DNA: storia, funzioni, struttura, componenti
Il DNA (acido desossiribonucleico) è la biomolecola che contiene tutte le informazioni necessarie per generare un organismo e mantenerne il funzionamento. È composto da unità chiamate nucleotidi, formate a loro volta da un gruppo fosfato, una molecola di zucchero di cinque atomi di carbonio e una base azotata.
Vi sono quattro basi azotate: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Adenina si accoppia sempre con timina e guanina con citosina. Il messaggio contenuto nel filamento del DNA viene trasformato in un RNA messaggero e questo partecipa alla sintesi delle proteine.
Il DNA è una molecola estremamente stabile, caricata negativamente a pH fisiologico, che è associato a proteine positive (istoni) a compattare efficientemente nel nucleo delle cellule eucariotiche. Una lunga catena di DNA, insieme a varie proteine associate forma un cromosoma.
storia
Nell'anno 1953, l'americano James Watson e l'inglese Francis Crick riuscirono a delucidare la struttura tridimensionale del DNA, grazie al lavoro in cristallografia condotto da Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Hanno anche basato le loro conclusioni sulle opere di altri autori.
L'esposizione del DNA ai raggi X forma un modello di diffrazione che può essere utilizzato per dedurre la struttura della molecola: un'elica di due catene antiparallele che girano a destra, dove entrambe le catene sono collegate da legami idrogeno tra le basi . Lo schema ottenuto era il seguente:
La struttura può essere assunta seguendo le leggi della diffrazione di Bragg: quando un oggetto è interposto nel mezzo di un raggio di raggi X, viene riflesso, poiché gli elettroni dell'oggetto interagiscono con il raggio.
Il 25 aprile 1953 i risultati di Watson e Crick furono pubblicati nella prestigiosa rivista Nature, in un articolo di due pagine intitolato " Struttura molecolare degli acidi nucleici ", che rivoluzionerebbe completamente il campo della biologia.
Grazie a questa scoperta, i ricercatori hanno ricevuto il premio Nobel per la medicina nel 1962, ad eccezione di Franklin che è morto prima della consegna. Attualmente questa scoperta è uno dei grandi esponenti del successo del metodo scientifico per acquisire nuove conoscenze.
componenti
La molecola del DNA è composta da nucleotidi, unità formate da uno zucchero di cinque atomi di carbonio attaccato a un gruppo fosfato e una base azotata. Il tipo di zucchero presente nel DNA è di tipo desossiribosio e quindi il suo nome, acido desossiribonucleico.
Per formare la catena, i nucleotidi sono legati covalentemente da un legame fosfodiestere per mezzo di un gruppo 3'-idrossile (-OH) da uno zucchero e il 5'-fosfofo dal successivo nucleotide.
Non confondere nucleotidi con nucleosidi. Quest'ultimo si riferisce alla parte del nucleotide formata solo dal pentoso (zucchero) e dalla base azotata.
Il DNA è costituito da quattro tipi di basi azotate: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T).
Le basi azotate sono classificate in due categorie: purine e pirimidine. Il primo gruppo consiste in un anello di cinque atomi uniti a un altro anello di sei, mentre i pirimidini sono composti da un singolo anello.
Tra le basi citate, l'adenina e la guanina sono derivati delle purine. Al contrario, il gruppo di pirimidine appartiene a timina, citosina e uracile (presente nella molecola di RNA).
struttura
Una molecola di DNA è composta da due catene nucleotidiche. Questa "catena" è conosciuta come un filamento di DNA.
I due fili sono uniti da legami idrogeno tra le basi complementari. Le basi azotate sono collegate in modo covalente ad uno scheletro di zuccheri e fosfati.
Ciascun nucleotide situato in un trefolo può essere accoppiato con un altro nucleotide specifico dell'altro filamento, per formare la doppia elica nota. Per formare una struttura efficiente, A si accoppia sempre con T per mezzo di due ponti a idrogeno e G con C per tre ponti.
La legge di Chargaff
Se studiamo le proporzioni delle basi azotate nel DNA, scopriremo che la quantità di A è identica alla quantità di T e la stessa di G e C. Questo modello è noto come legge di Chargaff.
Questo abbinamento è energeticamente favorevole, poiché consente di preservare una larghezza simile lungo la struttura, mantenendo una distanza simile lungo la molecola dello scheletro di zucchero-fosfato. Si noti che una base di un anello è accoppiata con uno di un anello.
Modello della doppia elica
Si propone che la doppia elica sia composta da 10, 4 nucleotidi per turno, separati da una distanza da centro a centro di 3, 4 nanometri. Il processo di avvolgimento dà origine alla formazione di solchi nella struttura, potendo osservare un solco maggiore e uno minore.
