DNA: cos’è, come si forma e quali sono le sue strutture

Il DNA o acido desossiribonucleico è un polimero organico, i cui monomeri di base sono i nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da un gruppo fosfato, una base azotata ed una molecola di deossiribosio, vale a dire uno zucchero pentoso privato di un atomo di ossigeno. Le basi azotate presenti nel DNA sono 4, vale a dire citosina (C), guanina (G), timina (T) e adenina (A).

L’ordine in cui si trovano i nucleotidi nel DNA costituisce il codice genetico che opportunamente tradotto attraverso l’RNA permette la sintesi delle proteine. Tuttavia per comprendere l’ordine in cui si trovano i vari nucleotidi è necessario approfondire le strutture del DNA.

Come già detto ogni monomero è costituito da una base azotata, un gruppo fosfato ed una molecola di 2-deossi-D-ribosio (il ribosio è privo dell’atomo di ossigeno in posizione 2). Il gruppo fosfato è posizionato sul carbonio 5 dello zucchero, ma, per non fare confusione con i carboni delle basi azotate si dice che il gruppo fosfato è in posizione 5’. Le basi azotate sono legate allo zucchero sul carbonio 1’ attraverso un legame N-glicosidico in posizione β ovvero il legame avviene tra un atomo di azoto della base azotata e la posizione equatoriale del carbonio 1’.  L’atomo di azoto partecipante al legame N-glicosidico varia a seconda della base azotata: nel caso della citosina e della timina (basi pirimidiniche) l’atomo di azoto chiamato in causa è quello in posizione 1, mentre nel caso della guanina e dell’adenina (basi puriniche) l’atomo di azoto impegnato nel legame N-glicosidico è quello in posizione 9.

La struttura primaria del DNA è determinata quindi dalla sequenza di nucleotidi che sono legati tra loro attraverso i gruppi fosfato. Ogni gruppo fosfato è quindi legato a due molecole di desossiribosio, ad una è legato in posizione 5’, mentre all’altra è legato in posizione 3’.

Tuttavia, sin dal 1938 è noto grazie alla diffrazione ai raggi X che il DNA ha una struttura molecolare ben precisa. Nel 1950 E. Chargaff analizzando il DNA di animali diversi, scoprì che in ogni caso il rapporto tra la quantità di adenina e timina ed il rapporto tra citosina e guanina era uguale a 1, ma soltanto nel 1953 Watson e Crick (che successivamente vinsero il Nobel per la medicina) riuscirono a formulare una teoria plausibile per la struttura del DNA, vale a dire la struttura a doppia elica.

Secondo tale struttura il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche antiparallele avvolte intorno ad un asse comune, che formano quindi le due eliche destrorse. Le due eliche sono tenute insieme dai legami a idrogeno che si vengono a formare tra le basi azotate giacenti perpendicolari al piano dell’elica, vale a dire adenina con timina e citosina con guanina. Il modello a doppia elica prevede un diametro pari a 20 Å, che le coppie di basi azotate adiacenti siano distanti 3,4 Å e che le coppie si ripetano ogni 36°. Questo implica che per ogni giro completo dell’elica ci siano 10 coppie di basi azotate.

Recentemente è emerso che la struttura proposta da Watson e Crick è soltanto una tra le possibili strutture del DNA. Attualmente le strutture di DNA vengono classificate in tre diverse categorie: A,B e Z. La struttura scoperta da Watson e Crick non è altro che la tipologia B, ovvero la più comune.

Nella forma A le basi azotate sono inclinate fino a 20° rispetto all’asse, mentre nella forma Z alcune basi sono ruotate di 180° rispetto al legame N-glicosidico, il che porta alla formazione di un’elica sinistrorsa.

Con il modello a doppia elica proposto da Watson e Creek, è stato possibile dedurre come avviene la replicazione del DNA. In questo caso i due scienziati hanno ipotizzato che i filamenti si dividessero, con la rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate.

A questo punto i due filamenti srotolati, possono legare nuovi nucleotidi, sfruttando la complementarietà delle basi azotate. I nucleotidi presenti nel nucleo, sono tuttavia sotto forma di trifosfati (legano tre gruppi fosfato consecutivi anziché uno solo), per cui, un enzima si occupa di legare il nucleotide alla catena primaria (DNA polimerasi) ed un altro enzima si occupa di unire la nuova catena così formata (DNA ligasi).

Lo stesso principio viene sfruttato per la sintesi delle proteine dall’RNA messaggero, ovvero un filamento di mRNA si lega al filamento di DNA appena separato, con la differenza con la differenza che nell’RNA è presente l’uracile al posto della timina. Una serie di tre basi azotate sull’RNA codifica un amminoacido, e la sequenza di amminoacidi costituisce poi la proteina. Si dice che il codice genetico è degenere, poiché sono disponibili 20 amminoacidi distinti, per 64 possibili combinazioni di basi azotate.

Per meglio comprendere le informazioni genetiche contenute nel DNA è necessario effettuare il sequenziamento delle basi azotate contenute nelle varie molecole DNA. L’operazione è tutt’altro che semplice, dato che anche le più piccole molecole di DNA contengono almeno 5000 nucleotidi, mentre le più grandi possono arrivare fino ad un milione.

Il processo di sequenziamento richiede diverse reazioni enzimatiche per arrivare a compimento, tuttavia si inizia sempre adoperando endonucleasi di restrizione, vale a dire degli enzimi che “tagliano” la molecola di DNA in presenza di sequenze note di quattro basi. In questo modo si ottengono filamenti di lunghezza compresa tra 150 e 100 nucleotidi. A questo punto i filamenti vengono ulteriormente degradati, attraverso altri enzimi che tagliano la molecola in presenza di una base precisa e ripetendo l’operazione per ciascuna delle quattro basi su di uno stesso filamento, si ottengono filamenti di alcune unità nucleotidiche. I nuovi filamenti vengono quindi sottoposti ad elettroforesi su gel. Tramite l’elettroforesi è possibile comprendere in che sequenza si trovavano i nucleotidi quando erano formavano il DNA.

Nell’ultimo mezzo secolo sono stati fatti passi da gigante nel campo del sequenziamento del DNA, infatti nel 1978 era possibile sequenziare solo fino a 200 nucleotidi, mentre nel 1985 era già possibile sequenziare oltre 170000 unità nucleotidiche. Al giorno d’oggi è possibile sequenziare diverse migliaia di unità nucleotidiche al giorno.