Rivista da: Todd Smith, PhD

Definizione Nucleotide

nome, plurale: nucleotidi
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

È l’elemento base dell’acido nucleico; un composto organico formato da una base azotata, uno zucchero e un gruppo fosfato.

I nucleotidi forniscono anche energia chimica sotto forma di trifosfati nucleosidici. Inoltre, partecipano alla segnalazione cellulare e formano un secondo messaggero nei processi cellulari.

Etimologia: “nucleo”- (“nucleo”) + -ide (suffisso chimico)

Panoramica

Un nucleotide è considerato il blocco di base dell’acido nucleico (ad esempio DNA e RNA). Un acido nucleico, a sua volta, è uno dei principali gruppi di biomolecole (gli altri sono carboidrati, proteine e aminoacidi). Gli acidi nucleici sono coinvolti nella conservazione, replicazione ed espressione delle informazioni ereditarie.

Caratteristiche

Un nucleotide è un composto organico formato da tre subunità: una base azotata, uno zucchero a cinque carboni e un gruppo fosfato. La componente di zucchero può essere ribosio o desossiribosio. Il ribosio è il componente zuccherino dei nucleotidi che compongono l’RNA. Lo zucchero desossiriboso è il componente zuccherino del DNA. Ogni gruppo fosfato collega gli anelli di zucchero di due monomeri nucleotidici adiacenti. I gruppi fosfato e le società di zucchero formano la spina dorsale di un acido nucleico. Nel DNA, l’orientamento dei due filamenti è in direzioni opposte. Questo per permettere l’accoppiamento complementare delle basi tra i costituenti delle nucleobasi. Oltre alla lunga catena di acidi nucleici, i nucleotidi si presentano anche in forme cicliche. I nucleotidi ciclici si formano quando il gruppo fosfato è legato due volte alla frazione di zucchero, in particolare ai due gruppi ossidrilici dello zucchero costituente.

A parte il ruolo dei nucleotidi come subunità degli acidi nucleici, essi sono anche portatori di energia. Trasportano energia chimica che la cellula utilizza per alimentare varie attività cellulari. L’adenosina trifosfato (ATP) è di gran lunga la più usata.

Nucleosidi vs. Nucleotidi

I nucleotidi non devono essere confusi con i nucleosidi, che sono anch’essi zuccheri a 5 carati con una base azotata. I nucleosidi non hanno un gruppo fosfato. Quando un nucleoside è legato a un gruppo fosfato, produce un nucleotide. (Rif. 1) Così, un nucleotide è anche indicato come nucleoside monofosfato (se con un solo gruppo fosfato), nucleoside difosfato (con due gruppi fosfato), o nucleoside trifosfato (quando con tre gruppi fosfato). A seconda del componente di zucchero pentoso, un nucleoside può essere un ribonucleoside o un deossiribonucleoside. Un ribonucleoside è un nucleoside con un ribosio (componente di zucchero). In base alla componente nucleobase, il ribonucleoside può essere adenosina, guanosina, citidina, uridina o 5-metiluridina. Un deossiribonucleoside è un nucleoside con deossiribosio. Allo stesso modo, in base al componente della nucleobase, un deossiribonucleoside può essere deossiadenosina, deossiguanosina, deossicitidina, deossitimidina o deossiuridina. Inoltre, a seconda del componente della nucleobase, i nucleosidi possono essere raggruppati nella purina “a doppio anello” o nella pirimidina “a singolo anello”.

Classificazione

I nucleotidi fondamentali sono divisi in purine e pirimidine in base alla struttura della base azotata. Le basi puriniche comprendono l’adenina e la guanina, mentre le basi pirimidiniche sono la timina, la citosina e l’uracile. Nell’RNA l’uracile sostituisce la timina (la timina è prodotta aggiungendo metile all’uracile). (Rif. 2)

Le nucleobasi che compongono l’acido nucleico servono a distinguere le molecole di DNA da quelle di RNA. Nel DNA, la timina si accoppia in modo complementare all’adenina, mentre nell’RNA l’uracile si accoppia all’adenina. Gli accoppiamenti delle nucleobasi C-G e A-T (o A-U nell’RNA) sono detti complementi di base.

