1.1: La struttura del DNA

DNA e RNA

I due tipi principali di acidi nucleici sono l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). Il DNA è il materiale genetico trovato in tutti gli organismi viventi, che vanno dai batteri unicellulari ai mammiferi multicellulari. Il DNA si trova nel nucleo degli eucarioti e negli organelli, nei cloroplasti e nei mitocondri. Nei procarioti, il DNA non è racchiuso in una busta membranosa.

L’intero contenuto genetico di una cellula è noto come il suo genoma e lo studio dei genomi è la genomica., Nelle cellule eucariotiche, ma non nei procarioti, il DNA forma un complesso con proteine istoniche per formare la cromatina, la sostanza dei cromosomi eucariotici. Un cromosoma può contenere decine di migliaia di geni. Molti geni contengono le informazioni per produrre prodotti proteici; altri geni codificano per i prodotti a RNA. Il DNA controlla tutte le attività cellulari ruotando i geni ” on ” o ” off.”

L’altro tipo di acido nucleico, l’RNA, è principalmente coinvolto nella sintesi proteica. Le molecole di DNA non lasciano mai il nucleo ma usano invece un intermediario per comunicare con il resto della cellula., Questo intermediario è l’RNA messaggero (mRNA). Altri tipi di RNA—come rRNA, tRNA e microRNA-sono coinvolti nella sintesi proteica e nella sua regolazione.

DNA e RNA sono costituiti da monomeri noti come nucleotidi. I nucleotidi si combinano tra loro per formare un polinucleotide, DNA o RNA. Ogni nucleotide è costituito da tre componenti: una base azotata, uno zucchero pentoso (cinque-carbonio) e un gruppo fosfato (Figura \(\PageIndex{1}\)). Ogni base azotata in un nucleotide è attaccata a una molecola di zucchero, che è attaccata a uno o più gruppi fosfatici.,

Le basi azotate, componenti importanti dei nucleotidi, sono molecole organiche e sono così chiamate perché contengono carbonio e azoto. Sono basi perché contengono un gruppo amminico che ha il potenziale di legare un idrogeno extra e quindi diminuisce la concentrazione di ioni idrogeno nel suo ambiente, rendendolo più basico. Ogni nucleotide nel DNA contiene una delle quattro possibili basi azotate: adenina (A), guanina (G) citosina (C) e timina (T).

Adenina e guanina sono classificate come purine., La struttura primaria di una purina è costituita da due anelli carbonio-azoto. Citosina, timina e uracile sono classificati come pirimidine che hanno un singolo anello carbonio-azoto come struttura primaria (Figura \ (\PageIndex{1}\)). Ciascuno di questi anelli di carbonio-azoto di base ha diversi gruppi funzionali collegati ad esso. Nella stenografia della biologia molecolare, le basi azotate sono semplicemente conosciute con i loro simboli A, T, G, C e U. Il DNA contiene A, T, G e C mentre l’RNA contiene A, U, G e C.

Lo zucchero pentoso nel DNA è desossiribosio e nell’RNA lo zucchero è ribosio (Figura \(\PageIndex{1}\))., La differenza tra gli zuccheri è la presenza del gruppo idrossile sul secondo carbonio del ribosio e dell’idrogeno sul secondo carbonio del desossiribosio (quindi il desossiribosio è “mancante” del gruppo an-OH). Gli atomi di carbonio della molecola di zucchero sono numerati come 1′, 2′, 3′, 4′, e 5 ‘(1′ viene letto come “un primo”). Il residuo fosfato è attaccato al gruppo idrossilico del carbonio 5′ di uno zucchero e al gruppo idrossilico del carbonio 3′ dello zucchero del nucleotide successivo, che forma un legame fosfodiestere 5′-3’., Il legame fosfodiestere non è formato da una semplice reazione di disidratazione come gli altri legami che collegano i monomeri nelle macromolecole: la sua formazione comporta la rimozione di due gruppi fosfatici. Un polinucleotide può avere migliaia di tali legami fosfodiesterici.

Struttura a doppia elica del DNA

Utilizzando modelli metallici proporzionali dei singoli nucleotidi, Watson e Crick hanno dedotto una struttura per il DNA che era coerente con le regole di Chargaff e con i dati di cristallografia a raggi X ottenuti (con alcune controversie) da un altro ricercatore di nome Rosalind Franklin. Nella famosa doppia elica di Watson e Crick, ciascuno dei due filamenti contiene basi di DNA collegate attraverso legami covalenti a una spina dorsale di zucchero-fosfato., Poiché un lato di ogni molecola di zucchero è sempre collegato al lato opposto della successiva molecola di zucchero, ogni filamento di DNA ha polarità: questi sono chiamati l’estremità 5’ (5-prime) e l’estremità 3’ (3-prime), secondo la nomenclatura dei carboni negli zuccheri. I due fili della doppia elica corrono in direzioni anti-parallele (cioè opposte), con l’estremità 5’ di un filo adiacente all’estremità 3’ dell’altro filo. La doppia elica ha una torsione destrorsa, (piuttosto che la torsione mancina che è spesso rappresentata in modo errato nei media popolari)., Le basi del DNA si estendono dalla spina dorsale verso il centro dell’elica, con una coppia di basi da ciascun filo formando legami idrogeno che aiutano a tenere insieme i due fili. Nella maggior parte delle condizioni, i due trefoli sono leggermente sfalsati, il che crea una scanalatura maggiore su una faccia della doppia elica e una scanalatura minore sull’altra. A causa della struttura delle basi, A può formare solo legami idrogeno con T, e G può formare solo legami idrogeno con C (ricorda le regole di Chargaff)., Si dice quindi che ogni filone sia complementare all’altro, e quindi ogni filone contiene anche informazioni sufficienti per fungere da modello per la sintesi dell’altro. Questa ridondanza complementare è importante nella replicazione e nella riparazione del DNA.

Sono consentiti solo alcuni tipi di accoppiamento di base. Ad esempio, una certa purina può solo accoppiarsi con una certa pirimidina. Ciò significa che A può accoppiare con T e G può accoppiare con C, come mostrato in Figura \(\PageIndex{2}\). Questo è noto come la regola complementare di base. In altre parole, i filamenti di DNA sono complementari tra loro., Se la sequenza di un filo è AATTGGCC, il filo complementare avrebbe la sequenza TTAACCGG. Durante la replicazione del DNA, ogni filamento viene copiato, risultando in una doppia elica di DNA figlia contenente un filamento di DNA parentale e un filamento appena sintetizzato.

Pensando al futuro esercizio \(\PageIndex{1}\)

Si verifica una mutazione e la citosina viene sostituita con adenina. Che impatto pensi che questo avrà sulla struttura del DNA?,

Risposta

L’adenina è più grande della citosina e non sarà in grado di basare correttamente la coppia con la guanina sul filo opposto. Ciò causerà il rigonfiamento del DNA. Gli enzimi di riparazione del DNA possono riconoscere il rigonfiamento e sostituire il nucleotide errato.