All'interno delle tue cellule c'è una molecola molto importante. Si tratta di un polimero, composto da centinaia e migliaia di singole subunità monomeriche unite in lunghe catene. Se si allungasse una di queste catene, sarebbe lunga due metri, cioè più alta della maggior parte degli esseri umani! E se si prendessero le catene polimeriche di ogni cellula, le si unissero da un capo all'altro e le si allungasse come prima, la catena arriverebbe da un capo all'altro del sistema solare e viceversa. Hai indovinato, stiamo parlando del DNA!
DNA è l'acronimo di acido desossiribonucleico. È un acido nucleico che si trova in quasi tutte le cellule e fornisce il progetto della vita.
Il DNA ha una struttura interessante. È composto da soli quattro monomeri diversi. Nonostante la sua semplicità, fornisce le istruzioni per la creazione di ogni singola proteina del corpo, per quanto complicata, dagli enzimi digestivi presenti nell'intestino ai filamenti muscolari di braccia e gambe. In questo articolo approfondiremo la struttura del DNA e dei suoi monomeri per capire come un polimero così semplice possa raggiungere risultati così impressionanti.
- Questo articolo tratta della struttura del DNA in chimica organica.
- Partiremo dall'analisi della struttura complessiva del DNA, prima di osservare in dettaglio singoli monomeri che lo compongono. Esploreremo poi come si uniscono per formare una lunga molecola polimerica.
- Poi vedremo come la sua struttura è legata alla sua funzione.
- Infine, confronteremo la struttura del DNA con quella di una molecola affine, l'RNA.
La struttura del DNA
Il 28 febbraio 1953, gli scienziati Francis Crick e James Watson fecero irruzione nel pub The Eagle di Cambridge. "Ce l'abbiamo fatta!", ansimarono, con grande sorpresa degli avventori che si godevano un piacevole pranzo all'interno. "Abbiamo scoperto il segreto della vita!".
In realtà, Crick e Watson avevano fatto una scoperta significativa. Con l'aiuto delle immagini prodotte da Rosalind Franklin, erano riusciti a capire la struttura del DNA. Questa scoperta sarebbe valsa alla coppia (insieme a Maurice Wilkins) il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1962. Si trattava del primo passo per svelare i segreti del DNA e rivelare come esso codifichi esattamente tutti i tipi di vita.
Figura 1. La struttura a doppia elica del DNA.
Watson e Crick identificarono correttamente che il DNA ha una struttura elicoidale. È costituito da due catene arrotolate strettamente l'una sull'altra a formare una doppia elica. Come abbiamo già detto, ciascuna di queste catene è un lungo polimero.
I polimeri sono molecole di grandi dimensioni costituite da molte subunità più piccole unite tra loro. Queste subunità sono chiamate monomeri.
Nel DNA, le subunità monomeriche sono i nucleotidi. I nucleotidi sono uniti in lunghe catene da legami fosfodiestere. Le due catene sono tenute vicine l'una all'altra da legami idrogeno. Non preoccuparti: esploreremo tutte queste idee in modo più dettagliato più avanti nell'articolo. Prima di tutto, però, dobbiamo parlare dei nucleotidi.
Struttura dei nucleotidi
I nucleotidi sono le unità strutturali di base degli acidi nucleici, come il DNA.
I nucleotidi sono composti da tre parti:
- Uno zucchero
- Un gruppo fosfato
- Una base
Figura 2. Un nucleotide.
Zucchero
Torniamo al nome del DNA, acido desossiribonucleico. La prima parte del nome, deossiribosio, si riferisce allo zucchero presente nei nucleotidi del DNA: il 2-deossiribosio.
Il 2-deossiribosio è spesso chiamato semplicemente deossiribosio e deriva dallo zucchero ribosio. Il deossiribosio, come suggerisce il nome, manca di un atomo di ossigeno al carbonio 2 nella sua catena idrocarburica.
Figura 3. Deossiribosio e Ribosio.
