La struttura del DNA

Per decifrare la struttura del DNA furono essenziali i dati ottenuti, negli anni '50, da Rosalind Franklin che utilizzò la cristallografia ai raggi X per studiare campioni di DNA appositamente preparati per lei da Maurice Wilkins: Wilkins preparava campioni di DNA con fibre orientate in modo estremamente regolare (come i cristalli). Grazie alla cristallografia, la Franklin capì che la molecola di DNA aveva una forma a elica.

La composizione chimica del DNA

Negli anni '50, i biochimici sapevano che il DNA era un lungo polimero fatto da 4 diversi nucleotidi. Ciascun nucleotide è a sua volta formato da:

• una molecola dello zucchero desossiribosio;
• un gruppo fosfato;
• una base azotata.

I quattro nucleotidi differiscono tra di loro esclusivamente per la base azotata.
Distinguiamo tra:

• basi puriniche: adenina (A) e guanina (G)
• basi pirimidininiche: citosina (C) e timina (T).

Nel 1950, Erwin Chargaff individuò delle costanti nella composizione del DNA:

• La percentuale % dei quattro tipi di nucleotidi (A, T, C, G) è sempre la stessa nel DNA di cellule provenienti da tessuti diversi del medesimo individuo;
• La composizione delle molecole di DNA non è influenzata da fattori esterni o dall'età dell’organismo;
• Il rapporto tra la percentuale di A e quella di G (le due basi puriniche presenti nel DNA) varia da una specie all'altra;
• In tutte le specie, la quantità di adenina è uguale alla quantità di timina (A = T), mentre la quantità di guanina è uguale alla quantità di citosina (G = C);
• la quantità totale delle basi puriniche (A + G) è uguale a quella delle basi pirimidiniche (T + C).

La struttura molecolare del DNA

La struttura del DNA viene oggi spiegata grazie al modello di Watson e Crick pubblicato nel 1953:

1. La molecola del DNA è formata da due catene poli-nucleotidiche appaiate e avvolte intorno a uno stesso asse immaginario a formare una doppia elica;
2. Ogni filamento di DNA è formato da una sequenza di nucleotidi uniti tra di loro grazie a legami forti, cioè legami covalenti ottenuti in seguito a reazioni di condensazione (cioè reazioni in cui si ha l’eliminazione di una molecola d’acqua) tra il gruppo fosfato (-PO3−4) in posizione 5’ di un nucleotide e il gruppo ossidrile (-OH) in posizione 3' dello zucchero desossiribosio di un altro nucleotide;
3. Le due catene sono complementari e vengono tenute insieme da legami deboli, detti legami a idrogeno tra le basi.
4. Le basi sono rivolte verso il centro della doppia elica e si appaiano tra di loro in modo specifico;
5. L’appaiamento tra le basi azotate dei due filamenti segue la regola di Chargaff della complementarietà delle basi: l’adenina (A) si appaia esclusivamente con la timina (T) tramite 2 legami idrogeno A=T; la guanina (G) si appaia esclusivamente con la citosina (C) tramite 3 legami idrogeno G≡C;
6. Ciascuna coppia di basi è formata da una purina (una base formata da due anelli, cioè A oppure G) e una pirimidina (una base formata da un singolo anello, cioè T oppure C);
7. Gli zuccheri e i gruppi fosfato sono rivolti verso l’esterno della doppia elica e costituiscono lo scheletro zucchero-fosfato idrofilo del DNA;
8. Le due catene sono antiparallele, cioè sono orientate in direzioni opposte. Ogni catena presenta: un’estremità 5' terminale con un gruppo 5' fosfato (-PO3−4) libero; - un’estremità 3' terminale con un gruppo ossidrile (–OH) libero.
9. Nel DNA un filamento va dal 5' verso il 3' e l’altro va in direzione opposta.
10. Le coppie di basi sono planari (cioè distese orizzontalmente) e sono stabilizzate da interazioni idrofobiche, fondamentali per la stabilità della doppia elica;
11. L’elica ha un diametro costante, poiché le coppie AT e GC hanno la stessa lunghezza;
12. Ogni coppia di basi è ruotata rispetto alla precedente di circa 36°, per cui l’elica pertanto compie un giro completo (360°) ogni 10 coppie di basi;
13. L’elica è destrogira perché ha un avvolgimento destrogiro (in senso orario).

Le funzioni del DNA

La struttura del DNA proposta da Watson e Crick permette di spiegare facilmente anche le funzioni del DNA:

• depositare l’informazione genetica di un organismo.  Essendo formata da milioni di nucleotidi, la sequenza del DNA può conservare un’enorme quantità di informazione, permettere le differenze fra specie e fra i diversi individui di una stessa specie. La sequenza delle basi azotate rappresenta la parte variabile del DNA;
• essere duplicato durante il ciclo cellulare. La duplicazione del DNA avviene grazie alla complementarietà tra le basi: ogni filamento, quando viene separato da quello complementare, può essere utilizzato come stampo per produrre un nuovo filamento complementare.

FONTI:

Biologia. La scienza della vita Sadava, Heller, Orians, Purves, Hillis