DNA - biologia cellulare

Il termine DNA è l'acronimo di Acido Deossiribo Nucleico; strutturalmente il DNA è una lunga molecola formata da basi azotate, zuccheri ribosio e ponti fosforici. In alcuni organismi, tra cui i batteri, il DNA è circolare e pertanto non possiede estremità libere mentre in altri organismi, perlopiù eucariotici, la molecola è lineare, spiralizzata o diversamente organizzata in cromosomi.

Tra i batteri e gli eucarioti è possibile osservare che la localizzazione del DNA all'interno della cellula è diversa. I batteri non possiedono il nucleo perciò il DNA è in soluzione con il liquido presente nel citoplasma, mentre gli eucarioti, che invece presentano il nucleo, possiedono il DNA, più o meno spiralizzato dentro l'involucro nucleare.

I virus possiedono l'informazione genetica DNA sia nell'RNA senza presentare il nucleo ma soltanto un rivestimento esterno di natura proteica. Non esistono grandi differenze nella struttura del DNA tra procarioti ed eucarioti ad esclusione della dimensione, espressa in numero di basi per singolo filamento, e dai processi di espressione dell'informazione genetica, o della duplicazione, che spesso operano in modo molto diverso.

Struttura del DNA

Il DNA è il materiale genetico di virus, batteri e cellule eucariotiche

Il DNA è la struttura molecolare all'interno della quale è conservata l'informazione genetica. Il DNA è l'acido nucleico presente negli eucarioti, nei procarioti e in parte dei virus.

Con le conoscenze scientifiche attuali è quasi superfluo definire il DNA come il materiale genetico caratteristico delle cellule e dei virus. Eppure la certezza di questa affermazione è stata garantita soltanto da pochi decenni; prima del superbo lavoro di Watson e Crick, e del loro team, mancavano le idee e gli strumenti per poter capire l'intimo funzionamento della cellula dal punto di vista della genetica e della trasmissione dei caratteri ereditari.

Struttura a basi del DNA

Il DNA è una lunga catena formata da elementi molto semplici. Le strutture biomolecolari che si trovano lungo la doppia elica sono basi azotate puriniche o pirimidiniche legate ad uno zucchero deossiribosio, nel caso del DNA, o ribosio, nel caso dell'RNA.

Sia il ribosio che il deossiribosio sono degli zuccheri chetonici a cinque atomi di carbonio uniti tra loro mediante dei ponti fosfodiesterici.

Le basi puriniche sono rappresentate dall'adenina e dalla guanina mentre le basi pirimidiniche sono la citosina e la timina. L'uracile è, invece, associato all'RNA.

Quando alle basi puriniche si associa lo zucchero (deossi-)ribosio allora si forma un nucleoside. La numerazione del DNA permette di stabilire e di "osservare", in modo certo e standard la disposizione degli atomi lungo la catena.

Il metodo standard è quello di intendere gli atomi delle basi azotate come “normali” o in altri termini atomi da cui partire ed identificarli con la lettere C (nel caso del carbonio) mentre i carboni dello zucchero (deossi-ribosio) come carboni “aggiunti” ed identificarli aggiungendo il suffisso ', che si pronincia “primo” accanto al numero del carbonio. Avremo così i carboni: C-1', C-2', C-3', C-4' e C-5'.

Disposizione tridimensionale delle basi

Affinché si possa realizzare la doppia elica è necessario che le basi si dispongano in modo ordinato e con conformazioni tali da rendere possibile la “flessione” della catena per la realizzazione delle spire.

Una disposizione senza un preciso ordine, infatti, non permetterebbe l'appaiamento delle basi che è di fondamentale importanza nella costituzione della doppia elica.

Schematicamente, all'“interno” del DNA trovano posto le basi puriniche/pirimidiniche, mentre all'esterno gli zuccheri deossiribosio che sono legati da ponti fosfodiesterici in 3' ed in 5'.

I ponti diesterici si legano ad un ossidrile in C'-3 ed in C'-5 dello zucchero deossiribosio.

Esempio di disposizione

La semplice sequenza AAC (adenosina-adenosina-citidina) si risolve nella seguente struttura:

Da come è possibile vedere l'ossidrile in 3' lega l'ossidrile in 5' di un ribosio che, a sua volta, è legato da un ossidrile in 3'.

La sequenza del DNA sopra riportata può essere ripetuta per decine, centinaia e migliaia di basi ed è permessa una certa flessione a livello dei legami fosfodiesterici. In questo modo è possibile che le basi di due catene opposte, ovvero di due catene antiparallele, possano trovarsi una dinanzi all'altra e instaurare dei legami idrogeno che sono molto deboli.

Appaiamento di basi

BASE	DNA	RNA
A	T	U
G	C	C
T	A	/
C	G	G
U	/	A

I due filamenti di DNA, indifferentemente dalla loro lunghezza, sono incredibilmente resistenti. Per separarli o, utilizzando un sinonimo, denaturarli è necessario raggiungere temperature di oltre 90°C o agire sui parametri fisici della soluzione, ad esempio modificando il pH.

La resistenza del doppio filamento potrebbe indurre a pensare che i filamenti di DNA sono uniti da fortissimi legami. In realtà, i due filamenti antiparalleli, sono uniti da deboli legami idrogeno. L'elevata resistenza della molecola, pur possedendo solo legami ad idrogeno, si spiega osservando che ogni base di un filamento si appaia, contraendo legami deboli ad idrogeno appena menzionati, con un'altra base; da quest'ottica risulta chiaro che un elevato numero di legami idrogeno, proporzionale al numero di appaiamenti, conferisce una globale resistenza alla molecola di DNA.

