Struttura nucleotidica: 9 fatti interessanti da sapere

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Tranne che in alcuni virus, il DNA si trova ubiquitariamente nelle forme viventi (eccetto i virus a RNA) e agisce come materiale genetico in quasi tutte le forme viventi. Il nucleotide è considerato come elementi costitutivi per la sintesi degli acidi nucleici (RNA e DNA). Oltre a prendere parte alla sintesi degli acidi nucleici, i nucleotidi sono coinvolti anche in varie altre funzioni cellulari a seconda delle loro proprietà chimiche e strutturali.

Concetto chiave e termini

RNA (acido ribonucleico): è presente in tutte le cellule che esibiscono attività metaboliche. È prodotto dal DNA e viene coinvolto nel sintesi proteica secondo le indicazioni date dal DNA. L'RNA funge da mediatore tra l'informazione genetica e la sua espressione. Poiché l'ordine di espressione dell'informazione genetica proviene dal DNA –> RNA –> Proteine.

DNA (acido desossiribonucleico): il DNA si trova onnipresente in quasi tutti gli organismi viventi. Il DNA può auto-replicarsi e sintetizzare le sue copie. Tuttavia, questo processo di replica viene avviato e completato da a Enzima DNA polimerasi. Il DNA trasporta informazioni genetiche e si trova in quasi tutte le cellule del nostro corpo (assente nei globuli rossi). Il DNA ha una struttura come una doppia elica.

Monomero: Un monomero è un'unità (monomero; "mono" significa uno) che si lega alle altre unità simili per produrre un'unità più grande (polimero).

Polimero: Un polimero è un'unità più grande (polimero; "poli" significa molti) o un'unità formata dall'associazione di unità più piccole (monomeri).

Purine: Una struttura a base azotata a doppio anello è nota come purine (Guanina e Adenina)

Pirimidina: Una struttura a base azotata a singolo anello è nota come pirimidina (Uracile, Timina e Citosina)

Le pirimidine e le purine sono le basi azotate costituenti presenti nel DNA e nell'RNA.

Cos'è un nucleotide? | Di cosa sono fatti i nucleotidi?

I nucleotidi sono le unità monomeriche che si combinano per formare molecole più grandi (polimeri) come RNA e DNA. I nucleotidi servono come unità strutturale di base e fondamentale di un filamento polinucleotidico. I nucleotidi sono responsabili della sintesi del materiale genetico in tutte le forme di vita su questo pianeta.

Indipendentemente dall'organismo e dal sito di occorrenza, il nucleotide contiene tre componenti chimici di base, che sono i seguenti:

  • Gruppo fosfato (almeno uno)
  • Zucchero pentoso (zucchero a cinque atomi di carbonio che può essere ribosio o desossiribosio)
  • Base azotata (pirimidina di purina)
struttura nucleotidica
Figura: struttura del nucleotide e differenza di base tra nucleotidi mono, di e trifosfati https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_nucleoside_general_vi.svg

I nucleotidi si legano insieme per produrre acido nucleico o filamenti di polinucleotidi, spesso considerati come la stringa di DNA.

I nucleotidi a volte agiscono in modo indipendente (espressione genica) o sono coinvolti in altri processi cellulari (catalisi e segnalazione).

Struttura nucleotidica | Nucleotide monomero

Per comprendere il diverso funzionamento del nucleotide, dobbiamo concentrarci sul modo in cui sono costruiti e su come si combinano per diventare acido nucleico. 

Basi nucleotidiche (basi azotate)

I nucleotidi vengono differenziati e classificati in base alla presenza di diverse basi azotate. Ci sono generalmente cinque tipi di basi azotate che si trovano nel genoma di ogni organismo.

  • Uracil
  • timina
  • guanina
  • Citosina
  • adenina

La denominazione di un nucleotide è determinata dalla base azotata e dal numero di gruppi fosfato presenti in essa. Diciamo, per esempio, se un nucleotide contiene guanina e un gruppo fosfato, allora il nucleotide sarà chiamato Guanosina monofosfato (GMP). Qui, guanosina si riferisce alla guanina, e monofosfato si riferisce al singolo fosfato presente nel GMP. 

Le basi azotate sono generalmente classificate in base al numero di anelli presenti in due tipi, ovvero Purine e Pirimidine. Le purine includono l'adenina e la guanina (sono chiamate rispettivamente adenosina e guanosina quando presenti nel DNA o nell'RNA. Il loro nome generalmente termina con il suffisso "seno"). Al contrario, le pirimidine includono la Timina, la Citosina e l'Uracile (sono chiamate rispettivamente Timidina, Citidina e Uridina, quando presenti nel DNA o nell'RNA. Il loro nome generalmente termina con il suffisso "dine").

