Biologia per non-magistrati I

Cosa imparerai a fare: Spiegare come il DNA memorizza le informazioni genetiche

La struttura unica del DNA è la chiave della sua capacità di memorizzare e replicare le informazioni genetiche:

Figura 1

In questo risultato, imparerai a descrivere la struttura a doppia elica del DNA: la sua scala di backbone di zucchero-fosfato con base azotata “pioli” della scala.

Struttura del DNA

I componenti del DNA sono nucleotidi. I componenti importanti di ogni nucleotide sono una base azotata, il desossiribosio (zucchero a 5 carboni) e un gruppo fosfato (vedi figura 2). Ogni nucleotide prende il nome dalla sua base azotata. La base azotata può essere una purina, come l’adenina (A) e la guanina (G), o una pirimidina, come la citosina (C) e la timina (T). Anche l’uracile (U) è una pirimidina (come si vede nella figura 2), ma si trova solo nell’RNA, di cui parleremo più avanti.

Figura 2. Ogni nucleotide è composto da uno zucchero, un gruppo fosfato e una base azotata. Lo zucchero è il desossiribosio nel DNA e il ribosio nell’RNA.

I nucleotidi si combinano tra loro tramite legami covalenti noti come legami fosfodiesteri o legami. Il residuo di fosfato è attaccato al gruppo idrossile del carbonio 5′ di uno zucchero di un nucleotide e al gruppo idrossile del carbonio 3′ dello zucchero del nucleotide successivo, formando così un legame fosfodiestere 5′-3′.

Negli anni 50, Francis Crick e James Watson hanno lavorato insieme per determinare la struttura del DNA all’Università di Cambridge, in Inghilterra. Anche altri scienziati come Linus Pauling e Maurice Wilkins stavano esplorando attivamente questo campo. Pauling aveva scoperto la struttura secondaria delle proteine usando la cristallografia a raggi X. Nel laboratorio di Wilkins, la ricercatrice Rosalind Franklin stava usando i metodi di diffrazione dei raggi X per capire la struttura del DNA. Watson e Crick furono in grado di mettere insieme il puzzle della molecola del DNA sulla base dei dati di Franklin perché anche Crick aveva studiato la diffrazione dei raggi X (Figura 3). Nel 1962 James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ricevettero il premio Nobel per la medicina. Sfortunatamente, a quel punto Franklin era morto e i premi Nobel non vengono assegnati postumi.

Figura 3. Il lavoro degli scienziati pionieri (a) James Watson, Francis Crick e Maclyn McCarty ha portato alla nostra attuale comprensione del DNA. La scienziata Rosalind Franklin ha scoperto (b) il modello di diffrazione a raggi X del DNA, che ha contribuito a chiarire la sua struttura a doppia elica. (credito a: modifica del lavoro di Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson e Crick hanno proposto che il DNA sia composto da due filamenti che si attorcigliano l’uno sull’altro per formare un’elica destrorsa. L’accoppiamento delle basi avviene tra una purina e una pirimidina, cioè la A si accoppia con la T e la G si accoppia con la C. L’adenina e la timina sono coppie di basi complementari, e anche la citosina e la guanina sono coppie di basi complementari. Le coppie di basi sono stabilizzate da legami idrogeno; adenina e timina formano due legami idrogeno e citosina e guanina formano tre legami idrogeno. I due filamenti sono antiparalleli in natura; cioè, l’estremità 3′ di un filamento è rivolta verso l’estremità 5′ dell’altro filamento. Lo zucchero e il fosfato dei nucleotidi formano la spina dorsale della struttura, mentre le basi azotate sono impilate all’interno. Ogni coppia di basi è separata dall’altra coppia di basi da una distanza di 0,34 nm, e ogni giro dell’elica misura 3,4 nm. Pertanto, dieci coppie di basi sono presenti per ogni giro dell’elica. Il diametro della doppia elica del DNA è di 2 nm, ed è uniforme in tutto. Solo l’accoppiamento tra una purina e una pirimidina può spiegare il diametro uniforme. La torsione dei due filamenti l’uno intorno all’altro porta alla formazione di scanalature maggiori e minori uniformemente spaziate (Figura 4).

Figura 4. Il DNA ha (a) una struttura a doppia elica e (b) legami fosfodiesteri. Le (c) scanalature maggiori e minori sono siti di legame per le proteine leganti il DNA durante processi come la trascrizione (la copia dell’RNA dal DNA) e la replicazione.