I solchi si presentano perché i legami glicosidici nelle coppie di basi non sono opposti l'uno all'altro, rispetto al loro diametro. Nel solco minore troviamo la pirimidina O-2 e la purina N-3, mentre la scanalatura maggiore si trova nella regione opposta.
Se usiamo l'analogia di una scala, i pioli consistono delle coppie di basi complementari l'una all'altra, mentre lo scheletro corrisponde alle due barre di presa.
Le estremità della molecola del DNA non sono le stesse, quindi parliamo di "polarità". Una delle sue estremità, 3 ', porta un gruppo -OH, mentre l'estremità 5' ha il gruppo fosfato libero.
I due fili si trovano antiparalleli, il che significa che si trovano di fronte alle loro polarità, come segue:
Inoltre, la sequenza di uno dei fili deve essere complementare al suo partner, se è una posizione A, il filo antiparallelo deve essere un T.
organizzazione
In ogni cellula umana ci sono circa due metri di DNA che devono essere confezionati in modo efficiente.
Il filo deve essere compattato in modo che possa essere contenuto in un nucleo microscopico di 6 μm di diametro che occupa solo il 10% del volume cellulare. Questo è possibile grazie ai seguenti livelli di compattazione:
istoni
Negli eucarioti ci sono proteine chiamate istoni, che hanno la capacità di legarsi alla molecola del DNA, essendo il primo livello di compattazione del filo. Gli istoni hanno cariche positive per poter interagire con le cariche negative del DNA, apportate dai fosfati.
Gli istoni sono proteine così importanti per gli organismi eucarioti che sono stati virtualmente invariabili nel corso dell'evoluzione - ricordando che un basso tasso di mutazioni indica che le pressioni selettive su detta molecola sono forti. Un difetto negli istoni potrebbe causare una compattazione difettosa nel DNA.
Gli istoni possono essere modificati biochimicamente e questo processo modifica il livello di compattazione del materiale genetico.
Quando gli istoni sono "ipoacetilati" la cromatina è più condensata, poiché le forme acetilate neutralizzano le cariche positive della lisina (aminoacidi con carica positiva) nella proteina.
Nucleosomi e fibra 30 nm
Il filamento di DNA è arrotolato negli istoni e forma strutture che ricordano le perle di una collana di perle, chiamate nucleosomi. Al centro di questa struttura ci sono due copie di ciascun tipo di istoni: H2A, H2B, H3 e H4. L'unione dei diversi istoni è chiamata "istone octamer".
L'octamer è circondato da 146 coppie di basi, dando meno di due turni. Una cellula diploide umana contiene circa 6, 4 x 109 nucleotidi che sono organizzati in 30 milioni di nucleosomi.
L'organizzazione in nucleosomi consente di compattare il DNA in più di un terzo della sua lunghezza originale.
In un processo di estrazione del materiale genetico in condizioni fisiologiche si osserva che i nucleosomi sono disposti in una fibra di 30 nanometri.
cromosomi
I cromosomi sono l'unità funzionale dell'ereditarietà, la cui funzione è di trasportare i geni di un individuo. Un gene è un segmento di DNA che contiene le informazioni per sintetizzare una proteina (o una serie di proteine). Tuttavia, ci sono anche geni che codificano per elementi regolatori, come l'RNA.
Tutte le cellule umane (eccetto i gameti e gli eritrociti del sangue) hanno due copie di ciascun cromosoma, uno ereditato dal padre e l'altro dalla madre.
I cromosomi sono strutture composte da una lunga porzione lineare di DNA associata ai complessi proteici sopra menzionati. Normalmente negli eucarioti, tutto il materiale genetico incluso nel nucleo è diviso in una serie di cromosomi.
Organizzazione nei procarioti
I procarioti sono organismi privi di un nucleo. In queste specie, il materiale genetico è altamente arrotolato insieme a proteine alcaline a basso peso molecolare. In questo modo, il DNA viene compattato e localizzato in una regione centrale del batterio.
Alcuni autori chiamano questa struttura "cromosoma batterico", sebbene non abbia le stesse caratteristiche di un cromosoma eucariotico.
Quantità di DNA
Non tutte le specie di organismi contengono la stessa quantità di DNA. In realtà, questo valore è altamente variabile tra le specie e non vi è alcuna relazione tra la quantità di DNA e la complessità dell'organismo. Questa contraddizione è nota come il "paradosso del valore C".
Il ragionamento logico sarebbe intuire che più l'organismo è complesso, più il DNA possiede. Tuttavia, questo non è vero in natura.
Ad esempio, il genoma del pesce polmonare Protopterus aethiopicus ha una dimensione di 132 pg (il DNA può essere quantificato in picogrammi = pg) mentre il genoma umano pesa solo 3, 5 pg.
