Nucleotide

In chimica, i nucleotidi sono molecole presenti in tutti gli organismi viventi come monomeri degli acidi nucleici (DNA e RNA) e come molecole isolate che svolgono importanti funzioni metaboliche.^[1]

Il nucleotide adenosina monofosfato è formato dallo zucchero a cinque atomi di carbonio ribosio (al centro), la base azotata adenina (a destra) e un gruppo fosfato (a sinistra). La base azotata legata allo zucchero formano un nucleoside, che legato al fosfato forma un nucleotide.

Sono costituiti da tre gruppi:

• una base azotata, purinica o pirimidinica
• uno zucchero a cinque atomi di carbonio (zucchero pentoso), che insieme alla base azotata costituisce un nucleoside
• uno o più gruppi fosfato (residuo fosforico)

Le basi puriniche sono adenina e guanina, nel DNA come nell'RNA; le basi pirimidiniche sono citosina e timina nel DNA, citosina e uracile nell'RNA. Lo zucchero pentoso è il ribosio nell'RNA ed il desossiribosio nel DNA. I nucleotidi possono contenere fino a tre gruppi fosfato, che al momento della sintesi dell'acido nucleico vengono ridotti a uno.

Due dei nucleotidi più importanti dal punto di vista metabolico sono l'adenosina trifosfato (ATP) che funge da fondamentale riserva di energia e la guanosina monofosfato ciclico (cGMP) che regola importanti processi biologici.^[1]

Struttura chimica

Componenti fondamentali

Un nucleotide è costituito da tre parti:

1. Base azotata: può essere una purina (adenina o guanina) o una pirimidina (citosina o timina nel DNA, citosina o uracile nell'RNA). Le purine hanno una struttura biciclica (un anello a 6 atomi fuso con uno a 5), mentre le pirimidine sono monocicliche (anello a 6 atomi).
2. Zucchero pentoso
   • Ribosio (RNA): formula C₅H₁₀O₅, con un gruppo ossidrile (-OH) al carbonio 2'.
   • Desossiribosio (DNA): formula C₅H₁₀O₄, con un idrogeno (-H) al carbonio 2' invece dell’-OH.
3. Gruppo fosfato: legato al carbonio 5' dello zucchero tramite un legame estere. Nei nucleotidi liberi (cioè non facenti parte di un acido nucleico, come l'ATP), possono essere presenti fino a tre gruppi fosfato (mono-, di- o trifosfato).

Legami chimici

• Legame glicosidico: collega il carbonio 1' dello zucchero al gruppo amminico della base azotata (N9 per purine, N1 per pirimidine).
• Legame fosfodiestere: unisce il fosfato al carbonio 5' di uno zucchero e al carbonio 3' dello zucchero successivo, formando la spina dorsale degli acidi nucleici.

Struttura 3D

• DNA: forma una doppia elica antiparallela stabilizzata da legami idrogeno tra basi complementari (A-T, C-G) e interazioni idrofobiche tra basi impilate.
• RNA: struttura a singolo filamento, ma può ripiegarsi in forme complesse (es. tRNA, ribozimi) grazie a legami idrogeno intramolecolari.

Differenze tra DNA e RNA

1. Stabilità chimica

• DNA: la mancanza del gruppo -OH al C2' nel desossiribosio riduce l’idrolisi alcalina, rendendo il DNA più stabile per la conservazione del materiale genetico a lungo termine.
• RNA: il gruppo -OH al C2' del ribosio lo rende suscettibile all’idrolisi in condizioni basiche, limitandone la durata.

2. Basi azotate

• DNA: contiene timina (5-metiluracile), che forma due legami idrogeno con l’adenina. La timina evita errori di replicazione: l’uracile (derivato dalla citosina deaminata) viene riconosciuto come danno e riparato.
• RNA: utilizza uracile al posto della timina. L’uracile richiede meno energia per la sintesi ed è adatto a molecole a breve vita come l’RNA.

3. Struttura e funzioni

DNA

• Struttura a doppia elica (Watson e Crick, 1953).
• Funzione primaria Conservazione e trasmissione dell’informazione genetica.

RNA

• Struttura flessibile Può formare eliche corte, loop e pseudonodi (es. mRNA, rRNA, tRNA).
• Funzioni diversificate
  • mRNA Trasporta l’informazione dal DNA ai ribosomi.
  • tRNA Adatta i codoni dell’mRNA agli amminoacidi.
  • rRNA: Componente strutturale e catalitico dei ribosomi.
  • RNA non codificanti Regolazione genica (es. miRNA, siRNA).

Nomenclatura

I nomi dei nucleotidi sono abbreviati in codici standard di tre o quattro lettere. Un'eventuale "d" iniziale sta per "desossi-", cioè indica che il nucleotide in questione è un desossiribonucleotide, come nel DNA; nel caso di un ribonucleotide semplicemente non è presente la "d", come nell'RNA. La seconda lettera indica il nucleoside, e precisamente:

• G sta per guanosina, corrispondente alla base azotata guanina
• A sta per adenosina, corrispondente alla base azotata adenina
• T sta per timidina (che non essendo presente nell'RNA, dove viene sostituita dall'uridina, è un desossinucleoside), corrispondente alla base azotata timina
• C sta per citidina, corrispondente alla base azotata citosina
• U sta per uridina (che non è presente nel DNA e prende il posto della timidina nell'RNA), corrispondente alla base azotata uracile

Desossicitidina 5'-monofosfato

La terza lettera indica la lunghezza della catena di gruppi fosfato attaccata al carbonio 5' dello zucchero. Nel DNA e nell'RNA c'è un solo gruppo fosfato per unità ripetitiva, quindi si utilizza solo il prefisso mono-, abbreviato in M; nella reazione di una DNA o di una RNA polimerasi, invece, ogni desossinucleotide in ingresso nella catena in costruzione è trifosfato, quindi nell'indicarlo si usa il prefisso tri-, abbreviato in T. La quarta lettera indica la presenza di gruppi fosfato (P).

Ad esempio, la desossicitidina 5'-monofosfato è abbreviata con dCMP; la d perché è un desossiribonucleotide, la C perché la base azotata contenuta è la citosina, "MP" perché lo zucchero che vi si trova (il desossiribosio) è monofosfato al carbonio 5'. (N.B. nella figura che segue sarebbe più corretto parlare di nucleotide monofosfato e nucleotide difosfato e non nucleoside monofosfato e nucleoside difosfato, in quanto è visibile il legame e la presenza della base azotata).

Elementi costitutivi di nucleotidi comuni