Gli appaiamenti, salvo in situazione patologiche o comunque straordinarie, seguono lo schema A-T, G-C per quello che riguarda il DNA e A-U G-C per quello che riguarda l'RNA.

DNA batterico

I primi esperimenti che indagarono circa la capacità di contenimento dell'informazione genetica all'interno del DNA risalgono alla prima metà del XX secolo; in quel periodo si comprese che il batterio Streptococcus pneumoniae è capace di uccidere i topi. Successivamente si osservò che questo batterio possiede una molecola adesa alla sua membrana cellulare che ne determina la virulenza. La presenza della molecola, appartenente alla classe dei polisaccaridi, determina anche un aspetto morfologico della superficie stessa: l'espressione della proteina determina un batterio di tipo liscio o “S” (smooth) mentre l'assenza determina un tipo ruvido “R” (rough). Il tipo liscio è capace di uccidere il topo mentre il tipo ruvido non lo è.

Trattando il tipo liscio con il calore e, successivamente, iniettando il risultato del processo in un topo si notò che questo non moriva. Il calore aveva distrutto il batterio che era incapace di infettare i tessuti dell'ospite. Iniettando, invece, una soluzione contenente il batterio liscio ucciso dal calore ed il batterio ruvido, che è incapace di uccidere, il topo moriva proprio come se fosse stato infettato dal tipo virulento. Questo dimostrava che c'era un principio trasformante capace di modificare un tipo di batterio non letale in un tipo letale. L'elemento fu subito purificato e si notò che era un acido deossiribonucleico.

DNA virale

Per dimostrare che il DNA è anche il materiale genetico dei virus si utilizzò il fago T2. In linea generale il fago, o batteriofago, è un virus che infetta i batteri portando alla loro distruzione mediante lisi della membrana. Il fago T2 infetta Escherichia coli e la sua azione distruttiva avviene quasi immediatamente. Dopo circa mezz'ora dall'inserimento di una relativamente bassa quantità di T2 in una coltura di E. coli si osserva che il batterio lisa e rilascia la progenie di T2 che, nel frattempo, si è sviluppata.

Marcando preventivamente l'acido nucleico dei fagi T2 con uno fosforo radioattivo e utilizzando un isotopo radioattivo dello zolfo per le proteine si osservò che, a seguito dell'inoculazione in coltura di E. coli, gli involucri virali separati dai batteri avevano ricevuto circa l'80% dello zolfo marcato. Una simile quantità di fosforo radioattivo fu rivelata nella progenie e, pertanto, si dimostrava che ambedue gli elementi instabili erano stati incorporati sia nel rivestimento proteico sia nel DNA. Dopo la prima divisione lo zolfo radioattivo era presente in tracce mentre il fosforo radioattivo era valutabile in un quantitativo pari a circa il 30%. Mediante questo esperimento fu possibile determinare che anche il DNA è la molecola adibita alle funzioni di memorizzazione dell'informazione genetica.

DNA eucariotico

Il DNA è anche il materiale genetico delle cellule animali o, genericamente, degli ecuarioti. Per poter verificare questa affermazione si inoculò del materiale genetico estraneo all'interno di alcune cellule animali in coltura. I frammenti di DNA erano responsabili della sintesi dell'enzima timidina chinasi e si osservò che, dopo l'immissione del frammento, le cellule acquisivano la capacità di sintetizzare l'enzima in questione. La dimostrazione che il DNA è adibito al ruolo di vettore di informazione genetica è, anche in questo caso, fornita.

DNA A, DNA B e DNA Z

Il DNA non è semplicemente una molecola con struttura a doppia elicha. Questa raffigurazione è, infatti, uno schema mentale esatto che, tuttavia, non tiene conto della reale disposizione tridimensionale dell'acido nucleico durante le differenti fasi metaboliche della cellula. Analizzando più attentamente la molecola è possibile osservare che esistono ben tre tipi di “configurazione” di DNA che sono molto differenti tra loro e, probabilmente, ne possono esistere anche altri al momento non osservati.

Nome	Passo	Basi	Verso	Conformazione
DNA B(comune)	34Å	10	Destrorso	Anti
DNA A	24Å	11	Destrorso	Anti
DNA Z	46Å	12	Sinistrorso	Syn (purine)

La configurazione più comune è quella definita DNA B che possiede un passo,rappresentato dalla distanza tra un elica e un'altra, di 34Å. Nel DNA B, inoltre, il numero di basi per passo pari a 10 con un andamento di tipo destrorso.

Il DNA A è relativamente poco presente ed è caratterizzato da un passo pari a 24Å che contiene dieci basi ad andamento destrorso.

Un tipo di DNA, anche questo poco comune, è quello definito DNA Z che possiede andamento sinistrorso ed un passo di 45Å nel quale trovano posto 12 basi.

La differenza tra i tipi di DNA sembra essere dovuta a differenti gradi di idratazione della molecola, dalla presenza di determinati ioni che possono interagire con le basi o con gli zuccheri che costituiscono la doppia elica e dalla disposizione anti o syn degli elementi nucleotidici. Non è da sottovalutare anche l'interazione con particolari proteine, tra cui gli istoni, che possono modificare la forma del DNA.