Anche se la struttura del DNA non era nota, gli elementi di base del DNA erano noti da molti anni. Gli elementi di base del DNA erano stati isolati e determinati rompendo parzialmente il DNA purificato. Questi studi hanno mostrato che il DNA è composto da quattro molecole di base chiamate nucleotidi, che sono identiche, tranne per il fatto che ciascuna contiene una base azotata diversa. Ogni nucleotide contiene fosfato, zucchero (del tipo desossiribosio) e una delle quattro basi (Figura 8-4). Quando il gruppo fosfato non è presente, la base e il desossiribosio formano un nucleoside piuttosto che un nucleotide. Le quattro basi sono adenina, guanina, citosina e timina. I nomi chimici completi dei nucleotidi sono deossiadenosina5′-monofosfato (deossiadenilato, o dAMP), deossiguanosina 5′-monofosfato (deossiguanilato, o dGMP), deossicitidina 5′-monofosfato (deossicitidilato, ordCMP), e deossitimidina 5′-monofosfato (deossitimidilato, o dTMP). Tuttavia, è più conveniente riferirsi ad ogni nucleotide con l’abbreviazione della sua base (A, G, C e T, rispettivamente). Due delle basi, adenina e guanina, hanno una struttura simile e sono chiamate purine. Le altre due basi, citosina e timina, sono anch’esse simili e sono chiamate pirimidine.
Figura 8-4
Struttura chimica dei quattro nucleotidi (due con basi puriniche e due con basi pirimidiniche) che sono gli elementi fondamentali del DNA.Lo zucchero è chiamato deossiribosio perché è una variazione di uno zucchero comune, il ribosio, che ha un ossigeno in più (più…)
Dopo che il ruolo centrale del DNA nell’ereditarietà è diventato chiaro, molti scienziati hanno cercato di determinare l’esatta struttura del DNA. Come può una molecola con una gamma così limitata di componenti diversi memorizzare la vasta gamma di informazioni su tutte le strutture primarie delle proteine dell’organismo vivente? I primi a riuscire a mettere insieme gli elementi costitutivi e a trovare una struttura ragionevole del DNA – Watson e Crick nel 1953 – hanno lavorato con due tipi di indizi. In primo luogo, Rosalind Franklin e Maurice Wilkins avevano accumulato dati di diffrazione dei raggi X sulla struttura del DNA. In questi esperimenti, i raggi X sono sparati alle fibre di DNA, e la dispersione dei raggi dalla fibra è osservata catturandoli sulla pellicola fotografica, dove i raggi X producono macchie. L’angolo di diffusione rappresentato da ogni macchia sulla pellicola dà informazioni sulla posizione di un atomo o di certi gruppi di atomi nella molecola di DNA. Questa procedura non è semplice da eseguire (o da spiegare), e l’interpretazione delle macchie è molto difficile. I dati disponibili suggerivano che il DNA è lungo e magro e che ha due parti simili che sono parallele tra loro e corrono lungo la lunghezza della molecola. I dati dei raggi X hanno mostrato che la molecola è elicoidale (a spirale). Altre irregolarità erano presenti negli schemi delle macchie, ma nessuno aveva ancora pensato a una struttura tridimensionale che potesse spiegare solo quegli schemi di macchie.
La seconda serie di indizi a disposizione di Watson e Crick venne dal lavoro fatto diversi anni prima da Erwin Chargaff. Studiando un’ampia selezione di DNA di diversi organismi (Tabella 8-1), Chargaff stabilì alcune regole empiriche sulle quantità di ogni componente del DNA:
Tabella 8-1
Proprietà molari delle basi* nei DNA di varie fonti.
La quantità totale di nucleotidi pirimidinici (T + C) è sempre uguale alla quantità totale di nucleotidi purinici (A + G).
La quantità di T è sempre uguale alla quantità di A, e la quantità di C è sempre uguale alla quantità di G. Ma la quantità di A + T non è necessariamente uguale alla quantità di G + C, come si può vedere nell’ultima colonna della Tabella 8-1. Questo rapporto varia tra i diversi organismi.