Ricorda che non tutto il DNA di un organismo codifica per proteine, una grande quantità di questo è correlato agli elementi regolatori e ai diversi tipi di RNA.
Forme strutturali del DNA
Il modello Watson e Crick, dedotto dai modelli di diffrazione dei raggi X, è noto come elica B-DNA ed è il modello "tradizionale" e più conosciuto. Tuttavia, ci sono altre due forme diverse, chiamate DNA-A e DNA-Z.
DNA-A
La variante "A" ruota a destra, proprio come il DNA-B, ma è più corta e larga. Questa forma appare quando l'umidità relativa diminuisce.
Il DNA-A ruota ogni 11 coppie di basi, il solco maggiore è più stretto e più profondo del B-DNA. Rispetto al solco minore, questo è più superficiale e ampio.
Z-DNA
La terza variante è lo Z-DNA. È la forma più stretta, formata da un gruppo di esanucleotidi organizzati in un duplex di catene antiparalleli. Una delle caratteristiche più sorprendenti di questo modulo è che gira a sinistra, mentre le altre due forme lo fanno a destra.
Lo Z-DNA appare quando vi sono brevi sequenze alternate di pirimidine e purine. Il solco maggiore è piatto e il più piccolo è più stretto e più profondo, rispetto al B-DNA.
Sebbene in condizioni fisiologiche la molecola del DNA sia per lo più nella sua forma B, l'esistenza delle due varianti descritte espone la flessibilità e il dinamismo del materiale genetico.
funzioni
La molecola del DNA contiene tutte le informazioni e le istruzioni necessarie per la costruzione di un organismo. Il set completo di informazioni genetiche negli organismi è chiamato genoma .
Il messaggio è codificato dall '"alfabeto biologico": le quattro basi menzionate in precedenza, A, T, G e C.
Il messaggio può portare alla formazione di vari tipi di proteine o codifica per alcuni elementi regolatori. Il processo attraverso il quale queste basi possono fornire un messaggio, è spiegato di seguito:
Replicazione, trascrizione e traduzione
Il messaggio crittografato nelle quattro lettere A, T, G e C fornisce come risultato un fenotipo (non tutto il codice delle sequenze di DNA per le proteine). Per ottenere ciò, il DNA deve replicarsi in ogni processo di divisione cellulare.
La replicazione del DNA è semiconservativa: un filamento funge da modello per la formazione della nuova molecola figlia. Diversi enzimi catalizzano la replicazione, compresa la primasi del DNA, l'elicasi del DNA, la ligasi del DNA e la topoisomerasi.
Successivamente, il messaggio - scritto in un linguaggio di sequenza base - deve essere trasmesso a una molecola intermedia: RNA (acido ribonucleico). Questo processo è chiamato trascrizione.
Affinché possa avvenire la trascrizione, devono partecipare diversi enzimi, inclusa la RNA polimerasi.
Questo enzima è responsabile della copia del messaggio DNA e della sua conversione in una molecola di RNA messaggero. In altre parole, lo scopo della trascrizione è ottenere il messaggero.
Infine, il messaggio viene tradotto in molecole di RNA messaggero, grazie ai ribosomi.
Queste strutture prendono l'RNA messaggero e insieme alla macchina di traduzione formano la proteina specificata.
Il codice genetico
Il messaggio viene letto in "triplette" o gruppi di tre lettere che specificano per un amminoacido - i blocchi strutturali delle proteine. È possibile decifrare il messaggio delle terzine poiché il codice genetico è già stato completamente svelato.
La traduzione inizia sempre con la metionina aminoacidica, che è codificata dalla tripletta di inizio: AUG. La "U" rappresenta la base dell'uracile ed è caratteristica dell'RNA e sostituisce la timina.
Ad esempio, se l'RNA messaggero ha la seguente sequenza: AUG CCU CUU UUU UUA, viene tradotto nei seguenti amminoacidi: metionina, prolina, leucina, fenilalanina e fenilalanina. Si noti che è possibile che due triplette - in questo caso UUU e UUA - codificano per lo stesso amminoacido: la fenilalanina.
Per questa proprietà, si dice che il codice genetico è degenerato, dal momento che un amminoacido è codificato da più di una sequenza di terzine, tranne che per la metionina amminoacidica che detta l'inizio della traduzione.
Il processo viene interrotto con terminazione specifica o interrompi terzine: UAA, UAG e UGA. Sono noti rispettivamente con il nome di ocra, ambra e opale. Quando il ribosoma li rileva, non possono più aggiungere più amminoacidi alla catena.
