Lacido desossiribonucleico o deossiribonucleico (sigla DNA, dall'inglese DeoxyriboNucleic Acid; raramente, in italiano, anche ADN in Tullio De Mauro, Dizionario italiano.Cfr. "" nell'enciclopedia Sapere.) è l'acido nucleico che contiene le informazioni genetiche per lo sviluppo, l'omeostasi e la riproduzione di tutti gli esseri viventi conosciuti. Costituisce inoltre la molecola base del funzionamento di una piccola minoranza dei virus.
Dal punto di vista chimico, il DNA è un polimero organico a doppia catena i cui monomeri sono chiamati nucleotidi (desossiribonucleotidi). I nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato, uno zucchero (il deossiribosio) e una base azotata, legata al glucide con un legame N-glicosidico. Le basi azotate che entrano nella formazione dei nucleotidi sono quattro: adenina, timina, citosina e guanina (nell'RNA al posto della timina è presente l'uracile). La doppia catena polinucleotidica del DNA ha struttura antiparallela, spiralizzata e complementare poiché le basi azotate di una catena si accoppiano con l'altra con legami idrogeno secondo lo schema: A-T e G-C.
La sequenza dei nucleotidi costituisce il codice genetico, che è tradotto negli amminoacidi corrispondenti. La sequenza amminoacidica prodotta forma le proteine. Il processo della sintesi proteica avviene tramite la sintesi di una molecola intermedia di RNA (RNA messaggero), che è formata per complementarità con le quattro basi dei nucleotidi del DNA in un processo noto come trascrizione. Il DNA non genera solo filamenti di RNA destinati alla traduzione in aminoacidi, ma anche frammenti in grado di svolgere svariate funzioni biologiche, ad esempio all'interno dei ribosomi, dove l'RNA ha una funzione strutturale.
Negli eucarioti, il DNA si complessa all'interno del nucleo in strutture chiamate cromosomi. Negli altri organismi, privi di nucleo, esso può essere organizzato in cromosomi o meno (nei batteri è presente un'unica molecola di DNA circolare a doppia catena). All'interno dei cromosomi, le proteine della cromatina come gli istoni, le coesine e le condensine organizzano il DNA e lo avvolgono in strutture ordinate. Queste strutture guidano l'interazione tra il codice genetico e le proteine responsabili della trascrizione, contribuendo al controllo della trascrizione genica. Nel corso della mitosi avviene la replicazione del DNA, con la quale l'informazione genica è trasmessa integralmente nel passaggio tra diverse generazioni cellulari.
Storia Il DNA fu inizialmente isolato dal biochimico svizzero Friedrich Miescher, il quale, nel 1869, individuò una sostanza microscopica contenuta nel pus di bende chirurgiche utilizzate. Dal momento che tale molecola aveva la sua localizzazione nel nucleo, egli la chiamò nucleina. Nel 1919 Phoebus Levene individuò la struttura del nucleotide, composta da base azotata, zucchero e fosfato. Levene suggerì che il DNA consistesse in un filamento di nucleotidi legati tra loro attraverso i fosfati. Egli, però, era convinto che tale filamento fosse corto e che le basi fossero disposte secondo un preciso ordine ripetuto. Nel 1937 William Astbury presentò i primi risultati di alcuni studi di diffrazione a raggi X, i quali dimostrarono che il DNA ha una struttura estremamente regolare. Nel 1944 Erwin Schrödinger asserì che, visto che secondo la fisica quantistica i sistemi di pochi atomi hanno un comportamento disordinato, il materiale genetico doveva essere costituito da una grande molecola non ripetitiva, sufficientemente stabile da mantenere l'informazione genetica, chiamata "cristallo aperiodico".Erwin Schrödinger - What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, Cambridge University Press, Cambridge 1944
Nel 1928 Frederick Griffith scoprì che i caratteri della forma smooth ("liscia") di Pneumococcus potevano essere trasferiti alla forma rough ("rugosa"), miscelando i resti di batteri smooth morti con batteri rough vivi. Questo sistema, pur non fornendo nessuna evidenza su quale fosse la sostanza che determinava il cambiamento, mostrava che qualcosa potesse trasportare l'informazione genetica dai resti dei batteri morti a quelli vivi. Si parlò quindi di un principio trasformante in grado di modificare i batteri vivi. Nel 1943 Oswald Theodore Avery dimostrò, in un celebre esperimento insieme a Colin MacLeod e Maclyn McCarty, che il DNA è il principio trasformante alla base di questo fenomeno. Il ruolo del DNA nell'ereditarietà è stato provato, infine, nel 1953 da Alfred Hershey e Martha Chase attraverso un altro classico esperimento, che dimostrò che il materiale genetico del fago T2 è effettivamente il DNA.
