Acidi nucleici

Gli acidi nucleici , compresi gli acidi nucleici , sono macromolecole costituite da singoli elementi costitutivi, i nucleotidi , che contengono le informazioni genetiche di tutti gli organismi . Alternando zuccheri semplici ed esteri dell'acido fosforico si forma una catena, con una base nucleica attaccata ad ogni zucchero . Oltre a proteine , carboidrati e lipidi, gli acidi nucleici formano il quarto grande gruppo di biomolecole . Il suo rappresentante più noto come tipo base di acidi nucleici è l' acido desossiribonucleico(DNA o DNA); in tutti gli esseri viventi questo è il deposito di informazioni genetiche , solo in alcuni virus l'acido ribonucleico (RNS o RNA) ha invece questa funzione. Oltre alla loro funzione di immagazzinamento di informazioni, gli acidi nucleici, che sono considerati le "molecole chiave della vita", possono anche fungere da trasmettitori di segnali o catalizzare reazioni biochimiche ( ribozimi ).

storia

Friedrich Miescher

L'acido nucleico fu descritto per la prima volta dal medico svizzero Friedrich Miescher nel 1869 dopo i suoi esami nel laboratorio dell'ex cucina del castello di Tubinga . Ha lavorato per il fondatore della biochimica , Felix Hoppe-Seyler . Dopo che Miescher abbandonò la sua ricerca sulle proteine perché erano troppo complesse e diverse, si rivolse allo studio dei nuclei cellulari . La loro funzione era del tutto sconosciuta all'epoca. Ha isolato una sostanza dai nuclei dei globuli bianchi che differiva significativamente dalle proteine ​​a causa del suo alto contenuto di fosforo . Lo chiamò Nuclein dalla parola latina nucleo (core). Sebbene Miescher si fosse avvicinato molto alla funzione di Nuclein , alla fine non credeva che una singola sostanza potesse essere responsabile dell'eredità.

"Se volessimo (...) supporre che una sola sostanza (...) sia in qualche modo (...) la causa specifica della fecondazione, bisognerebbe senza dubbio pensare principalmente al nucleo."

- Friedrich Miescher (1874)

Nel 1885 Albrecht Kossel annunciò che una base ricca di azoto con la formula molecolare C 5 H 5 N 5 era stata isolata da una grande quantità di pancreas bovino , per cui suggerì il nome adenina , derivato dalla parola greca "aden" per ghiandola . Nel 1889 Richard Altmann isolò dal nucleo un acido organico contenente fosforo, che chiamò acido nucleico , oltre a un componente simile a una proteina . Nel 1891 Kossel fu in grado di produrre acido nucleico di lievito (usando il metodo di Altmann) e rilevare l' adenina e la guanina come prodotti di scissione. Si è scoperto che anche un carboidrato doveva far parte dell'acido nucleico. Kossel scelse il nome basi azotate per le sostanze di base guanina e adenina e per i loro derivati . Nel 1893 Kossel riferì di aver estratto l'acido nucleico dalle ghiandole del timo del vitello e di aver ottenuto un prodotto di scissione ben cristallizzato, per il quale propose il nome di timina . Nel 1894 isolò un'altra sostanza (di base) dalle ghiandole del timo. Kossel chiamò questa base nucleica citosina .

Dopo che le formule di struttura della guanina e dell'adenina come corpo purinico e della timina come corpo pirimidinico erano state finalmente chiarite alla fine del XIX secolo - principalmente attraverso le sintesi di Emil Fischer - Kossel e Hermann Steudel furono anche in grado di determinare la struttura formula della base nucleica citosina come corpo pirimidinico senza alcun dubbio. Nel frattempo era stato dimostrato che guanina, adenina, timina e citosina possono essere trovate in tutte le cellule vitali.

La conoscenza di queste quattro basi azotate dovrebbe essere di fondamentale importanza per la delucidazione della struttura del DNA. Fu Albrecht Kossel che - insieme a un carboidrato e all'acido fosforico - li caratterizzava chiaramente come elementi costitutivi dell'acido nucleico:

“Sono riuscito a ottenere una serie di frammenti […] che sono caratterizzati da una collezione molto particolare di atomi di azoto. Ci sono qui una accanto all'altra […] la citosina, la timina, l'adenina e la guanina”.

