Differenze principali tra DNA e RNA

Le differenze principali tra DNA e RNA vengono elencate qui di seguito:

1) differiscono innanzitutto per lo zucchero

DNA	RNA
Deossiribosio (o desossiribosio)	Ribosio

2) Differiscono per le  basi azotate

DNA	RNA
C G A T	C G A U

Quindi la differenza riguarda essenzialmente la Timina, sostituita con l'Uracile nell'RNA (1) (2)

Uracile

Come risulta evidente dalle formule di struttura l'unica differenza tra le due basi è un gruppo metilico --CH3 

 3) Differiscono per la struttura

DNA

RNA

Ha la struttura a doppia elica Formata da 2 catene antiparallele, cioè una che inizia con l'estremità 5' e l'altra con l'estremità 3' avvolte l'una sull'altra Le basi in questa doppia elica sono complementari e cioè la citosina è  legata con legami a idrogeno (tre legami) con la guanina mentre  l'adenina è legata con la timina (con due legami). Le basi sono disposte all'interno  e sono  perpendicolari all'asse dell'elica (3)

Spesso è a singolo filamento.  Se presenta l'avvolgimenti, almeno nell'RNA messaggero possono essere momentanei e comunque non si riscontra la perfezione tipica della doppia elica del DNA. Questo non significa che non può avere avvolgimenti complessi ma si tratta di strutture diverse. Vedasi ad esempio la figura dell'RNA transfer cioè di trasporto (4)

 

                                                               Fig. 4 RNA Transfer

4) Differiscono per la funzione

 

DNA	RNA
Detiene l'informazione genetica	Rappresenta una copia del DNA di immediata utilizzazione L'RNA partecipa con funzioni diverse a seconda del tipo (RNA messaggero, RNA Transfer o di trasporto, RNA ribosomiale) alla sintesi delle proteine

Per avere un'idea della funzione dei diversi tipi di RNA si consiglia un semplice video  al seguente link:

http://www.youtube.com/watch?v=8hRSe1w-ZB8

Tale video, dopo aver esemplificato la trascrizione di un gene dal DNA, pone in evidenza come l'mRNA viene tradotto in proteina.

Un nucleotide particolare: L'ATP (Adenosintrifosfato)

Ogni volta che alla cellula occorre energia nell'immediato interviene una molecola specializzata ad immagazzinare energia a breve termine: L'ATP.

L'utilizzazione di questa molecola è molto più rapida rispetto a quella richiesta per degradare i trigliceridi o l'amido che sono le molecole che finora avevamo indicato come "immagazzinatori" di energia. Quindi è questa la differenza fondamentale

Vediamo come è fatta questa molecola: (6)

 

In realtà i tre legami che uniscono il fosforo all'ossigeno sono legami altamente energetici e cioè legami che, se idrolizzati, liberano una notevole quantità di energia ed andrebbero indicati non con un segmento come gli qualsiasi legame covalente ma con il segno ondulato.

Quando alla cellula serve energia l'ATP si idrolizza e si trasforma in ADP che poi può essere ricaricato attraverso l'energia fornita dalla degradazione di molecole organiche ed in particolare del glucosio, fonte primaria di energia per gli organismi viventi. La reazione libera 7 kcal/mol

ATP + H2O ---˃  ADP + Pi + energia

come esemplificato nella figura seguente

Gli acidi nucleici (DNA e RNA)

Chiariamo innanzitutto il loro nome

Perché si chiamano acidi?

Perché evidentemente al loro interno sono presenti dei gruppi funzionali con proprietà acide.

Perché nucleici? Perché sono stati isolati per la prima volta nel nucleo.

Ciò non significa però che si trovano sempre e solo all'interno del nucleo per due motivi:

1) perché non tutti gli organismi sono formati da cellule contenenti un nucleo. I procarioti infatti il nucleo non ce l'hanno pur possedendo materiale genetico formato da DNA

2) perché anche negli organismi formati da cellule con un nucleo (eucarioti) l'RNA, una volta prodotto, svolgerà la sua funzione  nel citoplasma

Come già esplicitato nella tabella riassuntiva dei composti principali degli organismi viventi, gli acidi nucleici sono polimeri formati da monomeri che si chiamano nucleotidi.