Adenina (A): L'adenina è una base azotata purinica di formula chimica C5H5N5. Il nucleotide contenente adenina è noto come adenosina. L'adenina si lega alla timina con l'aiuto di due legami idrogeno. Queste interazioni aiutano a stabilizzare la struttura del DNA o dell'RNA. L'adenina è presente anche nell'ATP (Adenosina trifosfato), che è coinvolto in vari processi cellulari e reazioni guidate dall'energia.

adenina
Figura: struttura dell'adenina, una base azotata purinica
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Adenine.svg

Citosina (C): è una base azotata pirimidinica con formula chimica C4H5N3O. Il nucleotide contenente la base della citosina è noto come citidina. Ha un anello aromatico eterociclico a sei membri. La citosina si accoppia con la guanina con l'aiuto di tre legami idrogeno. Queste interazioni aiutano a stabilizzare la struttura del DNA o dell'RNA. La forma nucleotidica libera della citosina è spesso coinvolta nella catalisi di reazioni come la conversione dell'ADP in ATP.

Struttura chimica della citosina
Figura: Struttura della citosina, una base azotata pirimidinica
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cytosine_chemical_structure.svg

Guanina (G): La guanina è una base azotata purinica di formula chimica C5H5N5O. Il nucleotide contenente guanina è noto come guanosina. La guanina è una struttura a doppio anello con singoli, doppi legami coniugati e forma tre legami idrogeno con la citosina e stabilizza la struttura del DNA.

guanina
Figura: struttura della guanina, una base azotata purinica
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Guanine.svg

Timina (T): È una base azotata pirimidinica con formula chimica C5H6N2O2. Il nucleotide contenente una base di timina è noto come timidina. Sembra un anello fuso e forma due legami idrogeno con l'adenina, che aiuta a stabilizzare la struttura del DNA. 

timina
Figura: struttura della timina, una base azotata pirimidinica
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thymine_(structural_formula).png#/media/File:Thymine_(structural_formula).png

Uracile (U): è una base azotata pirimidinica che si trova esclusivamente nel DNA. Agisce come un acido debole e ha una formula chimica C4H4N2O2. Il nucleotide contenente uracile è noto come uridina. L'uracile differisce dalla timina proprio per l'assenza di un gruppo metilico; quindi, la sua struttura è simile a quella della timina.

Uracil
Figura: struttura dell'uracile, una base azotata pirimidinica che si trova esclusivamente nell'RNA
https://www.flickr.com/photos/71728339@N03/6480986657

Zucchero pentoso (monosaccaridi)

Lo zucchero pentoso è un elemento essenziale nella formazione di un nucleotide, mentre fornisce anche una spina dorsale per la struttura degli acidi nucleici. Lo zucchero pentoso contiene cinque atomi di carbonio. I nucleotidi hanno due tipi di zuccheri pentosi:

  • Deossiribosio (trovato nel DNA)
  • Ribosio (trovato nell'RNA)
roboso dott
Figura: struttura del ribosio (a sinistra) e del desossiribosio (a destra). Nella struttura del desossiribosio manca un atomo di ossigeno https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_difference_between_ribose_and_deoxyribose.png

Gruppo fosfato 

I gruppi fosfato presenti nei nucleotidi derivano dall'acido fosforico. Ha una formula generale di (PO4)3- e si trova nei nucleotidi come mono, di o tri-fosfati. Il nucleotide contenente uno, due e tre fosfati è monofosfato, difosfato e trifosfato.

L'esatta denominazione dei nucleotidi viene effettuata considerando lo zucchero, la base azotata e il numero di gruppi fosfato presenti. Ad esempio, l'ATP è adenosina trifosfato mentre dGDP è deossiguanosina difosfato. La lettera "d" nel nome del nucleotide indica la presenza di zucchero desossiribosio nel nucleotide.

Ione fosfato
Figura: struttura del gruppo fosfato. La presenza del gruppo fosfato è il criterio per differenziare tra nucleoside e nucleotide https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phosphat-Ion.svg

Cosa fanno i nucleotidi?

Il DNA e l'RNA di un individuo sono generalmente costituiti da stringhe di acidi nucleici (polinucleotidi). L'espressione genica all'interno delle cellule degli organismi cambia costantemente ogni volta e le cellule dell'organismo crescono e muoiono contemporaneamente.

I nucleotidi svolgono un ruolo chiave durante l'intero processo.

  • I nucleotidi regolano il processo in combinazioni come negli acidi nucleici
  • I nucleotidi regolano anche il processo metabolico mentre sono presenti nella forma libera (non associata all'acido nucleico)

Quando i nucleotidi formano una struttura a doppia elica del DNA, formano un accoppiamento di basi complementari tra i nucleotidi presenti sui filamenti polinucleotidici opposti. 

