Nucleasi
Le nucleasi sono enzimi pancreatici, unitamente a lipasi, proteasi e amilasi, che scindono i legami fosfodiesterici nei polinucleotidi e pertanto hanno la capacità di degradare il DNA o l’RNA. L’RNA e il DNA presentano solo due tipi di legami fosfodiesterici per la scissione, 5′ o 3′ di un fosfato, e la chimica fondamentale è la sostituzione nucleofila SN2 detta anche bimolecolare.
Le nucleasi del DNA, abbreviate comunemente DNAasi, svolgono un ruolo cruciale in vari processi di riparazione del DNA, che coinvolgono la replicazione del DNA e la riparazione della rottura del doppio filamento al fine di mantenere l’integrità del genoma, per preparare le estremità del DNA per la ricombinazione.
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Le ribonucleasi, abbreviate comunemente RNasi, sono delle nucleasi che catalizzano l’idrolisi dell’acido ribonucleico e degradano anche l’RNA per rimuovere gli mRNA difettosi che non possono essere tradotti, per regolare l’espressione genetica
Tuttavia, le strutture e i meccanismi catalitici delle nucleasi di RNA e DNA sono molto vari e complessi. Le nucleasi possono essere costituite da proteine o da RNA e utilizzano acqua, desossiribosio, fosfato inorganico o le catene laterali di serina, tirosina o istidina come nucleofilo. La catalisi può richiedere o meno ioni metallici e inoltre, le attività della nucleasi sono strettamente regolate da una rigorosa specificità del substrato, localizzazione confinata o da potenti inibitori per evitare la degradazione indesiderata o incontrollata del DNA e dell’RNA cellulare.
Modalità di azione delle nucleasi
I prodotti di scissione della nucleasi del DNA e dell’RNA sono simili perché entrambi gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. I nucleotidi, che sono gli elementi costitutivi degli acidi nucleici, sono composti da una base purinica ovvero adenina o guanina oppure pirimidinica ovvero citosina o timina nel DNA e citosina o uracile nell’RNA.
![legame fosfodiesterico legame fosfodiesterico](https://chimicamo.org/wp-content/uploads/2024/02/legame-fosfodiesterico-177x300.jpg)
La base è legata a uno zucchero ovvero desossiribosio nel DNA o ribosio nell’RNA mediante un legame N-glicosidico e lo zucchero viene fosforilato nella posizione 3′ o 5′. Il DNA è un polimero di nucleotidi di desossiribosio e l’RNA è un polimero di nucleotidi di ribosio.
I nucleotidi sono uniti tra loro da legami fosfodiesterici che legano il gruppo 5′-fosfato di un nucleotide al gruppo 3′-idrossile (-OH) del nucleotide adiacente. Si ritiene che la scissione dei legami fosfodiesterici avvenga mediante una catalisi acido-base, in cui la base attiva il nucleofilo mediante deprotonazione e l’acido facilita la formazione del prodotto protonando il gruppo uscente.
Nucleofili
Le nucleasi utilizzano una varietà di nucleofili per scindere un legame fosfato. I nucleofili più comuni sono molecole d’acqua deprotonate da una base. Per la scissione del DNA, le catene laterali di Ser, Tyr e His fungono da nucleofili per formare un intermedio covalente fosforile-proteina del DNA, che viene successivamente risolto mediante una reazione di trasferimento del fosforile al DNA.
Gli ossidrili 2′ dell’RNA o ribonucleotidi liberi sono nucleofili aggiuntivi utilizzati dalle RNasi. Il gruppo -OH in posizione 2’ adiacente ad un fosfato scissile spesso funge da nucleofilo e porta alla formazione di un fosfato ciclico labile 2′,3′ che viene poi idrolizzato per produrre un fosfato 3′.
La RNasi PH, ovvero la nucleotidiltransferasi del tRNA, e le polinucleotide fosforilasi, enzimi bifunzionali con un’attività fosforolitica utilizzano il fosfato inorganico come nucleofilo per degradare i virus a RNA a singolo filamento mediante fosforolisi e produrre nucleosidi 5′-difosfati
Classificazione
A seconda della loro specificità e del loro meccanismo di azione le nucleasi possono essere suddivise in:
Le endonucleasi o enzimi di restrizione furono scoperte da Werner Arber, Dan Nathans e Hamilton Smith che vinsero il Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina nel 1978. Esse scindono il legame fosfodiesterico all’interno di una catena polinucleotidica dividendola in due polimeri, con vari gradi di riconoscimento dei siti.
Forniscono i “coltelli chimici” per tagliare i geni in frammenti definiti che possono poi essere utilizzati per determinare l’ordine dei geni sui cromosomi, per analizzare la struttura chimica dei geni e delle regioni del DNA che regolano la funzione dei geni e per creare nuove combinazioni di geni
Le esonucleasi sono enzimi chiave coinvolti in molti aspetti del metabolismo e del mantenimento cellulare e sono essenziali per la stabilità del genoma, che rimuovono i nucleotidi dall’estremità della catena di DNA o RNA, spezzando il legame fosfodiesterico finale e vengono utilizzate per degradare selettivamente il DNA a filamento singolo.
![DNasi DNasi](https://chimicamo.org/wp-content/uploads/2024/02/DNasi-300x167.jpg)
Le DNasi, o desossiribonucleasi, sono selettive nei confronti del DNA anziché dell’RNA e diverse varietà possono tagliare dall’interno o dalle estremità. La DNasi viene spesso utilizzata nella ricerca per rimuovere il DNA contaminante da campioni di RNA e proteine, pulire colture cellulari ed eseguire esperimenti di frammentazione del DNA.
Le RNasi o ribonucleasi sono un ampio gruppo di enzimi idrolitici che degradano l’RNA e sono selettive nei confronti dell’RNA rispetto al DNA. Esse catalizzano l’idrolisi dell’acido ribonucleico operando a livello di trascrizione e traduzione . Vengono spesso utilizzate per rimuovere l’RNA contaminato dai campioni e dai test dell’RNA.