Informazioni genetiche

Le informazioni genetiche di un organismo sono immagazzinate nelle molecole di DNA. Come può un tipo di molecola contenere tutte le istruzioni per creare esseri viventi complicati come noi? Quale componente o caratteristica del DNA può contenere questa informazione? Deve provenire dalle basi azotate, perché, come già sapete, la spina dorsale di tutte le molecole di DNA è la stessa. Ma ci sono solo quattro basi nel DNA: G, A, C e T. La sequenza di queste quattro basi può fornire tutte le istruzioni necessarie per costruire qualsiasi organismo vivente. Potrebbe essere difficile immaginare che 4 diverse “lettere” possano comunicare così tante informazioni. Ma pensate alla lingua inglese, che può rappresentare un’enorme quantità di informazioni usando solo 26 lettere. Ancora più profondo è il codice binario usato per scrivere programmi informatici. Questo codice contiene solo uno e zero, e pensa a tutte le cose che il tuo computer può fare. L’alfabeto del DNA può codificare istruzioni molto complesse usando solo quattro lettere, anche se i messaggi finiscono per essere molto lunghi. Per esempio, il batterio E. coli porta le sue istruzioni genetiche in una molecola di DNA che contiene più di cinque milioni di nucleotidi. Il genoma umano (tutto il DNA di un organismo) consiste di circa tre miliardi di nucleotidi suddivisi tra 23 molecole di DNA accoppiate, o cromosomi.

Le informazioni immagazzinate nell’ordine delle basi sono organizzate in geni: ogni gene contiene informazioni per realizzare un prodotto funzionale. L’informazione genetica viene prima copiata in un altro polimero di acido nucleico, l’RNA (acido ribonucleico), conservando l’ordine delle basi nucleotidiche. I geni che contengono istruzioni per produrre proteine sono convertiti in RNA messaggero (mRNA). Alcuni geni specializzati contengono istruzioni per produrre molecole di RNA funzionali che non producono proteine. Queste molecole di RNA funzionano influenzando direttamente i processi cellulari; per esempio alcune di queste molecole di RNA regolano l’espressione dell’mRNA. Altri geni producono molecole di RNA che sono necessarie per la sintesi proteica, l’RNA di trasferimento (tRNA) e l’RNA ribosomiale (rRNA).

Perché il DNA funzioni efficacemente per immagazzinare informazioni, sono necessari due processi chiave. In primo luogo, le informazioni memorizzate nella molecola di DNA devono essere copiate, con errori minimi, ogni volta che una cellula si divide. Questo assicura che entrambe le cellule figlie ereditino il set completo di informazioni genetiche dalla cellula madre. In secondo luogo, le informazioni immagazzinate nella molecola di DNA devono essere tradotte, o espresse. Affinché le informazioni immagazzinate siano utili, le cellule devono essere in grado di accedere alle istruzioni per produrre proteine specifiche, in modo che le proteine corrette siano prodotte nel posto giusto al momento giusto.

Figura 5. La doppia elica del DNA. Grafico modificato da “DNA chemical structure”, di Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Sia la copia che la lettura delle informazioni immagazzinate nel DNA si basano sull’accoppiamento delle basi tra due filamenti di polimeri di acido nucleico. Ricordiamo che la struttura del DNA è una doppia elica (vedi Figura 5).

Lo zucchero desossiribosio con il gruppo fosfato forma l’impalcatura o spina dorsale della molecola (evidenziato in giallo nella Figura 5). Le basi puntano verso l’interno. Le basi complementari formano legami idrogeno l’una con l’altra all’interno della doppia elica. Guarda come le basi più grandi (purine) si accoppiano con quelle più piccole (pirimidine). Questo mantiene costante la larghezza della doppia elica. Più specificamente, la A si accoppia con la T e la C si accoppia con la G. Mentre discutiamo la funzione del DNA nelle sezioni successive, tenete a mente che c’è una ragione chimica per lo specifico accoppiamento delle basi.

Per illustrare la connessione tra le informazioni nel DNA e una caratteristica osservabile di un organismo, consideriamo un gene che fornisce le istruzioni per costruire l’ormone insulina. L’insulina è responsabile della regolazione dei livelli di zucchero nel sangue. Il gene dell’insulina contiene le istruzioni per assemblare la proteina insulina da singoli aminoacidi. Cambiare la sequenza di nucleotidi nella molecola di DNA può cambiare gli aminoacidi nella proteina finale, portando ad un malfunzionamento della proteina. Se l’insulina non funziona correttamente, potrebbe non essere in grado di legarsi ad un’altra proteina (recettore dell’insulina). A livello organizzativo dell’organismo, questo evento molecolare (cambiamento della sequenza del DNA) può portare ad uno stato di malattia – in questo caso, il diabete.

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