3A - DNA: cos'è e com'è fatto. Costruiamo un modello.

L'acido desossiribonucleico o deossiribonucleico (in sigla DNA, dall'inglese DeoxyriboNucleic Acid) è un acido nucleico che contiene le informazioni genetiche necessarie alla sintesi dell'RNA (un altro acido nucleico, implicato in vari ruoli biologici di codifica, decodifica, regolazione ed espressione dei geni) e proteine, molecole indispensabili alla maggior parte degli organismi viventi.

Dal punto di vista chimico, il DNA è un polimero (polimero o macromolecola: sono termini equivalenti) organico costituito da nucleotidi. Tutti i nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato, uno zucchero (un pentoso: il deossiribosio) e una base azotata.

Le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei nucleotidi sono quattro: adenina A, guanina G, citosina C e timina T mentre nell'RNA, al posto della timina, è presente l'uracile U.
Ogni tipo di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento opposto. A può legare solo T e G può legare solo C.

I due "filamenti" avvolti a spirale che costituiscono la molecola possono essere allontanati tra loro, come avviene per una cerniera.

Tutte le informazioni contenute nella doppia elica possono essere duplicate. La sequenza dei nucleotidi costituisce l'informazione genetica, la quale è tradotta con il codice genetico negli amminoacidi corrispondenti.

Amminoacido

La sequenza amminoacidica prodotta forma le proteine. La sintesi proteica è possibile solo in presenza di una molecola intermedia di RNA, che è generata in un processo noto come trascrizione.
L'informazione genetica è duplicata attraverso un processo noto come replicazione del DNA, che evita la perdita di informazione nel passaggio tra diverse generazioni cellulari.

Dove si trova il DNA?
I procariòti (pro- «prima» e karyon «nucleo») sono cellule caratterizzate dall'essere prive di un nucleo strutturato, al contrario delle cellule degli eucarioti. In essi il DNA può essere organizzato in cromosomi o meno. Negli eucarioti, il DNA è all'interno del nucleo in strutture chiamate cromosomi.

EUCARIOTE

PROCARIOTE

Chi ha compreso per primo la struttura del DNA?
Rosalind Franklin è una ragazza nata negli Venti da una famiglia ricchissima e colta. E' testarda e intellettualmente dotatissima. A 18 anni è ammessa al Newnham College di Cambridge, proprio mentre l’Europa si prepara alla tragedia della guerra e all’Olocausto.
Si specializza in cristallografia, e poi consegue il dottorato. Dopo la guerra è a Parigi per approfondire le tecniche di diffrazione dei raggi x. E’ talmente brava che nel 1950 viene proposta per un incarico al al King's College di Londra dove erano iniziate le ricerche sul DNA. Il laboratorio è diretto dal biofisico Maurice Wilkins, con il quale i rapporti sono subito difficili.

Wilkins, suo coetaneo, la tratta da assistente, mentre è lei ad avere le competenze cristallografiche necessarie allo studio della struttura degli acidi nucleici. Prepara i campioni e realizza foto incredibili per precisione e bellezza, tra cui la celebre numero 51, che le verrà sottratta di nascosto.
Il clima è insostenibile e lei si trasferisce al Birkbeck College. Intanto Wilkins svela i risultati della scienziata a Watson e Crick del Cavendish Laboratory. Pubblicando A structure for deoxyribose nucleic acid, essi si appropriano di fatto della scoperta e del Nobel.
I due non riconobbero mai l'apporto dato alla ricerca dalla Franklin. La comunità scientifica comincia ad avere qualche sospetto solo nel 1968, con la pubblicazione de La doppia elica, in cui Watson descriverà Rosalind come una donna malvestita, bisbetica, professionalmente gelosa e poco collaborativa. Un quadro che trasuda ottusità e maschilismo, e che preannuncia una serie di clamorose dichiarazioni sull’eugenetica e l’inferiorità dei neri rilasciate da Watson in anni successivi. Intanto la Franklin studia la struttura dei virus, ed ottiene un importantissimo risultato con quello del mosaico del tabacco. Nel 1956, al culmine della sua carriera scientifica, parte per gli USA. Durante il viaggio si manifestano dei dolori atroci, segnale di un cancro in stato avanzato. Lei continuerà a pubblicare articoli di grande valore per due anni, fino a quando la malattia la vinse. Oggi finalmente il suo contributo alla scienza è stato riconosciuto.