Il 1953 è anche l'anno in cui, attraverso ulteriori immagini da diffrazione a raggi XWatson J.D. and Crick F.H.C. (PDF) Nature 171, 737–738 (1953). Ultimo accesso: 13 febbraio 2007. realizzate da Rosalind Franklin, chimica-fisica inglese, James Watson e Francis Crick presentarono, sulla rivista Nature, quello che è oggi accertato come il primo modello accurato della struttura del DNA, ovvero il modello a doppia elica. A disegnarne il bozzetto fu Odile Speed, pittrice e moglie di Crick. Le evidenze sperimentali a supporto del modello di Watson e Crick furono riportate in una serie di cinque articoli pubblicati sullo stesso numero di Nature.Nature Archives Tra questi figurava l'articolo della Franklin e di Raymond Gosling, che conteneva i dati di diffrazione a raggi X, fondamentale per sostenere il modello.Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Franklin R. and Gosling R.G.Nature 171, 740–741 (1953) Tale numero conteneva anche un articolo sulla struttura del DNA scritto da Maurice Wilkins.Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids. Wilkins M.H.F., A.R. Stokes A.R. & Wilson, H.R. Nature 171, 738–740 (1953) Nel 1962, dopo la morte di Rosalind Franklin (a causa di un tumore provocato, probabilmente, dalle alte dosi di raggi X a cui si era esposta nel corso dei suoi esperimenti), Watson, Crick e Wilkins ricevettero congiuntamente il Premio Nobel per la medicina. Nobelprize.org. Ultimo accesso: 22 dicembre 2006 Un articolo pubblicato nel 2023 sulla rivista scientifica Nature ha fatto il punto sulla questione, spiegando che la scoperta fu dovuta ad un lavoro collettivo, che comprendeva Watson, Crick, Wilkins, Franklin ed anche Raymond Gosling. Ognuno partecipò alle ricerche ed alle elaborazioni del modello, con diverse competenze e funzioni.
In un'importante presentazione del 1957, Crick propose il dogma centrale della biologia molecolare, che fissa le relazioni tra DNA, RNA e proteine.Crick, F.H.C. genome.wellcome.ac.uk (Lecture, 1955). Ultimo accesso: 22 dicembre 2006 La conferma finale del meccanismo di replicazione basato sulla struttura a doppia elica fu fornita nel 1958 dall'esperimento di Meselson-Stahl. Un successivo lavoro di Crick dimostrò come il codice genetico fosse basato su triplette di basi non sovrapposte, permettendo ad Har Gobind Khorana, Robert Holley e Marshall Warren Nirenberg di decifrarlo. Nobelprize.org. Ultimo accesso: 22 dicembre 2006 Queste scoperte sono alla base della moderna biologia molecolare.
Nel 1961 Marshall Nirenberg e Severo Ochoa scoprono che ogni tripletta di nucleotidi codifica per uno specifico amminoacido.
Struttura
Il DNA è un lungo polimero costituito da unità ripetute di nucleotidi.Butler, John M. (2001) Forensic DNA Typing "Elsevier". pp. 14–15. ISBN 978-0-12-147951-0. La catena del DNA è larga tra i 22 e i 26 Ångström (da 2,2 a 2,6 nanometri) e ogni unità nucleotidica è lunga 3,3 Ångstrom (0,33 nanometri). Sebbene ogni unità occupi uno spazio decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può essere sorprendentemente elevata, dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il più grande cromosoma umano (il cromosoma 1) contiene quasi 250 milioni di paia di basi.