Il DNA non è l'unico tipo di acido nucleico; infatti, acidi nucleici diversi possono presentare zuccheri diversi. Abbiamo già parlato dell'RNA. Questo acido nucleico contiene lo zucchero ribosio.
Gruppo fosfato
Al carbonio 5 di ogni molecola di zucchero è attaccato un gruppo fosfato. Questo consiste in un atomo di fosforo circondato da quattro atomi di ossigeno. Gli ioni negativi di ossigeno si legano spesso a ioni positivi di idrogeno per formare gruppi -OH.
Figura 4. Gruppo fosfato.
Base
La parte finale di un nucleotide è una base. Si potrebbe sostenere che le basi sono la parte più importante del DNA, poiché forniscono le istruzioni per la creazione delle proteine.
In tutto il DNA del pianeta si trovano solo quattro basi diverse. Sono note come adenina, timina, guanina e citosina, ma spesso le chiamiamo semplicemente A, T, G e C rispettivamente. Tutte e quattro sono molecole organiche basate su anelli di idrocarburi. Presentano anche atomi di azoto e ossigeno.
Figura 5. Basi del DNA.
Le basi si uniscono al carbonio 1 del desossiribosio, che come ricorderete è lo zucchero presente nel DNA, utilizzando uno dei loro atomi di azoto. Abbiamo evidenziato in blu ciascuno dei nitrogeni responsabili. Questo è un esempio di reazione di condensazione.
Una reazione di condensazione è una reazione in cui due molecole più piccole si uniscono per formare una molecola più grande, spesso rilasciando una piccola molecola aggiuntiva nel processo.
In questo caso, un atomo di idrogeno della base e un gruppo ossidrile dello zucchero vengono rilasciati e reagiscono insieme per formare acqua. Ad esempio, ecco la reazione di condensazione tra desossiribosio e adenina:
Figura 6. L'adenina si unisce al desossiribosio per formare un nucleotide.
Polimerizzazione
Oggi sappiamo che il DNA è composto da nucleotidi, che a loro volta sono costituiti da un gruppo fosfato, uno zucchero e una base. I nucleotidi sono monomeri - piccole subunità che si uniscono per formare un polimero più grande, il DNA. Ma come si uniscono i nucleotidi per formare una lunga catena di DNA?
I nucleotidi si legano mediante legami fosfodiestere. Questi legami si formano tra il carbonio 3 del desossiribosio e uno degli atomi di ossigeno del gruppo fosfato. Si tratta di un altro esempio di reazione di condensazione, che libera acqua nel processo. Questo processo si ripete più volte per formare una lunga catena polimerica composta da molti nucleotidi uniti tra loro.
Figura 7. Due nucleotidi si uniscono grazie a un legame fosfodiestere.
Il legame a idrogeno e la doppia elica
Concludiamo questa sezione esplorando come due lunghi filamenti di DNA si uniscono per formare una doppia elica. Abbiamo già detto che i filamenti opposti sono tenuti insieme da legami idrogeno. Questi legami si formano tra gli atomi di azoto e di idrogeno nelle basi dei nucleotidi.
Tuttavia, non si tratta di un processo casuale. Osservate di nuovo le quattro basi. Noterete che due basi, A e G, sono più grandi, mentre due, T e C, sono più piccole. Per mantenere le due catene di DNA a una distanza fissa l'una dall'altra, una base più grande può legarsi solo con una base più piccola. Ma la questione è un po' più complicata. A e T possono formare solo due legami idrogeno, mentre C e G ne possono formare tre. Ciò significa che A può legarsi solo a T e C solo a G. Pensate alle basi come ai pezzi di un puzzle: le altre combinazioni non si incastrano.
Figura 8. Accoppiamento di basi complementari.
Che effetto ha sul DNA? Prendiamo due filamenti di DNA. Ogni base A nel primo filamento deve legarsi a una base T nel secondo filamento e viceversa. Allo stesso modo, ogni base C del primo filamento deve legarsi a una base G del secondo filamento e viceversa. Il secondo filamento è quindi l'opposto del primo e si dice che i due filamenti sono complementari. Il legame a idrogeno tra le coppie di basi dà origine ai due filamenti complementari del DNA.