Proprietà chimiche e fisiche
Gli acidi nucleici sono di natura acida e sono solubili in acqua (idrofilo). Può verificarsi la formazione di legami idrogeno tra i gruppi fosfato e i gruppi ossidrile di pentosi con acqua. È caricato negativamente a pH fisiologico.
Le soluzioni del DNA sono altamente viscose, a causa della capacità di resistenza alla deformazione della doppia elica, che è molto rigida. La viscosità diminuisce se l'acido nucleico è a trefoli singoli.
Sono molecole altamente stabili. Logicamente, questa caratteristica deve essere indispensabile nelle strutture che portano l'informazione genetica. Rispetto all'RNA, il DNA è molto più stabile perché manca un gruppo ossidrile.
Il DNA può essere denaturato dal calore, cioè i fili vengono separati quando la molecola è esposta a temperature elevate.
La quantità di calore che deve essere applicata dipende dalla percentuale G-C della molecola, poiché queste basi sono unite da tre legami a idrogeno, aumentando la resistenza alla separazione.
Per quanto riguarda l'assorbimento della luce, hanno un picco a 260 nanometri, che aumenta se l'acido nucleico è a singolo filamento, poiché espongono gli anelli nucleotidici e questi sono responsabili dell'assorbimento.
evoluzione
Secondo Lazcano et al. Il DNA del 1988 si manifesta in fasi di transizione dall'RNA, essendo uno degli eventi più importanti nella storia della vita.
Gli autori propongono tre fasi: un primo periodo in cui esistevano molecole simili agli acidi nucleici, in seguito i genomi si formarono di RNA e come ultimo passo apparvero i genomi della doppia banda del DNA.
Alcune prove supportano la teoria di un mondo primario basato sull'RNA. Innanzitutto, la sintesi proteica può verificarsi in assenza di DNA, ma non quando l'RNA è mancante. Inoltre, sono state scoperte molecole di RNA con proprietà catalitiche.
Per quanto riguarda la sintesi del deossiribonucleotide (presente nel DNA) provengono sempre dalla riduzione dei ribonucleotidi (presenti nell'RNA).
L'innovazione evolutiva di una molecola di DNA deve aver richiesto la presenza di enzimi che sintetizzano i precursori del DNA e che partecipano alla retrotrascrizione dell'RNA.
Studiando gli attuali enzimi, si può concludere che queste proteine si sono evolute diverse volte e che la transizione dall'RNA al DNA è più complessa di quanto si pensasse in precedenza, compresi i processi di trasferimento e perdita genica e di sostituzioni non-orologhe.
Sequenziamento del DNA
Il sequenziamento del DNA richiede di chiarire la sequenza del filamento di DNA in termini delle quattro basi che lo compongono.
La conoscenza di questa sequenza è di grande importanza nelle scienze biologiche. Può essere usato per discriminare tra due specie morfologicamente molto simili, per rilevare malattie, patologie o parassiti e persino possedere un'applicabilità forense.
Il sequenziamento di Sanger è stato sviluppato nel 1900 ed è la tecnica tradizionale per chiarire una sequenza. Nonostante la sua età, è un metodo valido ampiamente utilizzato dai ricercatori.
Il metodo di Sanger
Il metodo utilizza DNA polimerasi, un enzima altamente affidabile che replica il DNA nelle cellule, sintetizzando una nuova catena del DNA utilizzando un'altra linea guida preesistente. L'enzima richiede un primer per iniziare la sintesi. Il primer è una piccola molecola di DNA complementare alla molecola che deve essere sequenziata.
Nella reazione, vengono aggiunti nucleotidi che devono essere incorporati nel nuovo filamento di DNA dall'enzima.
Oltre ai nucleotidi "tradizionali", il metodo include una serie di dideossinucleotidi per ciascuna delle basi. Differiscono dai nucleotidi standard in due caratteristiche: strutturalmente non consentono alla DNA polimerasi di aggiungere più nucleotidi alla catena figlia e hanno un marcatore fluorescente diverso per ciascuna base.
Il risultato è una varietà di molecole di DNA di diversa lunghezza, poiché i dideossinucleotidi sono stati incorporati casualmente e hanno interrotto il processo di replicazione in stadi diversi.
Questa varietà di molecole può essere separata in base alla loro lunghezza e l'identità dei nucleotidi viene letta per mezzo dell'emissione luminosa dell'etichetta fluorescente.
Sequenziamento di nuova generazione
Le tecniche di sequenziamento sviluppate negli ultimi anni consentono l'enorme analisi di milioni di campioni simultaneamente.
Tra i metodi più importanti c'è il pirosequenziamento, il sequenziamento per sintesi, il sequenziamento per legatura e il sequenziamento di prossima generazione di Ion Torrent.