- Lezione Nobel di Albrecht Kossel il 12 dicembre 1910

Phoebus Levene propose una struttura a catena dell'acido nucleico. Ha coniato il termine " nucleotide " per i mattoni dell'acido nucleico. Nel 1929 fu in grado di identificare il contenuto di zucchero dell'acido nucleico "animale" come desossiribosio . In seguito è stato indicato come acido desossiribonucleico . È stato riconosciuto che l'acido desossiribonucleico si trova anche nei nuclei delle cellule vegetali.

Nel 1944, Oswald Avery , Colin McLeod e Maclyn McCarty furono in grado di dimostrare che gli acidi nucleici sono i depositi di informazioni genetiche e non - come precedentemente ipotizzato - le proteine.

L'americano James Watson (* 1928) e l'inglese Francis Crick (1916-2004), Rosalind Franklin (1920-1958) e Maurice Wilkins (1916-2004) riuscirono finalmente a chiarire la struttura dell'acido desossiribonucleico. Watson, Crick e Wilkins ricevettero il Premio Nobel nel 1962 .

Nel 1977 Frederick Sanger , così come Allan Maxam e Walter Gilbert, svilupparono indipendentemente metodi con i quali si poteva determinare l'ordine dei blocchi costitutivi dei nucleotidi, la sequenza . Il metodo di terminazione della catena è ora utilizzato nei processi automatizzati per sequenziare il DNA.

costruzione

Acido nucleico con quattro anelli di catena

Struttura chimica

Gli acidi nucleici sono catene con nucleotidi come collegamenti. La parte centrale di un nucleotide è la molecola di zucchero a forma di anello (nella foto in grigio: il ribosio). Se gli atomi di carbonio di questo zucchero sono numerati in senso orario da 1 a 5, una base nucleica (Fig. 1: rossa, verde, gialla e blu) è attaccata a C1 tramite un legame glicosidico . In C3, un residuo fosfato del seguente nucleotide (blu) ha formato un legame estere con il gruppo OH dello zucchero . Un residuo fosfato è anche legato al C4 dello zucchero tramite l'altro dei due legami fosfodiestere .

Nel suo stato non legato, l'acido fosforico ha tre atomi di idrogeno acido (sui gruppi OH) che possono essere scissi. In un acido nucleico, due dei tre gruppi OH sono esterificati e quindi non possono più rilasciare protoni. La terza funzione acida non legata è responsabile del carattere acido che ha dato il nome all'acido nucleico. Può agire come donatore di protoni o è deprotonato nella cellula (carica negativa sull'atomo di ossigeno). In condizioni fisiologiche ( pH  7), l'acido nucleico è un grande anione nel complesso a causa di questo atomo di ossigeno caricato negativamente . Quando si separano gli acidi nucleici in base alla loro dimensione, può quindi essere utilizzato un campo elettrico, in cui gli acidi nucleici generalmente migrano verso l' anodo (vedi elettroforesi su gel di agarosio ).

Le catene degli acidi nucleici sono generalmente non ramificate (lineari o chiuse ad anello, cioè circolari). Per le eccezioni si veda, ad esempio, il frammento di Okazaki , la struttura di Holliday e la struttura a foglia di trifoglio .

orientamento

La loro struttura fornisce la polarità o l' orientamento dell'acido nucleico nella sequenza di blocchi di costruzione della catena. Ha un'estremità 5' (leggi: 5-prime end, inglese cinque prime end ), che prende il nome dall'atomo C5 dello zucchero a cui è legato un residuo di fosfato , e un'estremità 3' , dove il gruppo OH libero sul L'atomo C3 completa la catena. Di solito, si annotano sequenze, cioè sequenze nucleotidiche, a partire dall'estremità 5 'verso l'estremità 3'. La polarità è molto importante negli organismi. Ad esempio, ci sono DNA polimerasi che possono solo costruire un filamento di DNA nella direzione 5 '→ 3' , e altre ancora correggono i nucleotidi incorporati in modo errato solo nella direzione 3 '→ 5'.

struttura spaziale

Accoppiamento di basi in un doppio filamento

L'allineamento spaziale degli acidi nucleici è chiamato struttura secondaria. Mentre la struttura primaria (la sequenza) memorizza le informazioni, la struttura secondaria determina la dimensione, la durata e anche l'accesso alle informazioni memorizzate.