Figura 9. Appaiamento complementare di basi tra due filamenti di DNA
In che modo la struttura del DNA influisce sulla sua funzione?
Una delle cose sorprendenti del DNA è la sua semplicità. Ti starai chiedendo come una catena polimerica così semplice possa portare alla grande varietà di vita che vediamo intorno a noi. Come abbiamo detto in precedenza, tutti gli organismi viventi, dai minuscoli coleotteri ai rapaci in picchiata e agli elefanti in fuga, sono codificati da questa singola molecola, composta da sole quattro basi diverse. Ora analizzeremo come la struttura del DNA sia in relazione con la sua funzione e come ciò porti a una tale varietà di vita.
Struttura e replicazione del DNA
In primo luogo, la struttura del DNA ne facilita la replicazione. Questo è importante, perché ogni volta che una cellula si divide, ognuna delle cellule figlie ha bisogno del proprio set di DNA, e quindi la cellula deve farne una seconda copia. La replicazione è facile grazie alla natura complementare dell'appaiamento delle basi.
Si ricorda che i due filamenti opposti del DNA sono tenuti insieme da legami idrogeno. Questi sono molto più deboli degli altri legami presenti nel DNA e si rompono facilmente. Quando il DNA si replica, i legami idrogeno tra i filamenti si rompono e i due filamenti si staccano, esponendo le basi. I nucleotidi liberi che circolano nella cellula si attaccano alle basi esposte. Ma grazie alla natura complementare dell'appaiamento delle basi del DNA, il nuovo filamento che si forma è esattamente uguale a quello appena staccato!
I nucleotidi T si attaccano alle basi A del filamento originale e viceversa, mentre i nucleotidi C si attaccano alle basi G e viceversa. Questo accade anche all'altro filamento di DNA staccato. Il risultato finale è costituito da due doppie eliche di DNA identiche, entrambe formate da due filamenti di DNA complementari.
Struttura del DNA e sintesi proteica
Il DNA è importante perché codifica gli amminoacidi. Questi vengono utilizzati per creare le proteine. Lo fa in un modo particolare nel processo di sintesi proteica. La sintesi proteica può essere suddivisa in due parti: trascrizione e traduzione.
Non entreremo ora nei minimi dettagli, ma se vuoi saperne di più, dai un'occhiata alla Sintesi proteica nella sezione biologia di StudySmarter. Potreste anche esplorare la Biochimica delle proteine e gli Aminoacidi per maggiori informazioni su questi argomenti.
Transcrizione
Per creare le proteine, il DNA deve prima fare una copia speciale di se stesso. Questo è noto come mRNA e il processo è chiamato trascrizione. Il processo è simile a quello della replicazione del DNA. Poiché i legami idrogeno tra basi opposte sono deboli, si rompono facilmente e i due filamenti di DNA si separano. I nucleotidi complementari dell'mRNA si attaccano quindi al filamento di DNA esposto e si uniscono. Una volta che la catena è completamente assemblata, i deboli legami idrogeno tra il filamento di DNA e quello di mRNA si rompono e l'mRNA è libero di passare alla traduzione.
Ricorda che all'inizio dell'articolo abbiamo detto che il DNA si trova in quasi tutte le cellule? Alcune cellule, come i globuli rossi, non contengono affatto DNA. Ciò significa che non possono dividersi e riprodursi. I globuli rossi vengono invece prodotti nel midollo osseo delle ossa più grandi. Vivono per circa 100 giorni prima di essere riciclati dai macrofagi. Per saperne di più, consultare la sezione Fagocitosi.
