L’acido desossiribonucleico o DNA è una molecola che è il vettore dell’informazione genetica in quasi tutti gli organismi viventi. Contiene le istruzioni biologiche per lo sviluppo, la sopravvivenza e la riproduzione degli organismi. Il DNA si trova nel nucleo di una cellula dove è impacchettato in una forma compatta chiamata cromosoma con l’aiuto di diverse proteine note come istoni. Si trova anche in strutture cellulari chiamate mitocondri. Tuttavia, nel caso dei procarioti, il DNA non è racchiuso in un nucleo o in una membrana, ma è presente nel citoplasma. Il DNA nei procarioti è generalmente circolare e superavvolto senza istoni. Il DNA immagazzina l’informazione genetica come una sequenza di nucleotidi in regioni speciali conosciute come geni che sono usati per produrre proteine. L’espressione dell’informazione genetica in proteine è un processo in due fasi in cui la sequenza di nucleotidi nel DNA è convertita in una molecola chiamata acido ribonucleico o RNA da un processo chiamato trascrizione. L’RNA è usato per produrre proteine attraverso un altro processo chiamato traduzione. Il genoma umano contiene quasi 3 – 109 basi con circa 20.000 geni su 23 cromosomi.

Il DNA fu scoperto per la prima volta dal biochimico tedesco Frederich Miescher nel 1869. Sulla base dei lavori di Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins e Rosalind Franklin, la struttura del DNA fu scoperta nel 1953. La struttura del DNA è una: due filamenti complementari di polinucleotidi che corrono in direzioni opposte e sono tenuti insieme da legami idrogeno tra loro. Questa struttura aiuta il DNA a replicarsi durante la divisione cellulare e anche a far sì che un solo filamento serva da modello durante la trascrizione.

• 1 Caratteristiche di una molecola di DNA
  • 1.1 Doppia Elica
  • 1.2 Basi complementari
  • 1.3 Denaturazione e rinaturazione del DNA
  • 1.4 Scanalature
• 2 Funzioni biologiche
  • 2.1 Replicazione
  • 2.2 Trascrizione e traduzione
• 3 Forme di DNA
• 4 Storia della struttura del DNA
• 5 Modelli di DNA

Caratteristiche di una molecola di DNA

Doppia Elica

consiste di due catene polinucleotidiche, . Il nel DNA è composto da un legato al 5′ di cui è collegato da un legame beta-glicosidico a una purina o una pirimidina . Il ribosio è un determinante principale di quale delle forme di DNA è presente. In questa scena, che mostra il DNA B, il carbonio 2′ è fuori dal piano degli altri membri dell’anello a cinque membri. I quattro tipi di basi sono le due basi puriniche a doppio anello e e le due basi pirimidiniche a singolo anello e. Gli atomi di idrogeno su alcuni atomi di azoto e di ossigeno possono subire spostamenti tautomerici. Gli atomi di azoto che sono coinvolti nella formazione del tautomero appaiono come gruppi amminici o imminici e gli atomi di ossigeno sono in forme cheto o enol. Utilizzando una timina isolata per illustrare la e la . C’è una preferenza per le forme amminica e cheto che è molto cruciale per il funzionamento biologico del DNA perché fornisce un con il desossiribosio e porta alla specificità del legame idrogeno nell’accoppiamento delle basi e quindi alla complementarità delle catene. L’azoto imino può servire solo come atomo donatore nel legame a idrogeno, ma l’azoto amminico può anche servire come atomo ricevente. Ogni nucleotide in una catena di DNA è legato ad un altro tramite . Ci sono quattro nucleotidi nel DNA. La spina dorsale di zucchero-fosfato del DNA è molto regolare a causa del legame fosfodiestere, mentre l’ordinamento delle basi è molto irregolare.

A C G T

Purine Pirimidine

Basi complementari

Le due catene in un DNA sono unite da legami idrogeno tra basi specifiche. L’adenina forma coppie di basi con la timina e la guanina con la citosina. Questo specifico accoppiamento di basi tra e è noto come accoppiamento di basi Watson-Crick. La specificità del legame a idrogeno tra le basi porta alla complementarità nella sequenza dei nucleotidi nelle due catene. Così in un filamento di DNA il contenuto di adenina è uguale a quello di timina e il contenuto di guanina è uguale a quello di citosina. In generale, il DNA con un più alto contenuto di GC è più stabile di quello con un più alto contenuto di AT a causa della stabilizzazione dovuta alle interazioni di impilamento delle basi.