La regola empirica della complementarità è che la purina presente su una base del filamento si accoppia con la pirimidina complementare presente sull'altro filamento (la guanina si accoppia con Citosina e Adenina si accoppia con la timina). 

  • Le purine includono guanina e adenina
  • Le pirimidine includono uracile, timina e citosina

nucleotidi del DNA

Di seguito sono riportati i nucleotidi che compongono il DNA:

Deossiguanosina trifosfato (dGTP): È un nucleotide purinico composto da tre gruppi fosfato, zucchero desossiribosio e una base guanina.

Deossitimidina trifosfato (dTTP): È un nucleotide pirimidinico composto da tre gruppi fosfato, zucchero desossiribosio e una base di timina.

Deossicitidina trifosfato (dCTP): È un nucleotide pirimidinico composto da tre gruppi fosfato, zucchero desossiribosio e una base di citosina.

Deossiadenosina trifosfato (dATP): È un nucleotide purinico composto da tre gruppi fosfato, zucchero desossiribosio e una base adenina.

nucleotidi di RNA

Di seguito sono riportati i nucleotidi che producono l'RNA:

Guanosina trifosfato (GTP): È un nucleotide purinico composto da tre gruppi fosfato, uno zucchero ribosio e una base guanina.

Trifosfato di uridina (UTP): È un nucleotide pirimidinico composto da tre gruppi fosfato, uno zucchero ribosio e una base uracile.

Citidina trifosfato (CTP): È un nucleotide pirimidinico composto da tre gruppi fosfato, uno zucchero ribosio e una base di citosina.

Adenosina trifosfato (ATP): È un nucleotide purinico formato da tre gruppi fosfato, un ribosio zucchero e un'adenina base.

Nucleotidi liberi

Solo i nucleotidi trifosfati si interconnettono per formare acidi nucleici, nucleotidi monofosfati e nucleotidi difosfati non si incorporano nei filamenti polinucleotidici e sono presenti nella cellula come nucleotidi liberi. Tuttavia, i nucleotidi mono e difosfato sono coinvolti in altri processi cellulari e nel metabolismo essenziali. I nucleotidi liberi agiscono anche come coenzimi per vari enzimi per la catalisi delle reazioni biochimiche. 

Diciamo, ad esempio, che l'ATP agisce come una molecola ricca di energia e un coenzima per molte reazioni biochimiche. L'ATP è spesso necessario per avviare una serie di reazioni biochimiche all'interno del nostro corpo. 

I nucleotidi liberi hanno anche un ruolo nell'apoptosi cellulare. I cambiamenti nei nucleotidi attivano il meccanismo proteasomico della cellula, che conduce la cellula verso la morte cellulare programmata, nota anche come apoptosi. L'apoptosi è un fenomeno importante che si verifica all'interno del nostro corpo. Fornisce al nostro corpo una forma adeguata e previene il nostro corpo da varie malattie genetiche.

Conclusione

In questo articolo abbiamo discusso di struttura dei nucleotidi in dettaglio. Hanno un ruolo cruciale nella formazione del materiale genetico (DNA e RNA). Tuttavia, svolgono anche un ruolo nella rottura e nel degrado dei componenti cellulari danneggiati che saranno discussi nei nostri prossimi post. 

Intervista Q & A relativa a questo argomento

Q1 Dai un nome ai quattro tipi di nucleotidi?

Risposta: Ci sono cinque tipi di nucleotidi presenti collettivamente nel DNA e nell'RNA. Vale a dire: Adenina, Guanina, Timina, Citosina e Uracile. Di cui adenina, guanina e citosina sono comuni tra DNA e RNA. Mentre il DNA contiene timina e l'RNA contiene uracile al posto della timina.

Q2 Dai un nome ai tre componenti di un nucleotide?

Risposta: Un nucleotide contiene tre componenti strutturali (mattoni), che sono i seguenti:

  • una base azotata [Purina (Adenina e Guanina) o Pirimidina (Timina e Citosina)], 
  • uno zucchero a cinque atomi di carbonio (zucchero ribosio in caso di RNA e zucchero desossiribosio in caso di DNA) 
  • e un gruppo fosfato.

Q3 Qual è la funzione dei nucleotidi?

Risposta: La funzione primaria di un nucleotide è costruire DNA e RNA, che memorizzano le informazioni genetiche di un organismo. I nucleotidi sono anche coinvolti nelle vie di segnalazione cellulare (il cAMP agisce come messaggero secondario). Nucleotidi come ATP e GTP sono spesso coinvolti nei meccanismi energetici del corpo. Alcuni nucleotidi come NAD, NADH, NADP, NADPH ecc., spesso agiscono come cofattore per gli enzimi che svolgono vari processi metabolici.

