Negli anni 50, Francis Crick e James Watson lavorarono insieme all’Università di Cambridge, in Inghilterra, per determinare la struttura del DNA. 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. La cristallografia a raggi X è un metodo per studiare la struttura molecolare osservando i modelli formati dai raggi X sparati attraverso un cristallo della sostanza. Gli schemi forniscono importanti informazioni sulla struttura della molecola di interesse. Nel laboratorio di Wilkins, la ricercatrice Rosalind Franklin stava usando la cristallografia a raggi X per capire la struttura del DNA. Watson e Crick furono in grado di mettere insieme il puzzle della molecola del DNA usando i dati di Franklin (Figura 9.2). Watson e Crick avevano anche informazioni chiave disponibili da altri ricercatori, come le regole di Chargaff. Chargaff aveva dimostrato che dei quattro tipi di monomeri (nucleotidi) presenti in una molecola di DNA, due tipi erano sempre presenti in quantità uguali e gli altri due tipi erano anch’essi sempre presenti in quantità uguali. Questo significa che erano sempre accoppiati in qualche modo. Nel 1962, James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ricevettero il premio Nobel per la medicina per il loro lavoro nel determinare la struttura del DNA.

Ora consideriamo la struttura dei due tipi di acidi nucleici, l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). Gli elementi costitutivi del DNA sono i nucleotidi, che sono costituiti da tre parti: un desossiribosio (zucchero a 5 carboni), un gruppo fosfato e una base azotata (Figura 9.3). Ci sono quattro tipi di basi azotate nel DNA. L’adenina (A) e la guanina (G) sono purine a doppio anello, mentre la citosina (C) e la timina (T) sono pirimidine più piccole e a singolo anello. Il nucleotide prende il nome dalla base azotata che contiene.

Il gruppo fosfato di un nucleotide si lega covalentemente con la molecola di zucchero del nucleotide successivo, e così via, formando un lungo polimero di monomeri nucleotidici. I gruppi zucchero-fosfato si allineano in una “spina dorsale” per ogni singolo filamento di DNA, e le basi nucleotidiche sporgono da questa spina dorsale. Gli atomi di carbonio dello zucchero a cinque carboni sono numerati in senso orario dall’ossigeno come 1′, 2′, 3′, 4′, e 5′ (1′ si legge come “un primo”). Il gruppo fosfato è attaccato al carbonio 5′ di un nucleotide e al carbonio 3′ del nucleotide successivo. Nel suo stato naturale, ogni molecola di DNA è in realtà composta da due singoli filamenti tenuti insieme per tutta la loro lunghezza con legami idrogeno tra le basi.

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, chiamata doppia elica. L’accoppiamento delle basi avviene tra una purina e una pirimidina: la A si accoppia con la T e la G si accoppia con la C. In altre parole, l’adenina e la timina sono coppie di basi complementari e la citosina e la guanina sono anch’esse coppie di basi complementari. Questa è la base della regola di Chargaff; a causa della loro complementarità, c’è tanta adenina quanta timina in una molecola di DNA e tanta guanina quanta citosina. L’adenina e la timina sono collegate da due legami idrogeno, mentre la citosina e la guanina sono collegate da tre legami idrogeno. I due filamenti sono di natura antiparallela; cioè, un filamento avrà il carbonio 3′ dello zucchero in posizione “ascendente”, mentre l’altro filamento avrà il carbonio 5′ in posizione ascendente. Il diametro della doppia elica del DNA è uniforme dappertutto perché una purina (due anelli) si accoppia sempre con una pirimidina (un anello) e le loro lunghezze combinate sono sempre uguali. (Figura 9.4).

C’è un secondo acido nucleico in tutte le cellule chiamato acido ribonucleico, o RNA. Come il DNA, l’RNA è un polimero di nucleotidi. Ogni nucleotide dell’RNA è composto da una base azotata, uno zucchero a cinque carboni e un gruppo fosfato. Nel caso dell’RNA, lo zucchero a cinque carboni è il ribosio, non il desossiribosio. Il ribosio ha un gruppo idrossile al 2′ carbonio, a differenza del desossiribosio, che ha solo un atomo di idrogeno (Figura 9.5).

I nucleotidi dell’RNA contengono le basi azotate adenina, citosina e guanina. Tuttavia, non contengono timina, che è invece sostituita dall’uracile, simboleggiato da una “U”. L’RNA esiste come molecola a singolo filamento piuttosto che come elica a doppio filamento. I biologi molecolari hanno chiamato diversi tipi di RNA sulla base della loro funzione. Questi includono l’RNA messaggero (mRNA), l’RNA di trasferimento (tRNA) e l’RNA ribosomiale (rRNA), molecole che sono coinvolte nella produzione di proteine dal codice del DNA.