Ora andiamo a vedere come è formato un singolo nucleotide:

E' formato  da tre molecole legate tra loro che sono:

1) uno zucchero con 5 atomi di carbonio (ribosio nell'RNA, deossiribosio nel DNA) (1)

L'unica differenza tra i due zuccheri è il gruppo ossidrilico legato al carbonio in posizione 2' che, nel deossiribosio  è ridotto nel senso che è sostituito da un atomo di idrogeno.

2) una molecola di acido fosforico (H3PO4) - chiamato spesso fosfato per indicare che, in ambiente acquoso come quello esistente negli organismi viventi,  esiste in  forma dissociata

3) una base azotata cioè una molecola con caratteristiche basiche contenente azoto

Le basi possono essere puriniche (Adenina e Guanina) e pirimidiniche (Citosina, Timina nel DNA e Citosina e Uracile nell'RNA)

Le basi puriniche e pirimidiniche sono derivate rispettivamente  dalla purina e dalla pirimidina che hanno le seguenti formule (2)

In realtà la purina è formata da due anelli condensati, uno esagonale che è la pirimidina, il secondo  pentagonale chiamato imidazolo.

Chiaramente rispetto a queste molecole di base avremo ogni volta delle varianti nel senso che abbiamo  dei gruppi funzionali che variano a seconda della base.

Nella seguente figura osserviamo l'adenina che è l'unica base di cui quest'anno impareremo la formula (3)

Si noti che, rispetto alla formula del libro di testo, è rigirata.

Si fa notare l'errore  di stampa del testo quando afferma che un nucleotide è formato da una base azotata che contiene 4 atomi di azoto, affermazione corretta per le basi puriniche ma non per quelle pirimidiniche.

Torniamo alla formula dell'adenina. Questa molecola ha caratteristiche basiche nonostante non contenga nessun gruppo OH─ da liberare. Quindi la molecola ha caratteristiche basiche in base alla definizione di Bronsted-Lowry che invito a ripassare. Stesso discorso vale anche per le altre basi azotate degli acidi nucleici.

Ora vediamo come le tre molecole sono legate tra di loro:

Lo zucchero lega:

1)  con il gruppo ossidrilico del carbonio in posizione 5' una molecola di acido fosforico (con un legame estere)

2) con il gruppo ossidrilico del carbonio in posizione 1' lega la base azotata (legame glicosidico), esattamente con l'azoto in posizione 9 se il legame è con una base purinica ed in posizione 1 se la base è pirimidina. (4)

Ma come sono legati i nucleotidi tra di loro?

Si forma una scheletro formato dall'alternarsi di uno zucchero e di un acido fosforico su cui si inseriscono le basi. Si parla di uno scheletro zucchero fosfodiesterico (cioè due legami estere)

In particolare lo zucchero lega un gruppo fosfato come già descritto in precedenza, cioè con il carbonio in posizione 5' ed un altro gruppo, sempre fosfato, con il gruppo ossidrilico del carbonio in posizione 3'. Entrambi sono legami estere  (5)

La sequenza viene spesso semplificata sostituendo al gruppo fosfato il simbolo P. Anche le basi spesso vengono scritte in modo semplificato. A volte semplicemente come C,G,T,A,U cioè le lettere maiuscole delle loro iniziali.

Si noti inoltre che la catena ha una sua polarità. Quella che termina con il gruppo fosfato è chiamata estremità 5'.

Quella che termina con il gruppo ossidrilico in posizione 3' libero (e quindi con uno zucchero) è chiamata estremità 5'.

Ma dove è scritto il codice genetico?

Non è possibile che sia scritto nello scheletro formato dall'alternarsi di zucchero ed acido fosforico. Se così fosse  gli organismi avrebbero tutti lo stesso codice e sarebbero tutti uguali. Per forza di cose allora deve essere scritto nelle basi e non nelle singole  basi ma nelle loro sequenze.

Per convenzione, quando deve essere indicata una sequenza di basi che corrisponde ad una certa proteina (cioè un gene) si scrive tale sequenza in direzione 5'---˃  3'

N:B: Il DNA contiene in codice tutte le informazioni per la sintesi delle proteine.

C'è una corrispondenza tra le sequenze del DNA e quelle delle proteine nel senso che tre basi (tripletta) corrispondono ad un singolo amminoacido.

C'è una domanda cui però dobbiamo rispondere (chi ci arriva sarà premiato/a):

Visto che gli organismi viventi sono fatti non solo da proteine ma anche da carboidrati, lipidi, glicolipidi ecc. come fa il DNA a controllare la sintesi di tutte le altre molecole?