DNA e RNA: composizione e struttura

Il DNA e l’ RNA sono dei polimeri i cui monomeri sono detti nucleotidi costituiti da fosfato, uno zucchero pentoso e una base azotata

Struttura del DNA e RNA

Ogni nucleotide è il risultato dell’unione di tre elementiì

• Acido tetraossofosforico (V)
• Uno zucchero pentoso che può essere il ribosio o il desossiribosio
• Una base azotata: le basi azotate possono essere di due tipi: vi sono quelle derivate dalla pirimidina, che sono costituite da un solo anello a sei atomi, e quelle derivate dalla purina, che sono costituite da un anello a sei atomi condensato con un anello a cinque atomi.

Nei nucleotidi che costituiscono il DNA, lo zucchero è sempre il desossiribosio, mentre la base azotata è una delle seguenti: adenina, citosina, guanina e timina che spesso per semplicità vengono indicate con l’iniziale maiuscola del loro nome: A, C, G, T. pertanto il DNA è composto da quattro tipi di nucleotidi, che differiscono unicamente per la base azotata. Due delle basi azotate, la citosina e la timina sono pirimidiniche, mentre le altre due, l’adenina e la guanina sono basi puriniche. In sintesi:

Nei nucleotidi che costituiscono l’RNA lo zucchero è sempre il ribosio, mentre le basi azotate sono le stesse del DNA, fatta eccezione per la timina che è sostituita dall’uracile, anch’essa base pirimidinica. Pertanto, anche l’RNA è composto da quattro tipi di nucleotidi, che differiscono unicamente per la base azotata. In sintesi:

Le strutture del DNA e dell’RNA sono visibili in figura:

La successione dei nucleotidi, e quindi di basi azotate, costituisce la struttura primaria di una molecola di acido nucleico.

Storia e scoperta dal DNA

Fin dagli anni ’40 fu determinato che le quantità relative di basi azotate variavano da un organismo all’altro, ma in ogni caso, le moli di adenina erano uguali a quelle di timina e le moli di citosina erano uguali a quelle di guanina.

La spiegazione di questo fenomeno va ricercata nella struttura secondaria del DNA. Due scienziati James Watson e Francis Crick che per primi, agli inizi degli anni ’50 proposero un modello di DNA erano una  coppia scientifica fra le più bizzarre. Il primo, che nel 1953 aveva 25 anni, era nato a Chicago, si era iscritto all’università a 15 anni e aveva preso un dottorato a 22. L’altro, britannico, dodici anni più vecchio del collega, il dottorato non lo aveva ancora. Opposti per carattere e formazione, i due avevano in comune spregiudicatezza e ambizione.

Quando Watson e Crick entrarono in scena, la corsa al DNA era cominciata da tempo. Di quella molecola si sapeva non poco. Ma non abbastanza. La si conosceva dai tempi di Mendel; un medico svizzero, Friedrich Miescher, nel 1869 l’aveva isolata dal pus contenuto nelle bende infette e dallo sperma di salmone, e battezzata «nucleina».

Ma Watson e Crick ebbero alcune intuizioni geniali, che permisero loro di ricomporre i tasselli del rompicapo prima degli altri. Capirono che la molecola di DNA era formata da due catene dalla forma di elica che correvano in direzioni opposte.

Compresero anche che ognuno dei due filamenti era il calco dell’altro: ogni base di timina si legava a una di adenina, ogni citosina si legava a una guanina, il che spiegava in maniera elegante la motivazione per la quale le moli di adenina sono uguali a quelle di timina e le moli di citosina sono uguali a quelle di guanina.

Complementarietà delle basi

Capirono inoltre che la complementarità dei due filamenti risolveva anche un altro rompicapo di importanza cruciale: quello di come il DNA potesse copiare se stesso durante la riproduzione delle cellule, garantendo la trasmissione ereditaria dei caratteri. Da quel momento, l’acido desossiribonucleico diveniva per sempre il DNA. Stava per entrare da protagonista nella cultura mondiale, e aprire l’era genomica.

Poiché la base azotata di ogni nucleotide della catena è rivolta verso la base azotata di un nucleotide dell’altra catena si instaurano legami a idrogeno che uniscono le basi puriniche a quelle pirimidiniche e che stabilizzano la molecola.

La struttura del DNA è stata spesso paragonata a quella di una scala a pioli avvolta su se stessa a spirale: i montanti di tale scala sono costituiti dalle sequenze alternate dei gruppi fosforici e di molecole di zucchero, che formano l’ossatura delle due catene di nucleotidi mentre i pioli sono costituiti dalle coppie di basi azotate.

Gli accoppiamenti delle basi azotate non sono casuali, ma condizionati da due fattori: le dimensioni relative delle basi azotate e il numero dei legami a idrogeno che si possono formare tra esse.

Infatti l’adenina e la guanina, le due basi puriniche del DNA hanno all’incirca le stesse dimensioni e sono più grandi delle basi pirimidiniche la timina e la citosina; pertanto l’accoppiamento sistematico di una base purinica con una base pirimidinica mantiene costante la distanza tra le due catene (ovvero la lunghezza dei pioli della scala); di conseguenza, le due catene che costituiscono il DNA risultano “parallele” tra loro.

Inoltre il massimo numero di legami a idrogeno tra le basi puriniche di una catena e le basi pirimidiniche dell’altra si ottiene quando si verificano gli accoppiamenti adenina-timina ( 2 legami a idrogeno) e guanina-citosina ( 3 legami a idrogeno).

La costanza della distanza tra le due catene e il massimo numero possibile di legami a idrogeno fanno sì che ad una adenina di una catena corrisponda sempre una timina dell’altra e viceversa; e che a una guanina di una catena corrisponda sempre una citosina dell’altra e viceversa.

I legami di ogni catena sono covalenti e ciò rende particolarmente stabili le singole catene; le due catene, però, in determinate condizioni possono separarsi tra loro stante la presenza di soli legami a idrogeno che, per scomporsi, richiedono poca energia rispetto ai legami covalenti. Questo fattore è determinante per le funzioni che svolge il DNA nelle cellule e più in generale negli organismi.