Le informazioni genetiche di tutti gli organismi viventi sono contenute nelle biomolecole conosciute con il nome di acidi nucleici.

In particolare, appartengono a questa classe l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA).

Il "depositario" del patrimonio genetico e quindi di tutte le informazioni genetiche è il DNA (fatta eccezione per alcuni virus). Tuttavia, le informazioni contenute nel DNA per poter essere estratte (o tradotte) devono essere trasferite ad una molecola di RNA.

Struttura del DNA

Le molecole di DNA sono polimeri lineari costituiti dall'unione di desossiribonucleotidi: dAMP, dGMP, dTMP e dCMP (A = adenina; G = guanina; T = timina; C = citosina).

Queste unità nucleotidiche sono unite tra loro attraverso i gruppi fosfato, legati al gruppo -OH in posizione 3' del desossiribosio di un altro nucleotide, in un legame definito fosfodiestere.

Grazie all'organizzazione strutturale dettata dai legami fosfodiestere, possono formarsi catene lunghissime di nucleoditi, caratterizzate da uno specifico orientamento: l'estremità considerata l'inizio della catena con un gruppo fosfato libero in posizione 5' e l'estremità opposta con un gruppo -OH libero in posizione 3'.

La sequenza di un filamento di DNA può per tanto essere indicata come la successione della basi azotate (A, G, T, C) presenti nei vari nucleotidi e letti nel senso 5' - 3'.

Figura 1. Organizzazione strutturale del DNA.

La struttura a doppia elica del DNA

La molecola di DNA è una doppia elica antiparallela formata da due filamenti polinucleotidici.

È antiparallela perché i filamenti di DNA corrono in direzioni opposte l'uno all'altro. I due filamenti polinucleotidici sono uniti da legami a idrogeno tra coppie di basi complementari.

Ricollegandoci a quanto detto in precedenza, il DNA è dunque formato da due filamenti antiparalleli, uno in direzione 5'- 3' e l'altro in direzione opposta, 3'- 5', che si associano tra loro assumendo un andamento elicoidale intorno ad un asse comune, andando a formare una doppia elica.

Questa organizzazione strutturale del DNA è stata descritta per la prima volta da James Watson e Francis Crick nel 1953, partendo dai risultati di esperimenti precedenti.

Fra le coppie di basi azotate, dette complementari, esiste una fortissima affinità e specificità di appaiamento: l'adenina (A) può associarsi soltanto con la timina (T), mentre la guanina (G) soltanto con la citosina (C), e viceversa. Ciò determina coppie del tipo: A-T, T-A; G-C; C-G. Come detto, l'appaiamento di basi diverse avviene grazie ai legami idrogeno che si formano all'interno di ciascuna coppia.

È opportuno sottolineare come la scoperta della struttura a doppia elica del DNA sia stato un passo di primaria importantanza per la scienza, che ha consentito la comprensione dei meccanismi tramite il quale l'informazione genetica viene conservata, replicata e trasmessa.

Appaiamento di basi complementari nel DNA

Come descritto, le basi azotate possono accoppiarsi tra loro formando legami a idrogeno e questo viene definito accoppiamento complementare delle basi. Ciò mantiene unite le due molecole polinucleotidiche del DNA ed è essenziale per la replicazione del DNA e la sintesi delle proteine.

L'appaiamento complementare delle basi richiede l'unione di una base pirimidinica con una base purinica tramite legami idrogeno. Nel DNA, ciò significa

• L'adenina si accoppia con la timina con 2 legami a idrogeno.
• La citosina si accoppia con la guanina con 3 legami a idrogeno.

Stabilità del DNA

Poiché la citosina e la guanina formano 3 legami idrogeno, questa coppia è più forte dell'adenina e della timina che formano solo 2 legami idrogeno. Ciò contribuisce alla stabilità del DNA. Le molecole di DNA con un'alta percentuale di legami citosina-guanina sono più stabili di quelle con una percentuale inferiore di questi legami.

Un altro fattore che stabilizza il DNA è la spina dorsale di desossiribosio-fosfato. Questa mantiene le coppie di basi all'interno della doppia elica e questo orientamento protegge le basi che sono altamente reattive.

La replicazione del DNA

Una delle funzioni principali del DNA è quella di trasferire l'informazione genetica in esso contenuta ad una cellula figlia, processo che avviene durante la divisione cellulare, sia essa una cellula procariotica o eucariotica.

A tal proposito, la molecola di DNA contenuta nella cellula madre dovrà essere replicata e suddivisa equamente nelle cellule figlie. Questo processo viene definito replicazione del DNA e avviene grazie all'azione congiunta di specifici enzimi, che formano il così detto complesso di replicazione.

L'azione di questi enzimi porta in successione all'apertura della doppia elica di DNA con la formazione di una bolla replicativa, ed in cui due complessi di replicazione iniziano a duplicare ciascun filamento procedendo in direzioni opposte. Tuttavia, abbiamo visto come i due filamenti di DNA siano antiparalleli. Per questo motivo, la replicazione avviene in maniera diversa nei due filamenti:

La sintesi del "filamento veloce" (direzione 5' - 3') procede in modo continuo. mentre nel caso del filamento 3' - 5' (filamento lento) la sintesi del nuovo filamento procederà in maniera discontinua, ovvero piccoli frammenti saranno sintetizzati in direzione 5'- 3' andando a ritroso per poi essere riuntii da uno specifico enzima (questi frammenti vengono definiti frammenti di Okazaki).

In questo paragrafo sono stati descritti in maniera sintetica i principali passaggi della replicazione del DNA, tuttavia questo processo comprende molti altri passi sia in preparazione della replicazione che nella formazione delle nuove doppie eliche. E' importante immaginare la complessità di un fenomeno che avviene costantemente nel nostro organismo e che è alla base della vita di ogni organismo.