucleotidici - derivati di adenina, uracile, guanina e citosina. L'RNA contiene anche nucleotidi contenenti varie basi azotate minori, come xantina, ipoxantina, diidrouridina, ecc.
I nucleotidi sono monomeri di coenzimi (NAD, NADP, FAD, coenzima A, metionina-adenosina). Come parte dei coenzimi, partecipano alle reazioni enzimatiche. Questa funzione verrà discussa più dettagliatamente di seguito.
Energia (ATP). L'ATP svolge la funzione di principale vettore intracellulare di energia libera. La concentrazione del nucleotide libero più abbondante nelle cellule di mammifero, l'ATP, è di circa 1 mmol/L.
Segnale (cGMP, cAMP)(Figura 35). L'AMP ciclico (3-, 5-adenosina monofosfato, cAMP), un mediatore di vari segnali extracellulari nelle cellule animali, è formato dall'ATP come risultato di una reazione catalizzata dall'adenilato ciclasi. L'attività dell'adenilato ciclasi è regolata da un complesso di interazioni, molte delle quali sono avviate attraverso i recettori ormonali. La concentrazione intracellulare di cAMP (circa 1 µmol/l) è di 3 ordini di grandezza inferiore alla concentrazione di ATP. Il cGMP ciclico (3-, 5-guanosina monofosfato, cGMP) funge da conduttore intracellulare di segnali extracellulari. In alcuni casi, il cGMP agisce come un antagonista del cAMP. cGMP è formato da GTP dall'azione della guanilato ciclasi, un enzima che ha molto in comune con l'adenilato ciclasi. La guanilato ciclasi, come l'adenilato ciclasi, è regolata da vari effettori, inclusi gli ormoni. Come il cAMP, il cGMP viene idrolizzato dalla fosfodiesterasi nel corrispondente 5'-monofosfato.
Regolamentazione (GTP). L'attività di un gruppo di proteine (proteine G), che svolgono principalmente una funzione regolatrice, dipende da quale nucleotide si legano. In una forma inattiva, queste proteine legano il PIL; quando la proteina viene attivata, il PIL viene sostituito da GTP. Quando svolge la sua funzione, la proteina idrolizza GTP in GDP e fosfato, l'energia rilasciata viene spesa per il funzionamento della proteina.
Attivazione durante il metabolismo dei lipidi e dei monosaccaridi (UTP, STP). I derivati dei nucleotidi dell'uracile sono coinvolti come agenti attivanti nel metabolismo dell'esoso e nelle reazioni di polimerizzazione dei carboidrati, in particolare, nella biosintesi di amido e frammenti di oligosaccaridi di glicoproteine e proteoglicani. I substrati in queste reazioni sono gli zuccheri uridina difosfato. Ad esempio, l'uridina difosfato glucosio funge da precursore del glicogeno. Inoltre, la conversione del glucosio in galattosio, acido glucuronico o altri derivati di monosaccaridi avviene come coniugato con UDP. Il CTP è necessario per la biosintesi di alcuni fosfogliceridi nei tessuti animali. Le reazioni che coinvolgono ceramide e CDP-colina portano alla formazione di sfingomielina e altre sfingosine sostituite.
Partecipazione alla disattivazione di vari alcoli e fenoli(acido UDP-glucuronico). Acido glucuronico di uridina difosfato - agisce come glucuronide "attivo" nelle reazioni di coniugazione, ad esempio nella formazione di bilirubina glucuronide.
Nucleotidi nei coenzimi
I coenzimi sono composti a basso peso molecolare associati ad enzimi (vedi sezione "Enzimi") direttamente coinvolti in una reazione biochimica, in altre parole si tratta di un altro substrato che non entra nell'ambiente.
I coenzimi sono divisi in due gruppi:
vettori di protoni ed elettroni, questi coenzimi sono coinvolti nelle reazioni redox;
portatori di tutti gli altri gruppi ad eccezione di protoni ed elettroni, questi coenzimi sono coinvolti nelle reazioni di transferasi.