La struttura spaziale più semplice è il doppio filamento. Qui, due catene di acidi nucleici si trovano l'una di fronte all'altra in direzioni opposte. Sono collegati tra loro tramite legami idrogeno tra le basi azotate. Una base pirimidinica è accoppiata con una base purinica , il tipo di coppia che determina la stabilità del doppio filamento. Tra guanina e citosina si formano tre legami idrogeno, mentre l' adenina e la timina sono collegate solo da due legami idrogeno (vedi Figura 2). Più alto è il contenuto di GC (proporzione di coppie guanina-citosina), più stabile è il doppio filamento e più energia (calore) deve essere spesa per dividerlo in singoli filamenti. Un doppio filamento può essere costituito da due diverse molecole di acido nucleico o solo da una singola molecola. Alla fine del doppio filo, si forma un anello in cui la catena "si inverte" in modo che si presenti l'orientamento opposto.

Nel DNA, a causa dei molti diversi angoli di legame , il doppio filamento si avvolge attorno al proprio asse e forma una doppia elica . Ci sono eliche sia destre che sinistre. Questo doppio filamento, che si avvolge su se stesso, può poi essere ulteriormente attorcigliato e avvolgersi attorno ad altre strutture come gli istoni (speciali proteine). Il punto di questo ulteriore groviglio è quello di risparmiare spazio. Non attorcigliato e allungato, il DNA di un singolo cromosoma umano sarebbe lungo circa 4 cm.

Acidi nucleici naturali

Gli acidi nucleici si trovano in tutti gli organismi viventi. Il loro compito è, tra l'altro, quello di salvare l'informazione genetica, la matrice del rispettivo organismo, di scambiarla con altri della sua specie e di trasmetterla alle generazioni successive. In tutti gli organismi questo è ciò che fa il DNA. Solo alcuni virus ( retrovirus come l' HIV ) utilizzano l'RNA meno stabile come supporto di memorizzazione. Tuttavia, ipotetici ribociti, in quanto precursori degli organismi cellulari odierni, potrebbero anche aver avuto un genoma a RNA nei tempi primordiali della terra ( ipotesi del mondo a RNA ), ma finora non ci sono prove per questo. Si discute anche se la vita sia iniziata invece con un acido nucleico DNA-RNA chimerico. Inoltre, vengono discussi anche altri acidi nucleici come predecessori dell'RNA o del DNA (XNA, vedi sotto).

Acido desossiribonucleico (DNA, DNA)

Il DNA ha come componente zuccherino il desossiribosio (da cui il nome acido desossiribo nucleico), che differisce dal ribosio solo per la mancanza di un gruppo OH sull'atomo C2. La riduzione del gruppo OH ad un semplice H non avviene fino alla fine della sintesi nucleotidica. I desossiribonucleotidi derivano quindi dai ribonucleotidi, gli elementi costitutivi dell'RNA. La differenza, tuttavia, rende il DNA chimicamente molto più stabile dell'RNA (giustificazione vedi sezione RNA) e così stabile da poter essere rilevato disciolto nell'acqua di mare (1 ppb) e negli estuari (fino a 44 ppb). Le basi azotate adenina, citosina, guanina e timina si trovano nel DNA, quest'ultima specifica per il DNA. Nonostante il numero ridotto di quattro diversi moduli di base, è possibile memorizzare molte informazioni.

DNA in una cellula eucariotica
Esempio di calcolo:
  1. Un pezzo di DNA composto da 4 possibili blocchi di base con una lunghezza totale di 10 paia di basi risulta in 4 10 = 1.048.576 possibili combinazioni
  2. Il genoma del batterio E. coli è di circa 4 × 10 6 paia di basi. Poiché ci sono 4 possibilità (A, C, G o T) per una coppia di basi, corrisponde a 2 bit (2 2 = 4). Ciò significa che l'intero genoma ha un contenuto informativo di 1  megabyte .

Il DNA ha la forma di un doppio filamento che si avvolge su se stesso a formare una doppia elica. Dei tre tipi di elica identificati dall'analisi della struttura a raggi X , solo il B-DNA è stato finora rilevato in vivo . È un'elica destrorsa con un passo (lunghezza dell'elica per un giro completo) di 3,54 nm e 10 paia di basi e un diametro di 2,37 nm.Vi è anche l'elica A più ampia (passo 2,53 nm; diametro 2 , 55 nm) e l'elica Z più allungata (passo 4,56 nm; diametro 1,84 nm). Se si deve leggere un gene codificato nel DNA o se il DNA stesso deve essere raddoppiato nel corso della divisione cellulare, l'elica viene srotolata su una sezione da enzimi ( topoisomerasi ) e il doppio filamento viene suddiviso in singoli filamenti ( elicasi ).

