Doppia elica

Definizione

La doppia elica è il termine usato per descrivere la forma della nostra molecola ereditaria, il DNA. Questa struttura immediatamente riconoscibile consiste in due filamenti di DNA attorcigliati l’uno all’altro e collegati al centro da un legame idrogeno. I legami a idrogeno si formano tra i nucleotidi – l’unità ripetitiva del DNA e il linguaggio del codice genetico.

La struttura a doppia elica del DNA è stata scoperta in una ricerca storica attribuita a James Watson e Francis Crick negli anni 50. Questa scoperta è considerata uno dei progressi più importanti nella biologia fino ad oggi. La storia della scoperta della doppia elica del DNA ha anche alcune controversie, con affermazioni che gli scienziati coinvolti non hanno riconosciuto i contributi di altri, in particolare Rosalind Franklin.

Una panoramica della struttura del DNA

Ogni filo di DNA è fatto di una serie di unità ripetute chiamate nucleotidi. Quindi, ogni filamento di DNA è chiamato polinucleotide. Questi nucleotidi sono formati da tre componenti:

• uno zucchero a cinque carboni (desossiribosio)
• un gruppo fosfato
• una base azotata

Il quarto carbonio dello zucchero desossiribosio di un nucleotide forma un legame fosfodiestere con il gruppo fosfato della base adiacente. Questo forma la base della spina dorsale zucchero-fosfato del filamento del DNA.

Le basi azotate sono il “linguaggio” del DNA. Ci sono quattro basi azotate nel DNA: guanina (G), adenina (A), timina (T) e citosina (C). Possono essere divise in due gruppi in base alla loro struttura. La guanina e l’adenina sono purine, con un anello di azoto a due carboni; e la timina e la citosina sono pirimidine, con un anello di azoto a un carbonio.

La combinazione di queste quattro lettere nelle molecole di DNA è ciò che chiamiamo il codice genetico, e questo codice contiene tutte le istruzioni per costruire e gestire un intero organismo!

Ognuno di questi filamenti polinucleotidici è accoppiato con un filamento complementare e si avvolge l’un l’altro per formare la struttura a doppia elica. Come è stata scoperta questa complessa struttura?

La scoperta della struttura a doppia elica del DNA

La scoperta della struttura a doppia elica del DNA è una delle più importanti e note scoperte scientifiche. La scoperta è stata accreditata a James Watson, un biologo, e Francis Crick, un fisico, negli anni ’50. Hanno poi vinto il premio Nobel per la loro ricerca, insieme a Maurice Wilkins, che è spesso trascurato per il suo ruolo importante nella ricerca che ha portato alla scoperta. Infatti, la sua autobiografia è intitolata “Il terzo uomo della doppia elica”.

Prima della pubblicazione delle loro scoperte, erano già state condotte molte ricerche e si era fatta luce sulla composizione del DNA. Per esempio, si sapeva già che il DNA è composto da nucleotidi e che il rapporto purine: pirimidine in una molecola di DNA è uguale (nota come regola di Chargaff).

Watson e Crick hanno derivato il loro modello mettendo queste prove, così come i dati di cristallografia a raggi X raccolti da Rosalind Franklin, in una struttura che soddisfa i parametri di tutte le prove precedentemente raccolte. Usarono una serie di modelli di cartone, costruendoli attentamente fino a formare una struttura che avesse senso. Attraverso questo, crearono un modello che è ampiamente considerato accurato decenni dopo. È possibile leggere il documento originale, completo di annotazioni, qui.

Una volta completata la loro ricerca, si dice che abbiano avuto un momento ‘eureka’, e Crick corse al loro pub locale a Cambridge per annunciare che lui e Watson avevano “scoperto il segreto della vita”

Il pub, chiamato The Eagle, eresse una targa all’interno e una all’esterno per commemorare l’occasione. La targa è stata una volta modificata da un membro del pubblico, che ha aggiunto “+ Franklin in riconoscimento dell’importante ruolo svolto da Rosalind Franklin!

Le caratteristiche della struttura a doppia elica del DNA

Alcune importanti caratteristiche del modello Watson/Crick della doppia elica del DNA includono:

Direzionalità dell’elica

Una singola molecola di DNA consiste di due filamenti che si attorcigliano l’uno sull’altro per formare un’elica. L’elica gira circa una volta ogni dieci nucleotidi. La direzione dell’elica è quasi sempre destrorsa, cioè, se immaginate i due filamenti come una scala a chiocciola che state per scendere, dovrete girare a destra per scendere. La parte esterna dell’elica contiene i filamenti di DNA, e il nucleo dell’elica contiene le basi azotate.

Accoppiamento complementare delle basi

Quando i nucleotidi di ciascun filamento subiscono un legame idrogeno, lo fanno in un modo particolare. Le adenine sono sempre accoppiate con le timine e le citosine e sempre accoppiate con le guanine. Ci sono tre legami a idrogeno tra guanina e citosina, e due legami a idrogeno tra timine e guanine. Così, si dice che i filamenti di DNA sono complementari l’uno all’altro.

Codice genetico

La sequenza dei nucleotidi è variabile tra gli organismi, ed è ciò che contiene l’informazione genetica e rende ogni organismo unico. La sequenza del DNA si propaga tra le generazioni. Quindi, la sequenza del DNA è essenziale per la continuazione della vita.

Orientamento antiparallelo

I filamenti di DNA corrono antiparalleli tra loro. Questo significa che alla fine di una particolare molecola, un filamento termina su un gruppo fosfato (chiamato 5′ perché il gruppo fosfato è attaccato al quinto carbonio), e l’altro filamento termina su un gruppo idrossile (chiamato 3′ perché il gruppo OH è sul terzo carbonio). L’opposto è vero per l’altra estremità della molecola.

Gole maggiori e minori

La struttura del DNA significa che la spina dorsale dei due filamenti è più vicina su un lato dell’elica che sull’altro. Dove sono più vicini, la struttura è chiamata scanalatura maggiore. Dove sono più distanti, la struttura è chiamata solco minore.

Questi lati sono funzionalmente importanti, poiché alcune proteine si legano preferibilmente al solco maggiore. Queste proteine sono di solito fattori che hanno bisogno di interagire con i nucleotidi, come i fattori di trascrizione o gli enzimi di replicazione del DNA. Al contrario, altre proteine che non richiedono la specificità della sequenza interagiranno con il solco minore.

L’enzima di svolgimento

Per poter essere trasmesso alla generazione successiva, il DNA deve essere copiato. Per essere replicato fedelmente, la doppia elica deve essere srotolata o decompressa, in modo che il macchinario cellulare abbia accesso alla sequenza nucleotidica. Questo decompattamento è realizzato dall’enzima elicasi.

La funzione dell’elicasi è quella di rimodellare la struttura del DNA rompendo i legami idrogeno tra i nucleotidi accoppiati. L’elicasi del DNA è anche importante durante la riparazione dei danni al DNA e il processo di trascrizione.

Strutture alternative del DNA

Il modello di Watson e Crick si riferisce alla struttura più comune del DNA, chiamata B-DNA. Altre due conformazioni di DNA sono molto più rare in natura: Z-DNA e A-DNA. Z-DNA è un’elica sinistra senza forti differenze che definiscono le scanalature maggiori e minori. L’A-DNA è molto più simile nella struttura al B-DNA ma è più compresso e compatto.

Quiz

Bibliografia