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Il DNA

Struttura e caratteristiche del DNA. La cromatina.

Il DNA è uno dei 2 'acidi nucleici' presenti nelle cellule, DNA ed RNA. La sigla DNA sta per acido desossiribonucleico. Nel DNA è depositata l'informazione genetica della cellula (o del virus) in cui si trova.

Struttura del DNA:

Il DNA è è costituito da monomeri, i nucleotidi.

Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero monosaccaride a 5 atomi di C, il 2-desossiribosio, una base azotata (le basi azotate sono adenina, guanina, citosina e timina. La timina nell'RNA è sostituita dall'uracile) e tre gruppi fosfato. Invece la componente base azotata + zucchero (senza i gruppi fosfato) è detta nucleoside. (I nucleosidi possono essere mono-di o tri fosforilati, se trifosforilati abbiamo un nucleotide).

Le basi azotate sono divise in due gruppi: purine e pirimidine. Le purine (adenina e guanina) sono costituite da 2 anelli azotati, le pirimidine (timina, uracile e citosina) da uno solo.

La nomenclatura dei nucleotidi dipende dal nome della base azotata:

radice del nome della base azotata + numero di gruppi fosfato + fosfato. Per esempio:

ADENOSIN-  (MONO, DI o TRI) - FOSFATO    =   adenosintrifosfato

Per convenzione, si utilizzano sigle per indicare i nucleotidi, utilizzando la prima lettera della base azotata. Avremo pertanto ATP, CTP, GTP, TTP e UTP. L'adesonintrifosfato (ATP) è un nucleotide implicato anche in moltissimi processi energetici celulari.

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleosidi monofosfati. I nucleosidi monofosfato formano tra loro un legame, detto legame fosfodiesterico, tra il fosfato di un nucleoside e il gruppo ossidrilico legato al Carbonio 3' di un altro nucleoside, con perdita d'acqua.

La concatenazione dei nucleosidi porta ad un filamento, con due estremità dette rispettivamente 3' e 5'. PEr convenzione la sequenza nucleotidica degli acidi nucleici viene sempre letta in direzione 3' --> 5', considerando solo la base azotata che costituisce il monomero per indicarlo. Per esempio avremo:

3'-AAACGTTAGTTCAAACCATATACCACTGGAAC-5'

In realtà il DNA non è costituito da un unico filamento 3'-5', ma da due filamenti nucleotidici complementari, avvolti fra loro a formare una doppia elica destrorsa. Ogni elica è rivolta nella direzione opposta a quell'altra: un filamento sarà 3'-->5', l'altro sarà 5'-->3'. Si dice pertanto che i due filamenti hanno un andamento antiparallelo. La complementarietà dei due filamenti è dovuta all'appaiamento tra le basi azotate dei due filamenti: ogni adenina di un filamento si lega sempre ad una timina dell'altro filamento, e allo stesso modo ogni guanina si lega sempre ad una citosina. I legami che si instaurano tra le basi azotate dei due filamenti sono legami ad idrogeno.

3'-AAACGTTAGTTCAAACCATATACCACTGGAAC-5'
5'-TTTGCAATCAAGTTTGGTATATGGTGACCTTG-3'

Nella struttura a doppia elica (scoperta nel 1953 da Watson e Crick) i fosfati si trovano rivolti verso l'esterno dell'elica, essendo polari infatti possono interagire con l'acqua citoplasmatica. Le loro cariche negative conferiscono al DNA la carica negativa adatta ad interagire con proteine basiche (come gli istoni). La struttura del DNA è stabilizzata internamente dai legami tra le basi azotate, ed esternamente da interazioni di Van der Waals tra gli anelli aromatici delle basi azotate che si vengono a trovare sovrapposte nell'elica. Il diametro della doppia elica si mantiene costante, all'incirca 2 nm, e questa distanza è mantenuta costante proprio dalle basi sui 2 filamenti appaiate fra loro: inoltre, proprio perchè la distanza è mantenuta costante e ciò conferisce stabilità alla struttura, sono impossibili appaiamenti differenti tra le basi: il legame tra 2 purine o tra 2 pirimidine infatti porterebbe nel primo caso ad un ingombro eccessivo (oltre i 2 nm), nel secondo caso invece, poichè le pirimidine hanno un unico anello, a non raggiungere i 2 nm di lunghezza. Interazioni invece tra adenina e citosina o fra guanina e timina sono a minore stabilità per via del minor numero dei legami ad idrogeno che si formano tra queste basi. Esistono comunque meccanismi riparatori del DNA, costituiti da proteine che scorrono la doppia elica del DNA e riparano eventuali appaiamenti errati.

Per la sua caratteristica a doppia elica, il DNA presenterà, visibili esternamente, due 'solchi', di dimensioni differenti, formati dai filamenti che si avvolgono uno attorno all'altro. Sono il solco minore e il solco maggiore, per via delle differenti ampiezze. Osservando la superficie del DNA e scorrendo, questi solchi si alternano di continuo.

La lunghezza del DNA differisce a seconda della specie e del suo grado di evoluzione. Per i batteri, il DNA non supera le 10⁷ coppie di basi, per l'uomo è all'incirca 3 x 10⁹ coppie di basi, per i vegetali il materiale genetico può raggiungere le 10¹¹ coppie di basi. Negli eucarioti, che hanno un DNA più complesso dei procarioti, la doppai elica si trova avvolta attorno a proteine basiche, dette Istoni: sono proteine ricche in arginina e lisina, quindi con cariche positive in grado di neutralizzare le cariche negative del DNA. Queste proteine si legamo 8 per volta a formare degli ottameri, attorno ad ognuno dei quali si avvolge per due giri, con 146 coppie di basi, il DNA. Ogni ottamero a sua volta è collegato agli altri da 10 coppie di basi che fan da ponte tra gli ottameri. Il filamento così ottenuto è detto a collana di perle, per via della sua forma particolare. Oltre agli istoni sono presenti anche proteine acide, per lo più deputate a ruoli specifici della trascrizione del DNA. L'insieme di DNA più proteine istoniche e non istoniche è detto cromatina, mentre DNA più istoni sono detti nucleosoma. La cromatina può compattarsi a vari livelli di complessità, ottenendo zone più o meno compatte, dette rispettivamente eucromatina ed eterocromatina. Al fine della trascrizione vengono usate le zone di eucromatina. Zone di eterocromatina che non sono mai usate per la trascrizione sono dette eterocromatina costitutiva, altre zone di eterocromatina che possono decondensarsi al momento della trascrizione in eucromatina sono dette invece eterocromatina facoltativa.

La cromatina, al massimo grado di compattamento genera i cromosomi, dalla forma a bastoncelli. Dopo la duplicazione del DNA, ogni cromosoma sarà costituito da 2 parti uguali, dette cromatidi, uniti assieme a formare una X, e la parte centrale che li tiene legati è detta centromero. Nelle diverse specie di piante ed animali troviamo un numero differente di cromosomi. Nell'uomo vi sono 23 coppie di cromosomi (23 ereditati dalla madre e 23 dal padre), di cui una è la coppia di cromosomi sessuali (XX per l donna, XY per l'uomo) e le altre 22 sono coppie di autosomi (cromosomi che riguardano tutti gli altri caratteri non sessuali).