Traduzione
Le proteine sono prodotte da piccoli macchinari nelle cellule chiamati ribosomi, in un processo chiamato traduzione. I ribosomi leggono le basi del filamento di mRNA e portano gli amminoacidi corretti, che si uniscono per formare una lunga catena polipeptidica. Le basi dell'mRNA vengono lette in gruppi di tre, chiamati codoni. Ogni codone indica al ribosoma di aggiungere un particolare amminoacido; in realtà, nel nostro corpo ce ne sono 20 tra cui scegliere.
Figura 10. Tre nucleotidi formano un codone.
Fermatevi un attimo a pensare a quante possibilità si aprono. I filamenti di DNA sono lunghi migliaia di nucleotidi e ogni gruppo di tre nucleotidi codifica per uno dei 20 diversi amminoacidi. Si tratta di un gran numero di combinazioni possibili! È così che il DNA codifica per un'ampia varietà di forme di vita: attraverso le sue diverse combinazioni di basi, copiate nelle molecole di mRNA, che vengono poi lette dai ribosomi e utilizzate per produrre proteine.
Esistono 64 diverse combinazioni possibili di basi, ma solo 20 diversi aminoacidi. Questo perché più combinazioni di codoni codificano per lo stesso amminoacido. Questo è utile perché significa che le mutazioni del DNA potrebbero non avere un effetto sull'amminoacido codificato. Le mutazioni sono solo cambiamenti nella sequenza di basi di un filamento di DNA e si verificano naturalmente come parte del processo di replicazione del DNA, ma possono anche essere causate da radiazioni. Ad esempio, tutti i codoni dell'mRNA che iniziano con la combinazione di basi CC- codificano per lo stesso amminoacido, la prolina. Per questo codone, non importa se viene commesso un errore durante la replicazione del filamento di DNA: verrà sempre prodotta una copia di mRNA che codifica per la prolina.
Per approfondire i temi della trascrizione e della traduzione, date un'occhiata alla Sintesi proteica.
Qual è la differenza tra la struttura del DNA e quella dell'RNA?
L'ultimo aspetto su cui ci soffermeremo è la differenza tra le strutture del DNA e dell'RNA.
RNA sta per acido ribonucleico. È un altro tipo di acido nucleico.
Abbiamo già incontrato l'mRNA, utilizzato nella sintesi proteica. Si possono trovare anche il tRNA e l'rRNA. Sia il DNA che l'RNA sono basati su catene di nucleotidi, ma presentano alcune differenze fondamentali:
- Lo zucchero presente nei nucleotidi del DNA è il desossiribosio, mentre quello presente nell'RNA è il ribosio.
- Il DNA contiene le quattro basi A, T, C e G. Tuttavia, l'RNA contiene la base uracile, U, al posto di T. U è quasi esattamente uguale a T, ma manca di un gruppo metile da uno dei suoi atomi di carbonio. Come la T, la U si lega alla A.
- Il DNA è una molecola lunga e a doppio filamento, mentre l'RNA è più corto e a singolo filamento.
Figura 11. Comparazione DNA e RNA.
C'è un intero articolo che esplora le differenze tra DNA e RNA. Lo si può trovare su La struttura dell'RNA.
DNA Structure - Punti chiave
- Il DNA è un acido nucleico costituito da due lunghe catene polimeriche avvolte insieme in una doppia elica.
- Il DNA è composto da monomeri chiamati nucleotidi. Ogni nucleotide contiene un gruppo fosfato, uno zucchero e una base.
- Lo zucchero che si trova nel DNA è il deossiribosio.
- Le quattro basi presenti nel DNA sono adenina, guanina, timina e citosina.
- I nucleotidi si uniscono grazie a un legame fosfodiestere che si forma in una reazione di condensazione.
- I filamenti opposti del DNA si uniscono grazie ai legami idrogeno tra basi complementari.
- La struttura del DNA svolge un ruolo importante nei processi di replicazione del DNA e di sintesi delle proteine.
- L'RNA è un altro tipo di acido nucleico. Presenta lo zucchero ribosio anziché il desossiribosio, la base uracile anziché la timina ed è a singolo filamento anziché a doppio filamento.
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