Doppia elica
La struttura che Watson e Crick hanno derivato da questi indizi è una doppia elica, che assomiglia piuttosto a due molle da letto incastrate. Ogni molla del letto (elica) è una catena di nucleotidi tenuti insieme da legami fosfodiesteri, in cui un gruppo fosfato forma un ponte tra gruppi -OH su due residui di zucchero adiacenti. Le due “molle del letto” (eliche) sono tenute insieme da legami idrogeno, in cui due atomi elettronegativi “condividono” un protone, tra le basi. I legami a idrogeno si formano tra atomi di idrogeno con una piccola carica positiva e atomi accettori con una piccola carica negativa. Per esempio,
Ogni atomo di idrogeno nel gruppo NH2 è leggermente positivo (δ+) perché l’atomo di azoto tende ad attrarre gli elettroni del legame N-H, lasciando così l’atomo di idrogeno leggermente a corto di elettroni. L’atomo di ossigeno ha sei elettroni non legati nel suo guscio esterno, rendendolo leggermente negativo (δ -). Un legame a idrogeno si forma tra un H e l’O. I legami a idrogeno sono abbastanza deboli (solo circa il 3% della forza di un legame chimico covalente), ma questa debolezza (come vedremo) gioca un ruolo importante nella funzione della molecola di DNA nell’ereditarietà. Un altro fatto chimico importante: il legame idrogeno è molto più forte se gli atomi partecipanti sono “puntati l’uno verso l’altro” negli orientamenti ideali.
I legami idrogeno sono formati da coppie di basi e sono indicati da linee tratteggiate nella Figura 8-5, che mostra una parte di questa struttura a coppie con le eliche non arrotolate. Ogni coppia di basi consiste di una base purinica e una pirimidinica, accoppiate secondo la seguente regola: G si accoppia con C, e A si accoppia con T. Nella Figura 8-6, un’immagine semplificata dell’avvolgimento, ciascuna delle coppie di basi è rappresentata da un “bastoncino” tra i “nastri”, o i cosiddetti ossicini di zucchero-fosfato delle catene. Nella Figura 8-5, si noti che le due dorsali corrono in direzioni opposte; si dice quindi che sono antiparallele, e (per ragioni evidenti nella figura) una è chiamata il filamento 5′ → 3′ e l’altra il filamento3′ → 5′.
Figura 8-5
La doppia elica del DNA, srotolata per mostrare le dorsali di zucchero-fosfato (blu) e i pioli di coppia di base (rosso). Le dorsali corrono in direzioni opposte; le estremità 5′ e 3′ sono chiamate così per l’orientamento degli atomi di carbonio 5′ e 3′ (più…)
Figura 8-6
Un modello semplificato che mostra la struttura elicoidale del DNA. I bastoncini rappresentano le coppie di basi, e i nastri rappresentano le ossa di zucchero-fosfato delle due catene antiparallele. Le varie misure sono date in angstrom (1 Å = 0,1 (più…)
La doppia elica si adattava bene ai dati dei raggi X e si legava molto bene ai dati di Chargaff. Studiando i modelli che fecero della struttura, Watson e Crick si resero conto che il raggio osservato della doppia elica (noto dai dati a raggi X) sarebbe stato spiegato se una base purinica si accoppia sempre (tramite legame a idrogeno) con una base pirimidina (Figura 8-7). Tale accoppiamento spiegherebbe la regolarità (A + G) = (T + C) osservata da Chargaff, ma prevederebbe quattro possibili accoppiamenti: T—A, T—G, C—A, e C—G. I dati di Chargaff, tuttavia, indicano che T si accoppia solo con A e C si accoppia solo con G. Watson e Crick hanno dimostrato che solo questi due accoppiamenti hanno le necessarie forme complementari “a chiave” per permettere un efficiente legame idrogeno (Figura 8-8).
