Link al fosfodiestere: come è formato, funzione ed esempi

I legami fosfodiestere sono i legami covalenti che si verificano tra due degli atomi di ossigeno di un gruppo fosfato e i gruppi ossidrile di altre due molecole. In questo tipo di legami il gruppo fosfato agisce come un "ponte" di unione stabile tra le due molecole attraverso i loro atomi di ossigeno.

Il ruolo fondamentale dei legami fosfodiestere in natura è quello della formazione dei filamenti di acido nucleico sia del DNA che dell'RNA. Insieme agli zuccheri pentosi (desossiribosio o ribosio, a seconda dei casi) i gruppi fosfato fanno parte della struttura portante di queste importanti biomolecole.

Le catene nucleotidiche di DNA o RNA, come le proteine, possono assumere diverse conformazioni tridimensionali che sono stabilizzate da legami non covalenti, come i legami idrogeno tra basi complementari.

Tuttavia, la struttura primaria è data dalla sequenza lineare dei nucleotidi legati in modo covalente mediante legami fosfodiesteri.

Come si forma un legame fosfodiestere?

Come legami peptidici in proteine ​​e legami glicosidici tra monosaccaridi, i legami fosfodiestere derivano da reazioni di disidratazione in cui una molecola d'acqua viene persa. Ecco il profilo generale di una di queste reazioni di disidratazione:

HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O

Gli ioni fosfato corrispondono alla base del coniugato completamente deprotonato dell'acido fosforico e sono chiamati fosfati inorganici, la cui abbreviazione è indicata con Pi. Quando due gruppi fosfato sono collegati insieme si forma un legame fosfato anidro e si ottiene una molecola nota come pirofosfato inorganico o PPi.

Quando uno ione fosfato è collegato a un atomo di carbonio di una molecola organica, il legame chimico è chiamato estere fosfato e la specie risultante è un monofosfato organico. Se la molecola organica si lega a più di un gruppo fosfato, si formano i difosfati organici o trifosfati.

Quando una singola molecola di fosfato inorganico si lega a due gruppi organici, viene utilizzato un legame fosfodiestere o "diestere fosfato". È importante non confondere i legami fosfodiestere con i legami fosfanoanidici ad alta energia tra i gruppi fosfato di molecole come l'ATP, per esempio.

I legami fosfodiestere tra nucleotidi adiacenti sono costituiti da due legami di fosforo che si verificano tra l'idrossile nella posizione 5 'di un nucleotide e l'idrossile nella posizione 3' del prossimo nucleotide su un filamento di DNA o RNA.

A seconda delle condizioni del terreno, questi legami possono essere idrolizzati sia enzimaticamente che non enzimaticamente.

Enzimi coinvolti

La formazione e la rottura dei legami chimici è cruciale per tutti i processi vitali come li conosciamo, e il caso dei legami fosfodiestere non fa eccezione.

Tra gli enzimi più importanti che possono formare questi legami sono DNA o RNA polimerasi e ribozimi. Gli enzimi fosfodiesterasi sono in grado di idrolizzarli enzimaticamente.

Durante la replicazione, un processo cruciale per la proliferazione cellulare, in ogni ciclo di reazione un dNTP (deossinucleotide trifosfato) complementare alla base del modello viene incorporato nel DNA mediante una reazione di trasferimento nucleotidica.

La polimerasi è responsabile della formazione di un nuovo legame tra il 3'-OH del filo modello e l'α-fosfato di dNTP, grazie all'energia rilasciata dalla rottura dei legami tra i fosfati α e β di dNTP, che sono collegati da legami fosfoanidici.

Il risultato è l'estensione della catena da parte di un nucleotide e il rilascio di una molecola di pirofosfato (PPi). È stato determinato che queste reazioni meritano due ioni magnesio bivalente (Mg2 +), la cui presenza consente la stabilizzazione elettrostatica del nucleofilo OH- per ottenere l'approssimazione verso il sito attivo dell'enzima.

Il pK a di un legame fosfodiestere è vicino a 0, quindi in una soluzione acquosa questi legami sono completamente ionizzati, caricati negativamente.

Ciò conferisce alle molecole di acido nucleico una carica negativa, che viene neutralizzata grazie alle interazioni ioniche con le cariche positive dei residui di aminoacidi proteici, al legame elettrostatico con ioni metallici o all'associazione con le poliammine.

In una soluzione acquosa i legami di fosfodiestere nelle molecole di DNA sono molto più stabili rispetto alle molecole di RNA. In una soluzione alcalina, detti legami nelle molecole di RNA vengono scissi mediante spostamento intramolecolare del nucleoside all'estremità 5 'mediante un ossi-no 2'.

Funzione ed esempi

Come accennato, il ruolo più rilevante di questi collegamenti è la loro partecipazione alla formazione dello scheletro delle molecole di acido nucleico, che sono le molecole più importanti nel mondo cellulare.

L'attività degli enzimi topoisomerasi, che sono attivamente coinvolti nella replicazione del DNA e nella sintesi proteica, dipende dall'interazione dei legami fosfodiestere all'estremità 5 'del DNA con la catena laterale dei residui di tirosina nel sito attivo di questi enzimi.

Le molecole che partecipano come secondi messaggeri, come adenosina monofosfato ciclico (cAMP) o guanosina trifosfato ciclico (cGTP), hanno legami fosfodiestere che sono idrolizzati da specifici enzimi noti come fosfodiesterasi, la cui partecipazione è di grande importanza per molti processi di segnalazione cell.

I glicerofosfolipidi, componenti fondamentali delle membrane biologiche, sono composti da una molecola di glicerolo che è collegata da legami fosfodiesterici ai gruppi polari "testa" che costituiscono la regione idrofila della molecola.