Gli acidi nucleici sono delle sostanze organiche presenti in tutte le cellule viventi, virus compresi.
Sono chiamati così per fin dall’800 sono stati trovati nei nuclei di tutte le cellule.
Gli acidi nucleici sono due:
- l’acido desossiribonucleico, o DNA, presente nel nucleo delle cellule;
- l’acido ribonucleico, o RNA, presente sia nel nulceo che nel citoplasma delle cellule.
DNA
Il modello di Watson e Crick
Nel 1953, i biochimici James Watson e Francis Crick (Premi Nobel per la medicina nel 1962 ), inventarono il modello della doppia elica in torsione per descrivere e rappresentare la struttura del DNA e dare risposta ai quesiti fino ad allora irrisolti sulla trasmissione genetica, ovvero che in uno spazio così piccolo, all’interno della cellula, vi erano le condizioni sufficienti per generare e trasmettere i caratteri ereditaria di ciascun essere vivente.
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Trasmissione perfetta
Il DNA è il messaggero dell’eredità biologica ed è l’agente che determina i caratteri ereditari, è cioè incaricato di portare l’informazione scritta dei caratteri di quello specifico essere vivente.
Affinché questa operazione di trasmissione avvenga dalla cellula madre alla cellula figlia è necessario che quest’ultima abbia una copia esatta del DNA della madre.
Pertanto il DNA deve essere in grado di duplicare se stesso ad ogni divisione cellulare.
Il DNA ha una lunghezza complessiva di 2 metri.
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I nucleotidi
Secondo il modello di Watson e Crick, la molecola del DNA è formata da due filamenti avvolti a doppia elica attorno allo stesso asse e ciascun filamento è costituito da una sequenza di unità fondamentali, dette nucleotidi, che costituiscono gli anelli di una catena.
A sua volta ogni nucleotide è formato di tre elementi molecolari:
- un gruppo fosforico, che conferisce alla molecola il carattere di acido;
- uno zucchero a cinque atomi di carbonio: il deossirbosio;
- un composto organico costituito da carbonio, idrogeno, ossigeno ed azoto, noto come base azotata e che può essere: l’adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) o la timina (T).
Quattro nucleotidi diversi
Esistono quindi quattro nucleotidi diversi, a seconda della base azotata presente.
Ogni filamento di DNA è un polimero formato dalla successione di quattro monomeri, i nucleotidi, i mattoni, disposti in sequenza ordinata.
Il numero dei nucleotidi può essere molto elevato, nell’ordine delle migliaia; ciascuno di essi può essere ripetuto migliaia di volte ed essere associato in modo vario.
I due filamenti che costituiscono la molecola di DNA sono uniti da deboli legami a idrogeno, che si instaurano solo tra basi azotate complementari e precisamente:
- ADENINA – TIMINA ( A-T)
- TIMINA – ADENINA (T-A)
- GUANINA – CITOSINA (G-C)
- CITOSINA – GUANINA (C-G)
L’accoppiamento obbligato conferisce alla stuttura un aspetto sagomato. Pertanto, quando si è stabilito l’ordine dei nucleotidi in un filamento, resta stabilito anche dei nucletodi del filamento complementare.
Come si forma il filamento
Il filamento di acido nucleico si forma con l’unione dei nucleotidi che avviene:
- Trasversalmente – attraverso il legame tra il gruppo fosforico e l’ossigeno dello zucchero
- Longitudinalmente – attraverso il legame a idrogeno tra le basi azotate
Oggi si è potuto dimostrare che ogni carattere ereditario è in relazione con la sequenza dei nucleotidi lungo la molecola del DNA.
Possiamo infatti considerare i quattro nucleotidi come le lettere di un alfabeto, che, a seconda delle varie sequenze, possono formare un notevole numero di parole cui corrispondono i diversi caratteri di ciascun organismo vivente.
Doppio filamento di DNA
I legami che tengono insieme la molecola di DNA
La molecola di DNA si tiene dispone con una doppia elica deboli interazioni tra le parti, che sono:
- legami a idrogeno tra le basi azotate mediante
- repulsione elettrostatica dei gruppi fosfato
L’autoduplicazione del DNA
Una delle caratteristiche più importanti della struttura della molecola di DNA è che i due filamenti della doppia elica sono tenuti insieme da deboli legami a idrogeno (grazie ai quali i due filamenti possono separarsi senza grande dispendio di energia) fra le basi complementari. In paricolare succede che:
- Adenina e Timina si legano tramite due legami a idrogeno
- Citosina e Guanina si legano tramite tre legami a idrogeno
Un legame a idrogeno
è un legame covalente tra
Idrogeno e Fluoro, Ossigeno o Sodio
La semiconservazione
Gli scienziati Matthew Meselson and Franklin Stahl nel1958, dimostrarono con un esperimento il processo di duplicazione semiconservativo del DNA.
