La struttura del DNA è una delle scoperte più importanti nella storia della biologia che ha rivoluzionato la comprensione dell’ereditarietà e della diversità degli organismi viventi.
Il DNA contiene infatti le informazioni genetiche che guidano la formazione delle proteine e regolano i processi cellulari fondamentali per lo sviluppo, la crescita e la funzione degli organismi viventi e vengono ereditate dai genitori attraverso la trasmissione del materiale genetico durante la riproduzione sessuale. Durante la formazione dei gameti ovvero spermatozoi e ovuli, il DNA subisce un processo di ricombinazione genetica che mescola le informazioni genetiche dei genitori, generando una varietà di combinazioni uniche nelle generazioni successive.
La ricombinazione genetica avviene attraverso un processo chiamato crossing-over, che si verifica durante la fase di divisione cellulare chiamata meiosi. Durante la meiosi, le coppie di cromosomi omologhi, costituite da copie dei cromosomi ereditati da ciascun genitore, si allineano e possono scambiarsi porzioni di materiale genetico attraverso il crossing-over. Durante questo scambio, i segmenti dei cromosomi omologhi si spezzano e si ricollegano a vicenda, mescolando gli alleli dei genitori e generando nuove combinazioni genetiche nelle cellule sessuali.
La ricombinazione genetica aumenta la variabilità genetica all’interno di una popolazione genetica importante per l’evoluzione e l’adattamento degli organismi alle diverse condizioni ambientali e può portare alla comparsa di nuove caratteristiche che potrebbero fornire un vantaggio per l’adattamento degli organismi in determinati ambienti.
Scoperta della struttura del DNA
La storia della scoperta del DNA è un affascinante intreccio di ricerca scientifica condotta da vari scienziati nel corso del XX secolo. Una delle tappe chiave della scoperta è stata la pubblicazione del celebre articolo scientifico di James Watson e Francis Crick nel 1953, ma diversi contributi precedenti hanno fornito importanti indizi per comprendere la struttura e le proprietà del DNA.
Nel 1869, il chimico svizzero Friedrich Miescher isolò una sostanza a partire dai nuclei cellulari di cellule bianche del sangue e la chiamò “nucleina”. Questa sostanza conteneva acidi nucleici, tra cui il DNA, ma all’epoca non si conosceva la sua funzione biologica.
Nel corso dei decenni successivi, molti scienziati hanno contribuito a comprendere la natura e le proprietà del DNA. Nel 1919, il biochimico tedesco Phoebus Levene identificò la struttura di base dei nucleotidi, componenti costitutivi del DNA. Nel 1928, il biologo britannico Frederick Griffith condusse esperimenti con batteri che rivelarono la trasformazione genetica e indicarono che il materiale genetico poteva essere trasferito da un batterio all’altro.
Negli anni ’40, altri due importanti scienziati hanno contribuito alla comprensione del DNA. Nel 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty condussero esperimenti che dimostrarono che il DNA era il componente chiave responsabile della trasmissione genetica nei batteri. Nel 1952, la ricercatrice britannica Rosalind Franklin utilizzò la diffrazione dei raggi X per ottenere immagini della struttura del DNA, rivelando una forma a elica.
Tuttavia, è stato il lavoro di James Watson e Francis Crick che ha portato alla scoperta definitiva della struttura del DNA. Nel 1953, Watson e Crick pubblicarono un articolo storico sulla rivista Nature intitolato “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, in cui descrissero la struttura a doppia elica del DNA.
Il loro modello, basato sui dati di diffrazione dei raggi X di Franklin e su una serie di deduzioni e ipotesi, spiegava come le basi azotate si accoppiassero tra loro per formare la doppia elica stabile.
La scoperta della struttura del DNA ha aperto la strada a importanti progressi scientifici e tecnologici. Ha consentito una comprensione più approfondita dei meccanismi dell’ereditarietà e ha fornito una base solida per il campo dell’ingegneria genetica, nonché per lo studio delle malattie genetiche e della biologia molecolare.
Struttura del DNA
Una molecola di DNA è costituita da due lunghe catene polinucleotidiche composte da quattro tipi di subunità nucleotidiche appaiate e avvolte intorno allo stesso asse, in modo da formare una doppia elica. Un nucleotide è formato da tre subunità: una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio che nel caso del DNA è il desossiribosio e un gruppo fosfato.
Ciascun gruppo fosfato collega gli zuccheri di due monomeri nucleotidici adiacenti. I gruppi fosfato e le porzioni zuccherine costituiscono la spina dorsale dell’acido nucleico. I nucleotidi fondamentali si dividono in purine e pirimidine in base alla struttura della base azotata. Le basi puriniche includono adenina e guanina mentre quelle pirimidiniche sono timina e citosina.
Nella struttura del DNA, l’orientamento dei due filamenti è in direzioni opposte. Questo per consentire l’accoppiamento delle basi secondo il principio di complementarietà ovvero una base pirimidinica si appaia con una base purinica per formare coppie di basi di uguale lunghezza. L’accoppiamento di basi complementari consente di impacchettare le coppie di basi nella disposizione energeticamente più favorevole all’interno della doppia elica. In questa disposizione, ogni coppia di basi ha una larghezza simile, mantenendo così le dorsali zucchero-fosfato a uguale distanza lungo la molecola di DNA
I nucleotidi sono legati insieme in modo covalente in una catena attraverso gli zuccheri e i fosfati, che formano così una “spina dorsale” di alternanza zucchero-fosfato-zucchero-fosfato.
Nella struttura del DNA sono presenti due filamenti complementari di nucleotidi legati tra loro tramite legame a idrogeno in cui le basi azotate sono rivolte verso il centro. La struttura tridimensionale del DNA la doppia elica nasce dalle caratteristiche chimiche e strutturali delle sue due catene polinucleotidiche. Poiché queste due catene sono tenute insieme da un legame idrogeno tra le basi sui diversi filamenti, tutte le basi si trovano all’interno della doppia elica e le catene dorsali zucchero-fosfato si trovano all’esterno.