Figura 8-7
L’accoppiamento delle purine con le pirimidine spiega esattamente il diametro della doppia elica del DNA determinato dai dati dei raggi X. (Da R. E. Dickerson, “The DNA Helix and How It Is Read”. Copyright ©1983 di Scientific American, Inc. (altro…)
Figura 8-8
Il legame a idrogeno tra A e T e tra G e C. (Da G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 da W. H. Freeman andCompany.)
Nota che la coppia G-C ha tre legami idrogeno, mentre la coppia A-T ne ha solo due. Prevediamo che il DNA contenente molte coppie G-C sia più stabile del DNA contenente molte coppie A-T. Infatti, questa previsione è confermata. La struttura del DNA spiega perfettamente i dati di Chargaff (Figura 8-9), e quella struttura è coerente con i dati X.
Figura 8-9
(a) Un modello space-filling della doppia elica del DNA. (b) Una rappresentazione srotolata di un breve tratto di coppie di nucleotidi, che mostra come l’accoppiamento A-T e G-C produce i rapporti di Chargaff. Questo modello è una delle diverse forme di DNA, denominata (più…)
Vista tridimensionale della doppia elica
In tre dimensioni, le basi formano strutture piuttosto piatte, e queste basi piatte si impilano in parte una sull’altra nella struttura contorta della doppia elica.Questo impilamento di basi aggiunge enormemente alla stabilità della molecola, escludendo le molecole d’acqua dagli spazi tra le coppie di basi. (Questo fenomeno è molto simile alla forza di stabilizzazione che si può sentire quando si stringono insieme due lastre di vetro sott’acqua e poi si cerca di separarle). La forma A è meno idratata della forma B ed è più compatta. Si ritiene che la forma B del DNA sia la forma che si trova più frequentemente nelle cellule viventi.
L’impilamento delle coppie di basi nella doppia elica provoca due scanalature nei backbone di fosfato di zucchero. Queste scanalature sono chiamate scanalature maggiori e minori e possono essere facilmente viste nel modello tridimensionale della Figura 8-9a.
Implicazioni della struttura del DNA
La spiegazione della struttura del DNA ha causato molto entusiasmo nella genetica (e in tutte le aree della biologia) per due ragioni fondamentali. In primo luogo, la struttura suggerisce un modo ovvio in cui la molecola può essere duplicata, o replicata, in quanto ogni base può specificare la sua base complementare attraverso il legame a idrogeno. Questa proprietà essenziale di una molecola genetica era stata un mistero fino a questo momento. In secondo luogo, la struttura suggerisce che forse questa sequenza di coppie di nucleotidi nel DNA detta la sequenza di amminoacidi nella proteina organizzata da quel gene. In altre parole, una sorta di codice genetico può scrivere informazioni nel DNA come una sequenza di coppie di nucleotidi e poi tradurle in un linguaggio diverso di sequenze di amminoacidi nelle proteine.
Questa informazione di base sul DNA è ora familiare a quasi chiunque abbia letto un libro di testo di biologia alle elementari o alle superiori, o anche riviste e giornali.Ma provate a rimettervi nella scena del 1953 e immaginate l’eccitazione.Fino ad allora, la prova che il poco interessante DNA era la molecola genetica era stata deludente e scoraggiante. Ma la struttura Watson-Crick del DNA aprì improvvisamente la possibilità di spiegare due dei più grandi “segreti” della vita. James Watson ha raccontato la storia di questa scoperta (dal suo punto di vista, fortemente messo in discussione da altri partecipanti) in un libro affascinante chiamato The Double Helix, che rivela l’intricata interazione di scontri di personalità, intuizioni intelligenti, duro lavoro e semplice fortuna in progressi scientifici così importanti.
Strutture alternative
Oltre alle forme A e B del DNA, una nuova forma è stata trovata in cristalli di DNA preparati sinteticamente che contengono G e C alternate sullo stesso filo. Questa forma di DNA Z ha una spina dorsale a zig-zag e genera un’elica sinistra, mentre sia il DNA A che quello B formano eliche destre.