I meccanismi di queste reazioni possono essere considerati più in dettaglio nel capitolo "Enzimi".
Alcuni coenzimi contengono nucleotidi nella loro composizione. Sono anche divisi negli stessi due gruppi.
coenzimi che trasportano protoni ed elettroni
Questi coenzimi sono coinvolti nelle reazioni redox, dove l'adenosina svolge solo una funzione strutturale, nella reazione entrano nucleotidi contenenti altri tipi di basi, si distinguono due tipi di tali coenzimi: nicotinico e flavina. Differiscono non solo per il raggruppamento attivo, ma anche per il tipo di reazioni che svolgono.
Coenzimi nicotinici
Figura 36. Coenzimi nicotinici. A-struttura di NAD, B-struttura di NADP, C-meccanismo di attività dell'acido nicotinico, D-meccanismo di lavoro dei coenzimi nicotinici
La nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+) è il principale accettore di elettroni nell'ossidazione delle molecole di combustibile. La parte reattiva del NAD+ è il suo anello di nicotinamide. Quando il substrato è ossidato, l'anello di nicotinamide NAD+ aggiunge uno ione idrogeno e due elettroni, che sono equivalenti allo ione idruro. La forma ridotta di questo vettore è NADH. Durante questa deidrogenazione, un atomo di idrogeno del substrato viene trasferito direttamente a NAD+, mentre il secondo viene trasferito al solvente. Entrambi gli elettroni persi dal substrato vengono trasferiti all'anello della nicotinamide. Il ruolo del donatore di elettroni nella maggior parte dei processi di biosintesi riduttiva (scambio plastico); svolge la forma ridotta di nicotina ammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH). Il NADPH differisce dal NAD per la presenza di un fosfato esterificato al gruppo 2'-idrossile dell'adenosina. La forma ossidata di NADPH è indicata come NADP+. Il NADPH trasporta gli elettroni allo stesso modo del NADH. Tuttavia, il NADPH viene utilizzato quasi esclusivamente nei processi biosintetici riduttivi, mentre il NADH viene utilizzato principalmente per la generazione di ATP. Il gruppo fosfato aggiuntivo di NADPH è il sito responsabile dell'adempimento dello scopo previsto della molecola, che è il riconoscimento da parte degli enzimi.
coenzimi flavini
Il primo coenzima flavin (flavin mononucleotide FMN) è stato isolato da A. Szent-Györgyi dal muscolo cardiaco nel 1932, RG Warburg e V. Christian allo stesso tempo hanno ottenuto la prima flavoproteina contenente FMN come coenzima dal lievito. Il secondo coenzima flavin più importante, il flavin adenin dinucleotide (FAD), è stato isolato da loro come cofattore della D-amminoacido ossidasi nel 1938. A causa della trasformazione redox dell'anello flavino, i coenzimi flavini svolgono reazioni redox nell'ambito di molti importanti sistemi enzimatici: ossidasi (in particolare ossidasi di D- e L-aminoacidi, monoamino ossidasi, che regola il livello di catecolamine nel sangue) e deidrogenasi (spesso con la partecipazione di nicotinamide adenina dinucleotide e ubichinoni).
Figura 37. Coenzimi flavinici. Struttura A del FAD, meccanismo B dell'attività dell'acido nicotinico, meccanismo C dei coenzimi flavina
Il secondo principale vettore di elettroni nell'ossidazione delle molecole di combustibile è la flavina adenina dinucleotide. Le abbreviazioni utilizzate per le forme ossidate e ridotte di questo vettore sono rispettivamente FAD e FADH 2 . La parte reattiva del FAD è il suo anello isoallossazinico. FAD, come NAD + , aggiunge due elettroni. Tuttavia, FAD, a differenza di NAD +, aggiunge entrambi gli atomi di idrogeno persi dal substrato.
Fine del segmento introduttivo.