Come il DNA è disposto nella cellula

Il DNA è una molecola di lavoro; deve essere replicato quando una cellula è pronta a dividersi, e deve essere “letto” per produrre le molecole, come le proteine, per svolgere le funzioni della cellula. Per questo motivo, il DNA è protetto e confezionato in modi molto specifici. Inoltre, le molecole di DNA possono essere molto lunghe. Allungate da un capo all’altro, le molecole di DNA di una singola cellula umana raggiungerebbero una lunghezza di circa 2 metri. Quindi, il DNA di una cellula deve essere impacchettato in modo molto ordinato per adattarsi e funzionare all’interno di una struttura (la cellula) che non è visibile a occhio nudo. I cromosomi dei procarioti sono molto più semplici di quelli degli eucarioti in molte delle loro caratteristiche (Figura 9.6). La maggior parte dei procarioti contiene un singolo cromosoma circolare che si trova in un’area del citoplasma chiamata nucleoide.

La dimensione del genoma in uno dei procarioti più studiati, Escherichia coli, è di 4,6 milioni di coppie di basi, che si estenderebbero per una distanza di circa 1,6 mm se allungate. Ma come fa tutto questo a stare in una piccola cellula batterica? Il DNA è attorcigliato oltre la doppia elica in quello che è noto come supercoiling. Alcune proteine sono note per essere coinvolte nel superavvolgimento; altre proteine ed enzimi aiutano a mantenere la struttura superavvolta.

Gli eucarioti, i cui cromosomi sono costituiti ciascuno da una molecola di DNA lineare, impiegano un diverso tipo di strategia di imballaggio per inserire il loro DNA nel nucleo. Al livello più elementare, il DNA è avvolto intorno a proteine note come istoni per formare strutture chiamate nucleosomi. Il DNA è avvolto strettamente intorno al nucleo di istoni. Questo nucleosoma è collegato al successivo da un breve filamento di DNA che è libero dagli istoni. Questa è anche conosciuta come la struttura “perline su una corda”; i nucleosomi sono le “perline” e le brevi lunghezze di DNA tra di loro sono la “corda”. I nucleosomi, con il loro DNA arrotolato intorno a loro, si impilano in modo compatto l’uno sull’altro per formare una fibra larga 30-nm. Questa fibra è ulteriormente arrotolata in una struttura più spessa e compatta. Nella fase di metafase della mitosi, quando i cromosomi sono allineati al centro della cellula, i cromosomi sono al massimo della loro compattezza. Hanno una larghezza di circa 700 nm e si trovano in associazione con le proteine dell’impalcatura.

Nell’interfase, la fase del ciclo cellulare tra le mitosi in cui i cromosomi sono decondensati, i cromosomi eucarioti hanno due regioni distinte che possono essere distinte dalla colorazione. C’è una regione strettamente impacchettata che si macchia di scuro, e una regione meno densa. Le regioni che si macchiano di scuro di solito contengono geni che non sono attivi e si trovano nelle regioni del centromero e dei telomeri. Le regioni che si macchiano leggermente di solito contengono geni che sono attivi, con il DNA impacchettato intorno ai nucleosomi ma non ulteriormente compattato.

Riassunto della sezione

Il modello della struttura a doppia elica del DNA fu proposto da Watson e Crick. La molecola di DNA è un polimero di nucleotidi. Ogni nucleotide è composto da una base azotata, uno zucchero a cinque carboni (desossiribosio) e un gruppo fosfato. Ci sono quattro basi azotate nel DNA, due purine (adenina e guanina) e due pirimidine (citosina e timina). Una molecola di DNA è composta da due filamenti. Ogni filo è composto da nucleotidi legati insieme covalentemente tra il gruppo fosfato di uno e lo zucchero desossiribosio del successivo. Da questa spina dorsale si estendono le basi. Le basi di un filamento si legano alle basi del secondo filamento con legami idrogeno. L’adenina si lega sempre alla timina e la citosina alla guanina. Il legame fa sì che i due filamenti si avvolgano a spirale l’uno intorno all’altro in una forma chiamata doppia elica. L’acido ribonucleico (RNA) è un secondo acido nucleico che si trova nelle cellule. L’RNA è un polimero a singolo filamento di nucleotidi. Differisce anche dal DNA in quanto contiene lo zucchero ribosio, piuttosto che il deossiribosio, e il nucleotide uracile piuttosto che la timina. Varie molecole di RNA funzionano nel processo di formazione delle proteine a partire dal codice genetico del DNA.

I procarioti contengono un singolo cromosoma circolare a doppio filo. Gli eucarioti contengono molecole di DNA lineare a doppio filamento impacchettate nei cromosomi. L’elica del DNA è avvolta intorno alle proteine per formare i nucleosomi. Le bobine proteiche sono ulteriormente arrotolate, e durante la mitosi e la meiosi, i cromosomi diventano ancora più arrotolati per facilitare il loro movimento. I cromosomi hanno due regioni distinte che possono essere distinte mediante colorazione, che riflettono diversi gradi di impacchettamento e sono determinati dal fatto che il DNA in una regione sia espresso (eucromatina) o meno (eterocromatina).