Conoscendo già la struttura del DNA grazie al modello a doppia elica di Watson e Crick (1953) i genetisti statunitensi dimostrarono che le due eliche di DNA al momento della replicazione si separano e ognuna di esse fa da stampo per l’elica complementare.
1953
Modello della doppia elica in torsione
per descrivere e rappresentare la struttura del DNA di Watson e Crick
1958
Processo di duplicazione semiconservativo
del DNA da parte di Meselson and Stahl
Duplicazione perfettissima
Quando inizia il processo di duplucazione, la molecola di DNA si despiralizza grazie alla rottura dei legami a idrogeno che legano le basi azotate da parte dell’enzima DNA elicasi, cosicché i due filamenti a doppia elica si separano; ciascuno di essi rimane così disponibile per agganciare i nucleotidi presenti nel nucleo sempre rispettando la complementarietà delle basi azotate (A/T ; C/G).
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In tal modo si ottengono due doppie eliche identiche a quella di partenza. La duplicazione del DNA si dice semiconservatrice, poiché in ogni molecola uno dei due filamenti deriva sempre dalla molecola di partenza.
La duplicazione del DNA avviene in maniera quasi assolutamente perfetta, con massimo un 1 errore su 1 milione di operazioni.
RNA
Il modello dell’RNA
La struttura dell’altro acido nucleico presente nella cellula, l’RNA, quello che si trova sia nel nucleo che nel citoplasma, è del tutto simile a quello del DNA essendo anch’esso un polimero di nucleotidi.
La molecola di RNA è pertanto formata da:
- un unico filamento di nucleotidi (e non un doppio filamento, come nel DNA);
- è una molecola più piccola del DNA perché contiene massimo 5 o 6 nucleotidi;
- i nucleotidi contengono come zucchero a 5 atomi di carbonio, il ribosio (e non il deossiribosio come nel DNA);
- la base azotata in sostituzione della timina, è l’uracile.
Funzioni degli acidi nucleici
A fronte della differente struttura tra DNA ed RNA anche le funzioni sono differenti:
- Il DNA è depositario di ogni informazione genetica ed è localizzato per la quasi totalità nel nucleo;
- L’RNA è il veicolo mediante il quale l’informazione, scritta sul DNA, viene trasferita nei luoghi della cellula dove avviene la sintesi delle proteine, costituenti fondamentali di ogni organismo.
DNA – Depositario
dell’informazione genetica
RNA – Veicolo di trasmissione dell’informazione genetica
Tipi di RNA
Nella cellula sono presenti tre tipi di RNA, con strutture e funzioni diverse, che interagiscono e collaborano alla sintesi proteica.
- L’RNA messaggero (mRNA) – E’ sintetizzato nel nucleo, porta l’informazione, contenuta nel DNA, dal nucleo al citoplasma. La sua molecola, relativamente piccola, è in grado di attraversare i pori della membrana nucleare.
- L’RNA ribosomiale (rRNA) – Si unisce ad alcune proteine e forma degli organuli cellulari, i ribosomi, che costituiscono il luogo della sintesi proteica.
- L’RNA di trasporto (tRNA) – Ha la funzione di trasportare gli aminoacidi, dispersi nel citoplasma, al luogo di sintesi proteica, nell’ordine indicato dall’RNA messaggero.
Caratteristiche fondamentali del materiale ereditario
Il materiale ereditario degli esseri viventi deve avere determinate caratteristiche specifiche affinché possa svolgere, nel rispetto delle leggi biologiche, chimiche e fisiche, il suo compito di sopravvivenza della specie.
Le caratteristiche fondamentali del materiale ereditario sono le seguenti, pertanto, le molecole di DNA ed RNA devono essere:
- capaci di duplicarsi – in modo che ogni cellula possa fare una copia esatta e rigorosa dei propri caratteri e trasmetterli alle cellule figlie;
- stabili – affinché i caratteri ereditari si trasmettano senza cambiamenti da una generazione all’altra. Devono tuttavia occasionalmente potersi modificare (mutazioni), per determinare la comparsa improvvisa di nuovi caratteri, altrimenti l’evoluzione sarebbe stata impossibile;
- controllare tutte le funzioni cellulari – gli acidi nucleici dirigono le attività cellulari, controllando e realizzando rigorosamente le funzioni;
- vari – le lunghe catene degli acidi nucleici forniscono sufficienti possibilità di combinazioni determinando una infinità di caratteri;
- autoduplicazione – il DNA è costituito in modo tale che possa autoduplicarsi e possa produrre nuove molecole con la stessa sequenza di nucleotidi e portando gli stessi caratteri.
Autore dell’articolo: Pierpaolo Spanu