Tipi

Esempi di nucleotidi con un solo gruppo fosfato:

• adenosina monofosfato (AMP)
• guanosina monofosfato (GMP)
• citidina monofosfato (CMP)
• uridina monofosfato (UMP)
• adenosina monofosfato ciclico (cAMP)
• guanosina monofosfato ciclico (cGMP)
• citofosfato ciclico (cCMP)
• monofosfato di uridina ciclico (cUMP)
• monofosfato di desossiadenosina (dAMP)
• monofosfato di guanosina (dGMP)
• deossicitidina monofosfato (dCMP)
• (deossi)timidina monofosfato (dTMP)

Nucleotidi con due gruppi fosfato:

• adenosina difosfato (ADP)
• guanosina difosfato (GDP)
• citidina difosfato (CDP)
• uridina difosfato (UDP)
• deossiadenosina difosfato (dADP)
• diossiguanosina difosfato (dGDP)
• diossicitidina difosfato (dCDP)
• (deossi)timidina difosfato (dTDP)

Nucleotidi con tre gruppi fosfato:

• trifosfato di adenosina (ATP)
• trifosfato di guanosina (GTP)
• trifosfato di citidina (CTP)
• trifosfato di uridina (UTP)
• trifosfato di deossiadenosina (dATP)
• trifosfato di guanosina (dGTP)
• deossicitidina trifosfato (dCTP)
• (deossi)timidina trifosfato (dTTP)

Via della sintesi de novo

I nucleotidi sono prodotti naturalmente dalla via della sintesi de novo o da vie di recupero. (Rif. 4) Nell’uomo, la via di sintesi de novo dei nucleotidi fondamentali avviene principalmente nel fegato. Nella biosintesi delle pirimidine, l’anello si forma attraverso una serie di passaggi che iniziano con la formazione del carbamoil fosfato. (Rif. 1) In primo luogo, il carbamoil fosfato è prodotto da una reazione biochimica che coinvolge bicarbonato, glutammina, ATP (per la fosforilazione), e una molecola di acqua. L’enzima che catalizza la reazione è la carbamoil fosfato sintetasi II situata nel citosol. Successivamente, il carbamoil fosfato viene convertito in carbamoil aspartato dall’enzima aspartato transcarbamilasi. Poi, l’anello si chiude per condensazione intramolecolare, convertendo il carbamoil fosfato in diidroorotato dall’enzima diidroorotasi. Infine, il diidroorotato viene ossidato dalla diidroorotato deidrogenasi (una proteina integrale di membrana nella membrana mitocondriale interna) per convertirsi in orotato. Dopo la formazione dell’anello pirimidinico, il 5-fosfo-α-D-ribosil 1-pirofosfato (PRPP), un fosfato di ribosio, reagisce all’orotato per formare orotidina-5-monophosphate (OMP). L’OMP viene poi decarbossilato dall’enzima OMP decarbossilasi per produrre uridina monofosfato (UMP). Infine, il difosfato di uridina (UDP) e il trifosfato di uridina (UTP) sono prodotti lungo la via biosintetica dalle chinasi e dalla defosforilazione degli ATP. L’UTP può essere convertito in trifosfato di citidina (CTP) per amminazione dell’UTP attraverso l’enzima CTP sintetasi. (Rif. 5)

Nella biosintesi delle purine, le purine possono provenire dal nucleotide inosina monofosfato (IMP). L’IMP, a sua volta, è prodotto da un fosfato di ribosio preesistente che si forma principalmente dagli aminoacidi glicina, glutamina e acido aspartico. Il ribosio 5-fosfato reagisce con l’ATP per produrre il 5-fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP). PRRP ha un ruolo nella sintesi delle purine e delle pirimidine; è anche coinvolto nella formazione di NAD e NADP e nelle vie di recupero. Il PRRP però si impegna particolarmente nella biosintesi delle purine quando il PRRP viene convertito in 5-fosforibosil ammina (avendo il pirofosfato del PRRP sostituito dal gruppo ammidico della glutammina). (Rif. 6) L’IMP viene poi convertito in adenosina monofosfato (AMP) o guanosina monofosfato (GMP).

