I nucleotidi: struttura e componenti

Prima di parlare di DNA e di doppia elica conviene fermarsi sul mattone elementare: il nucleotide. Capire come sono fatti i nucleotidi — e come si distinguono dai nucleosidi — spiega quasi tutto ciò che segue, dalla complementarità delle basi alla differenza chimica tra DNA e RNA. È un punto di partenza obbligato per chiunque lavori con acidi nucleici in laboratorio.

Vediamo da quali tre parti è fatto un nucleotide, che differenza c’è fra purine e pirimidine, perché il ribosio e il desossiribosio non sono la stessa cosa e come si nominano le forme con uno, due o tre fosfati.

Le tre parti di un nucleotide

Ogni nucleotide nasce dall’unione di tre componenti: una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio (un pentosio) e uno o più gruppi fosforici. La base si lega all’atomo di carbonio C1′ del pentosio, mentre il fosfato si attacca tipicamente al C5′ (o, meno spesso, al C3′). È il modulo che, ripetuto migliaia o milioni di volte e saldato dai legami fosfodiesterici, costruisce le lunghe catene di DNA e RNA. La parte variabile, quella che porta l’informazione, è soltanto la base: lo scheletro zucchero-fosfato è invece uguale in ogni nucleotide.

base — zucchero (C1′) − fosfato (C5′)  =  nucleotide

Nucleoside e nucleotide: non confonderli

La distinzione è sottile ma importante. Una base unita al solo zucchero, senza fosfato, si chiama nucleoside; quando si aggiunge almeno un gruppo fosforico si ottiene un nucleotide. Per questo un 5′-nucleotide può essere chiamato anche nucleoside-5′-fosfato. La differenza pratica è netta: il fosfato porta cariche negative, quindi un nucleotide è un anione, mentre il nucleoside è neutro. Nella cellula i nucleotidi liberi, carichi, si associano spesso allo ione Mg²⁺, che ne neutralizza la carica e ne governa la reattività nelle reazioni metaboliche.

Purine e pirimidine

Le basi azotate sono molecole planari, aromatiche ed eterocicliche, e si dividono in due famiglie. Le purine hanno un doppio anello: sono l’adenina (A) e la guanina (G). Le pirimidine hanno un anello singolo: sono la citosina (C), la timina (T) e l’uracile (U). Un dettaglio strutturale spesso trascurato: le purine si legano al pentosio attraverso il loro atomo N9, mentre le pirimidine usano l’atomo N1. Questo cambia il punto di aggancio, ma non il principio: ogni base si appende allo zucchero in una posizione precisa e ben definita.

Ribosio contro desossiribosio

Il pentosio non è sempre lo stesso. Nei ribonucleotidi (RNA) lo zucchero è il ribosio; nei desossiribonucleotidi (DNA) è il 2′-desossiribosio, identico al ribosio tranne che per l’assenza del gruppo ossidrilico (–OH) sul carbonio in posizione 2′, sostituito da un semplice idrogeno. Una sola differenza, un solo –OH in meno, ma con conseguenze enormi sulla stabilità e sul ruolo biologico delle due molecole, come si vede nell’articolo dedicato alle differenze tra DNA e RNA. La numerazione con l’apice (1′, 2′, 5′) si riferisce sempre agli atomi dello zucchero, per distinguerli da quelli della base.

Mono, di e trifosfato

Il numero di gruppi fosforici legati al C5′ determina la nomenclatura: con uno, due o tre fosfati si hanno rispettivamente i nucleosidi monofosfato, difosfato e trifosfato. L’esempio più noto è l’ATP (adenosina trifosfato), la «moneta energetica» della cellula: la stessa adenosina che, ridotta a un solo fosfato, diventa l’AMP che entra nel DNA. I nucleotidi non sono dunque solo mattoni genetici, ma anche trasportatori di energia e segnali chimici, presenti in moltissime reazioni metaboliche.

Perché conta nella pratica

Per chi maneggia acidi nucleici — dall’estrazione del DNA alla PCR, dalla sintesi di oligonucleotidi alla terapia genica — conoscere l’anatomia del nucleotide è la base di tutto. La presenza o assenza dell’–OH in 2′ spiega perché l’RNA è più fragile del DNA; la carica del fosfato spiega perché gli acidi nucleici migrano in un campo elettrico (elettroforesi) e perché servono ioni come il Mg²⁺; la distinzione purina/pirimidina è alla radice delle regole di appaiamento. Capire il mattone significa capire l’edificio.

Domande frequenti

Da quali parti è composto un nucleotide?

Da tre componenti: una base azotata (purinica o pirimidinica), uno zucchero a cinque atomi di carbonio (ribosio nell’RNA, 2′-desossiribosio nel DNA) e uno o più gruppi fosforici. La base si lega al carbonio C1′ del pentosio e il fosfato al C5′. L’unione di molti nucleotidi tramite legami fosfodiesterici forma le catene di DNA e RNA.

Qual è la differenza tra nucleoside e nucleotide?

Il nucleoside è formato dalla sola base unita allo zucchero, senza fosfato; il nucleotide aggiunge almeno un gruppo fosforico ed è quindi un nucleoside-fosfato. La differenza pratica è la carica: il fosfato rende il nucleotide un anione, mentre il nucleoside è neutro. Per questo i nucleotidi liberi in cellula si associano allo ione Mg²⁺.

Quali sono le purine e quali le pirimidine?

Le purine, con doppio anello, sono adenina (A) e guanina (G); le pirimidine, con anello singolo, sono citosina (C), timina (T) e uracile (U). Le purine si legano al pentosio tramite l’atomo N9, le pirimidine tramite l’N1. Il DNA contiene A, G, C, T; l’RNA contiene A, G, C, U.

In che cosa il ribosio differisce dal desossiribosio?

Il 2′-desossiribosio è identico al ribosio tranne che per l’assenza del gruppo ossidrilico (–OH) sul carbonio in posizione 2′, dove c’è solo un idrogeno. Il ribosio si trova nell’RNA, il desossiribosio nel DNA. Quel singolo –OH in meno rende il DNA più stabile e l’RNA più reattivo e meno duraturo.

Che cosa sono i nucleotidi mono, di e trifosfato?

Sono nucleotidi che portano rispettivamente uno, due o tre gruppi fosforici legati al carbonio C5′ dello zucchero. L’esempio più noto è l’ATP (adenosina trifosfato), la principale moneta energetica della cellula. Oltre al ruolo genetico, i nucleotidi servono dunque anche come trasportatori di energia e molecole di segnalazione nel metabolismo.