Q4 Dove si trovano i nucleotidi?

Risposta: I nucleotidi sono abbondantemente presenti nelle cellule nucleo in quanto sono gli elementi costitutivi del DNA o RNA. Alcuni nucleotidi sono presenti nel citoplasma poiché sono coinvolti anche nelle vie biochimiche. Infine, i nucleotidi coinvolti nelle vie di segnalazione cellulare sono presenti anche in ambienti extracellulari.

Q5 Il DNA è un nucleotide?

Risposta: Il DNA comprende un gran numero di nucleotidi. Pertanto, è noto come polinucleotide. 

Q6 Cos'è un diagramma nucleotidico?

Risposta: Per i dettagli sulla struttura dei nucleotidi CLICCA QUI

Q7 Come si forma il nucleotide?

Risposta: La formazione dei nucleosidi è il passaggio principale nella formazione dei nucleotidi. Un nucleoside viene sintetizzato dopo che uno zucchero pentoso si lega a una base azotata attraverso un legame N-glicosidico. Il nucleoside formato reagisce con un gruppo fosfato e subisce una reazione di esterificazione per produrre nucleotide. Chimicamente, un nucleotide è un estere fosfato del nucleoside.

Q8 nucleotide vs nucleoside

Risposta: La differenza fondamentale tra un nucleotide e un nucleoside è la presenza del gruppo fosfato. Il nucleoside contiene base azotata e uno zucchero ribosio mentre la base azotata contiene base azotata, zucchero ribosio e un gruppo fosfato.

Q9 Quali nucleotidi si accoppiano con la citosina?

Risposta: La guanina forma una coppia di basi complementari con la citosina. La guanina forma tre legami idrogeno con la citosina. Questa coppia di basi guanina e citosina è una delle principali forze stabilizzanti nel DNA.

Q10 Nome il nucleotide non si trova nell'RNA?

Risposta: La timina non si trova nell'RNA. L'uracile si trova solo in RNA in sostituzione della timina. La timina è coinvolta nei meccanismi di riparazione, ma nell'RNA non è richiesto alcun meccanismo di riparazione del genere. Quindi L'RNA contiene uracile al posto della timina.

Q11 quale nucleotide è sempre associato alla timina?

Risposta: L'adenina si accoppia sempre con la timina. La coppia di basi complementari per la timina è l'adenina nel sistema biologico. L'adenina di un filamento di DNA forma due legami idrogeno con la timina di un altro filamento di DNA che contribuisce alla stabilizzazione del DNA.

Q12 Dove si trova il nucleotide nella cellula?

Risposta: i nucleotidi si trovano nell'intero protoplasma della cellula. Ma abbondantemente trovato nel nucleo. I nucleotidi si trovano anche nel citoplasma e negli ambienti extracellulari.

Q13 dove si trova il nucleotide su un filamento di DNA?

Risposta: Il filamento di DNA è noto come filamento polinucleotidico; quindi è costituito da più unità di nucleotidi. I nucleotidi si trovano in tutta la lunghezza del DNA.

Q14 Quale nucleotide si accoppierà con la guanina?

Risposta: La citosina presente sull'altro filamento di DNA forma una coppia di basi complementari con la guanina. Si formano tre legami idrogeno tra la citosina di un filamento di DNA e la guanina dell'altro filamento di DNA.

Q16. Nominare i tre componenti di un singolo nucleotide?

Risposta: I tre componenti di base di un singolo nucleotide includono: una base azotata (purina o pirimidina), uno zucchero ribosio (ribosio o desossiribosio) e un gruppo fosfato.

Q18. Come si possono confrontare e contrastare nucleotidi e basi azotate?

Risposta: Il nucleotide è l'unità fondamentale degli acidi nucleici (DNA/RNA) che comprende la base azotata, lo zucchero ribosio e il gruppo fosfato. Considerando che l'azoto stesso è uno dei componenti del nucleotide.

Q19. Cosa significa analogo nucleotidico?

Risposta: L'analogo nucleotidico è il derivato di nucleotidi standard o molecole strutturalmente simili che assomigliano a nucleotidi, ma non svolgono la funzione solitamente svolta dai nucleotidi.

Q20. Quali parti del nucleotide del DNA sono più importanti?

Risposta: I nucleotidi sono caratterizzati in base alla presenza di un tipo di base azotata. Quindi, la base azotata è la parte più importante di un nucleotide. Il DNA immagazzina le informazioni genetiche sotto forma di sequenza nucleotidica. La presenza di diverse basi azotate è responsabile della creazione di combinazioni e sequenze nel DNA.

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