Degradazione

Le purine guanina e adenina possono essere degradate come segue:

Per quanto riguarda il GMP, il composto viene prima idrolizzato e convertito in guanosina. Quest’ultima viene poi scissa in guanina libera. (Rif. 7)

• Guanina (via guanasi) ” xantina (via xantina ossidasi) ” acido urico
• Adenosina “” inosina (via purina nucleoside fosforilasi) ” ipoxantina (via xantina ossidasi) ” xantina (via xantina ossidasi) ” acido urico

Come risultato della degradazione della purina, viene prodotto l’acido urico. Negli esseri umani, l’acido urico viene rilasciato dal fegato e da altre fonti di tessuto nel flusso sanguigno attraverso il quale raggiunge il rene. Viene poi espulso dal corpo attraverso le urine.

Le purine provenienti dal catabolismo possono essere recuperate e riutilizzate come segue: (Rif. 6)

• L’adenina è recuperata dall’enzima adenina fosforibosiltransferasi (APRT), convertendola in adenilato
• Guanina e ipoxantina sono recuperate dall’enzima ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (HGPRT), formando guanilato o IMP

Le pirimidine che sono degradate possono essere riciclate da una via di recupero. (Rif. 1) Le nucleobasi sono recuperate per essere riutilizzate dopo la degradazione dell’RNA e del DNA. Le vie di recupero delle pirimidine sono le seguenti:

• La citosina è convertita in uracile per deaminazione. Tramite l’uridina fosforilasi, l’uracile viene convertito in uridina reagendo con il ribosio-1-fosfato. Attraverso l’enzima nucleoside chinasi, l’uridina viene convertita in uridina monofosfato (UMP).
• La timina viene convertita in timidina reagendo con il desossiribosio-1-fosfato e dall’enzima timidina fosforilasi. La timidina viene poi convertita in timidina monofosfato dall’enzima nucleoside chinasi. La timidina chinasi, in particolare, è un enzima della via di salvataggio della pirimidina che catalizza la fosforilazione della timidina in timidina monofosfato. (Rif.8)

Funzioni biologiche

Oltre a servire come precursori degli acidi nucleici, i nucleotidi servono anche come importanti cofattori nella segnalazione e nel metabolismo cellulare. Questi cofattori includono CoA, flavin adenina dinucleotide (FAD), flavin mononucleotide, adenosina trifosfato (ATP), e nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (NADP). I trifosfati nucleosidici, in particolare, trasportano pacchetti di energia chimica che viene utilizzata in molte attività cellulari che richiedono energia, ad esempio la sintesi degli amminoacidi, la sintesi delle proteine, la divisione cellulare, i movimenti interni e intercellulari, ecc.

Vedi anche

• Acido nucleico
• Acido desossiribonucleico
• Acido bibonucleico
• Nucleoside

1. PURINE E PIRIMIDINE. (2020). Utah.Edu. https://library.med.utah.edu/NetBiochem/pupyr/pp.htm
2. Bera, P. P., Nuevo, M., Materese, C. K., Sandford, S. A., & Lee, T. J. (2016). Meccanismi di formazione della timina in condizioni astrofisiche e implicazioni per l’origine della vita. Il Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nucleotidi. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. Nucleotide Salvage – an overview | ScienceDirect Topics. (2018). Sciencedirect.Com. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). Biosintesi delle pirimidine. Recuperato dal sito Slideshare.net: www.slideshare.net/kskuldeep1995/pyrimidine-biosynthesis-46874172
6. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Lubert Stryer. (2016). Passi chiave nella biosintesi dei nucleotidi sono regolati da inibizione di feedback. Nih.Gov; W H Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22428/
7. Capitolo 21: Biosintesi di aminoacidi, nucleotidi e molecole correlate. (2020). Bioinfo.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). Espressione immunoistochimica della timidina chinasi citosolica in pazienti con carcinoma della mammella. Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

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