Negli organismi viventi, il DNA non è quasi mai presente sotto forma di singolo filamento, ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro.Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6 Essi si intrecciano tra loro a formare una struttura definita doppia elica. Ogni nucleotide è costituito da uno scheletro laterale, che ne permette il legame covalente con i nucleotidi adiacenti, e da una base azotata, che instaura legami idrogeno con la corrispondente base azotata presente sul filamento opposto. Il composto formato da una base azotata legata allo zucchero è definito nucleoside; un nucleotide è invece un nucleoside a cui sono legati uno o più gruppi fosfato. IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN). Ultimo accesso: 3 gennaio 2006
La struttura laterale del DNA è composta da unità ripetute e alternate di gruppi fosfato e di 2-deossiribosio, uno zucchero pentoso (a cinque atomi di carbonio) che si lega ai fosfati adiacenti attraverso legami fosfodiesterici presso il terzo e il quinto carbonio; in pratica, ogni molecola di fosfato forma un ponte molecolare collegando, attraverso legami fosfodiesterici, il carbonio in posizione 3′ di una molecola di deossiribosio con quello in posizione 5′ dello zucchero successivo. Conseguenza di questi legami asimmetrici è che ogni filamento di DNA ha un senso, determinato dalla direzione dei legami fosfodiesterici. Le basi azotate, invece, si uniscono in posizione 1' dello zucchero desossiribosio con legami N-glicosidici. In una doppia elica, il senso di un filamento è opposto a quello del filamento complementare. Per tale motivo, i due filamenti che costituiscono una doppia elica sono detti antiparalleli. Le estremità asimmetriche di un filamento di DNA sono definite estremità 5′ (cinque primo) ed estremità 3′ (tre primo). La principale differenza tra il DNA e l'RNA è lo zucchero pentoso utilizzato: l'RNA, infatti, utilizza il ribosio.
La doppia elica del DNA è stabilizzata dai legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate presenti sui due filamenti. Le quattro basi che sono presenti nel DNA sono l'adenina (abbreviata con la lettera A), la citosina (C), la guanina (G) e la timina (T). Tutte e quattro le basi hanno struttura eterociclica, ma adenina e guanina sono, dal punto di vista strutturale, derivate della purina, e pertanto dette basi puriniche, mentre citosina e timina sono correlate alla pirimidina e dette basi pirimidiniche. Esiste una quinta base, di tipo pirimidinico, chiamata uracile (U), ma essa non è di norma presente nelle catene di DNA. L'uracile è altresì presente nei filamenti di RNA al posto della timina, dalla quale si differenzia per la mancanza di un gruppo metile. L'uracile è presente nel DNA solo come prodotto della degradazione della citosina. Solo nel batteriofago PBS1 tale base può essere utilizzata all'interno del DNA. Al contrario, è molto più frequente individuare la timina all'interno di molecole di RNA, a causa della metilazione enzimatica di diversi uracili. Questo evento avviene solitamente a carico di RNA con funzione strutturale o enzimatica (rRNA e tRNA).
La doppia elica è una spirale destrorsa. Con l'avvitarsi su sé stessi dei due filamenti, restano esposti dei solchi tra i diversi gruppi fosfato. Il solco maggiore è largo 22 Å, mentre il solco minore è largo 12 Å. La differente ampiezza dei due solchi si traduce concretamente in una differente accessibilità delle basi, a seconda che si trovino nel solco maggiore o minore. Proteine che legano il DNA, come i fattori di trascrizione, dunque, solitamente prendono contatto con le basi presenti nel solco maggiore.Tra le eccezioni a questa regola, si ricordano le proteine con dominio di legame al DNA di tipo HMG-box, quale HMGB1.
Appaiamento delle basi