Rosalind Franklin (1920-1958)

Quanto è "grande" una molecola di DNA?
Il DNA è un lungo polimero costituito da unità ripetute di nucleotidi. La catena del DNA è larga tra i 22 ed i 26 Ångström (da 2,2 a 2,6 nanometri: 1 namometro è un miliardesimo di metro) ed ogni unità nucleotidica è lunga 3,3 Ångstrom (0,33 nanometri). Sebbene ogni unità occupi uno spazio decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può essere sorprendentemente elevata, dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il più grande cromosoma umano (il cromosoma 1) contiene quasi 250 milioni di paia di basi.

Cos'è il codice genetico?
Il codice genetico è l'insieme delle regole che traducono l'informazione contenuta negli acidi nucleici che formano i geni per la sintesi di proteine nelle cellule. Le proteine sono macromolecole, costituite da una o più lunghe catene di amminoacidi.
Le proteine differiscono nella loro sequenza di amminoacidi. Gli amminoacidi sono molecole organiche che hanno nella loro struttura il gruppo funzionale amminico (-NH2) sia quello carbossilico (-COOH). Il legame peptidico si genera nel momento in cui si uniscono due strutture molecolari, con la perdita di una molecola di H2O:  il gruppo amminico -NH2 si unisce con  -COOH

Legame peptidico

Gli amminoacidi essenziali sono 20, e sono quegli amminoacidi che un organismo vertebrato non è in grado di sintetizzare da sé ma che deve assumere con l'alimentazione. Ogni amminoacido può essere indicato con una terna di lettere, oppure con la sua iniziale, esempio: glicina = GLY oppure G.

Decifrare il codice genetico
Agli inizi degli anni Sessanta, i biologi molecolari sono riusciti a decifrare il codice genetico.
Si sono chiesti: come è possibile scrivere 20 «parole» con un alfabeto di sole quattro lettere?
Ovvero, come fanno le quattro basi (A, U, G, C) a specificare 20 diversi amminoacidi?
Proviamo a combinare coppie di basi:

Trovo 16 coppie, un numero insufficiente. Proviamo con le triplette, combinando di nuovo le 16 coppie con le 4 basi:

Chiamiamo le  triplette codoni. Un codice a triplette dà 4 x 4 x 4 = 64 codoni, più che sufficienti per 20 amminoacidi.
Abbiamo parole di tre lettere chiamate codoni, costituite dalla sequenza di tre nucleotidi (ad esempio ACU, CAG, UUU), ognuna delle quali è associata ad un amminoacido.
Ad esempio UUU codifica la fenilalanina. Poiché esistono 64 triplette possibili e solo 20 amminoacidi, il codice genetico è detto ridondante: alcuni amminoacidi possono infatti essere codificati da più triplette diverse. Non è invece vero il contrario: ad ogni tripletta corrisponderà un solo amminoacido. Esistono infine tre triplette che non codificano alcun amminoacido, ma rappresentano codoni di stop, ovvero indicano il punto in cui, all'interno del gene, termina la sequenza che codifica la proteina corrispondente: si tratta dei codoni UAA, UGA e UAG.
Un altro modo per far capire come si generano le triplette è il seguente:

Ora proveremo a costruirci un modello della macromolecola DNA a partire dai nucleotidi.

QUANTO E' GRANDE IL DNA?

L'ångström (Å), o angstrom (pronuncia: /'ɔŋstrœm/), è un'unità di lunghezza non appartenente al Sistema internazionale (SI) corrispondente a 0,1 nm (0,1 nanometri) o 1×10^−10 m.
L'ångström prende nome dal fisico svedese Anders Jonas Ångström, uno dei padri della spettroscopia. Viene spesso impiegata per indicare le dimensioni delle molecole e degli atomi.

Il diametro dell’elica è di 20 Å, le basi adiacenti sono separate da 3,4 Å lungo l’asse dell’elica. I legami di una coppia di basi sono sempre distanti tra loro 10,8 Å.