Nei batteri , il DNA esiste come una molecola a forma di anello, mentre negli eucarioti ha estremità libere, i cosiddetti telomeri . La natura del meccanismo di replicazione del DNA significa che le molecole di DNA lineare vengono accorciate di poche coppie di basi per duplicazione. Più spesso una cellula si divide, più corto diventa il DNA. Ciò non ha conseguenze con una divisione cellulare limitata, poiché alla fine di tale filamento ci sono brevi sequenze che si ripetono diverse migliaia di volte. Quindi nessuna informazione genetica viene persa. L'accorciamento è in parte compensato dall'enzima telomerasi (solo nelle cellule staminali e nelle cellule tumorali). Se la lunghezza delle sequenze ripetitive alla fine del filamento scende al di sotto di una certa lunghezza, la cellula non si divide più. Questo è uno dei motivi per una durata limitata. Poiché i batteri hanno una molecola di DNA circolare, non accorciano il filamento.

Acido ribonucleico (RNA, RNA)

Il gruppo OH sull'atomo C2 del ribosio è responsabile della minore stabilità dell'RNA. Questo perché, come il gruppo OH sull'atomo C3 per la normale formazione della catena, può formare un legame con il residuo fosfato. Se tale transesterificazione avviene spontaneamente , la catena dell'acido nucleico viene interrotta.

Formula strutturale
Citosina 		Formula strutturale
uracile 		Formula strutturale
timina

Un'altra differenza è che la timina è usata nel DNA, mentre l' uracile è usato nell'RNA . Le basi nucleiche all'interno del DNA possono essere modificate chimicamente da condizioni ossidative o da altre influenze. Questo porta occasionalmente alla deaminazione (scissione di un gruppo NH 2 , si forma invece un gruppo O =). In un doppio filamento, i siti per i legami idrogeno sulle basi nucleiche opposte non combaciano più e si verifica una scissione parziale. Gli enzimi possono eliminare e sostituire o riparare le basi azotate alterate. Per fare ciò, usa la seconda base azotata invariata come modello. Se tale deaminazione si verifica con la citosina, si forma l'uracile. Se l'uracile si trovasse comunemente anche nel DNA, un enzima non potrebbe più distinguere se l'uracile è la base azotata sbagliata o la guanina opposta (che in precedenza era accoppiata con la citosina). In questo caso, informazioni importanti potrebbero essere modificate e potrebbe verificarsi una mutazione. Per evitare questa confusione, la timina non viene utilizzata nel DNA, in linea di principio l'uracile viene riconosciuto e rimosso nel DNA da enzimi specifici, le glicosilasi uracile. Gli enzimi possono riconoscere perfettamente la timina grazie al suo gruppo metilico aggiuntivo e quindi è chiaro che ogni uracile nel DNA è una citosina rotta. Nell'RNA, questo rischio di corruzione delle informazioni non è grave, poiché le informazioni vengono memorizzate qui solo per un breve periodo e non ci sono solo una molecola di RNA del rispettivo tipo, ma centinaia. Se alcuni di loro sono difettosi, questo non ha effetti gravi sull'intero organismo, poiché ci sono abbastanza sostituzioni.

varianti

Esistono numerose varianti dei suddetti acidi nucleici standard RNA e DNA. Alcuni di questi sono di origine naturale, ma varianti sono state sviluppate anche nel contesto della xenobiologia , i cui mattoni a prima vista non sono più riconoscibili come ribo- (nel caso dell'RNA ) o desossiribonucleotidi (nel caso del DNA ). In singoli casi è ancora oggi oggetto di discussione se una certa variante si presenti in natura (o, ad esempio, si sia verificata nella fase iniziale della vita sulla terra) o meno. In linea di principio, tutte e tre le parti di un blocco costitutivo dell'acido nucleico possono essere modificate, ovvero:

  • gli zuccheri: gli acidi xenonucleici (XNA) hanno un altro gruppo al posto del ribosio o desossiribosio, che può, ma non deve essere, un altro zucchero o un derivato dello zucchero. Questi includono:
  • il gruppo fosfato
  • una combinazione di queste e altre modifiche speciali:
  • L'RNA si trova negli organismi viventi come D RNA su - L RNA come cosiddetto Spiegelmer , tuttavia, può essere sintetizzato. Lo stesso vale per analogia con il DNA. L- DNA viene scomposto più lentamente dagli enzimi rispetto alla forma naturale, il che lo rende interessante per la ricerca farmaceutica .

Guarda anche

letteratura

Evidenze individuali

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