Denatura e rinaturazione del DNA

Un doppio filamento di DNA può essere separato in due filamenti singoli rompendo i legami idrogeno tra loro. Questo è noto come denaturazione del DNA. L’energia termica fornita dal riscaldamento può essere usata per fondere o denaturare il DNA. Le molecole con un ricco contenuto di GC sono più stabili e quindi si denaturano a temperature più alte rispetto a quelle con un più alto contenuto di AT. La temperatura di fusione è definita come la temperatura alla quale metà dei filamenti di DNA sono in stato di doppia elica e metà sono in stato di bobina casuale. I singoli filamenti di DNA denaturati hanno la capacità di rinaturare e formare nuovamente il DNA a doppio filamento.

Grooves

In una serie di basi che sono accoppiate tra loro ma sono posizionate ad angolo. Questo si traduce in dorsali di fosfato di zucchero non equamente spaziate e dà luogo a due scanalature: la e la di diversa larghezza e profondità. Le sono sulla superficie del solco minore, e il solco maggiore è sul lato opposto. Il pavimento o la superficie del solco maggiore è riempito con il . La dimensione maggiore del solco maggiore permette il legame delle proteine specifiche del DNA.

Funzioni Biologiche

Fonti:

Replicazione

Il DNA subisce quella che è conosciuta come modalità semi conservativa di replicazione dove il DNA figlia contiene un filamento di DNA del genitore. La replicazione procede attraverso lo srotolamento della doppia elica seguito da primer di sintesi da dove inizia la replicazione. Un enzima DNA polimerasi sintetizza i filamenti complementari ad ogni filamento genitore dalla direzione 5′-3′.

Trascrizione e traduzione

L’espressione dei geni in proteine ed è un processo che coinvolge due fasi chiamate trascrizione e traduzione. Nella fase di trascrizione un filamento di molecola di DNA serve come modello per la sintesi di una molecola di RNA chiamata RNA messaggero. Questo RNA messaggero viene poi tradotto in proteine sui ribosomi.

Forme di DNA

Per un confronto delle diverse forme di DNA, vedi forme di DNA.

Storia della struttura del DNA

Il seguente riassunto è copiato da un Atlante di Macromolecole con il permesso:

È stato dimostrato che i geni risiedono nel DNA nel 1944 (Avery et al.) e questo è stato ampiamente accettato dopo gli esperimenti del 1952 di Hershey e Chase. La struttura a doppia elica del DNA fu prevista da James Watson e Francis Crick nel 1953 (Premio Nobel, 1962). La loro previsione era basata in parte sugli studi di diffrazione dei raggi X di Rosalind Franklin, a cui Watson e Maurice Wilkins diedero un credito inadeguato. La doppia elica di forma B prevista non fu confermata con strutture cristalline a risoluzione atomica fino al 1973, prima usando dinucleotidi di RNA (Rosenberg et al.). La prima struttura cristallina contenente più di un giro completo della doppia elica non fu risolta fino al 1980 (1bna, 1981, 12 coppie di basi). Il ritardo di più di un quarto di secolo tra la previsione e la conferma empirica ha coinvolto lo sviluppo della cristallografia a raggi X per le macromolecole e la necessità di produrre una breve e definita sequenza di DNA per la cristallizzazione. Questo breve resoconto è basato su una recensione di Berman, Gelbin, e Westbrook , dove si trovano i riferimenti.

Modelli di DNA

Il modello di DNA usato nelle scene del presente articolo è un modello teorico (Image:B-DNA.pdb), non disponibile nella Protein Data Bank. Il file PDB non segue alcune convenzioni di formato PDB:

• Le basi sono designate ADE, CYT, GUA, e THY invece degli standard DA, DC, DG e DT.
• Le catene non sono nominate. Tipicamente sarebbero chiamate A e B.

Una catena contiene residui numerati 1-12 in sequenza CGCG AATT CGCG. L’altra catena contiene residui numerati 13-24 con una sequenza identica (antiparallela).

I modelli teorici rappresentano tipicamente la conformazione idealizzata del DNA, mentre il DNA reale può avere varie irregolarità tra cui piegature e pieghe (vedi esempi legati al repressore Lac). Ci sono molti modelli empirici per il DNA, i primi sono diventati disponibili negli anni ’70 e ’80 (vedi sopra). Nel maggio 2012, la Protein Data Bank contiene quasi 4.000 voci contenenti DNA. Più di 1.300 contengono solo DNA, mentre più di 2.000 contengono complessi proteina-DNA. Più di 100 voci contengono proteine, DNA e RNA, e più di 100 contengono molecole ibride DNA/RNA.

Per visualizzazioni più interattive del DNA, vedi DNA.MolviZ.Org, un tutorial che è disponibile in nove lingue.