L'importanza delle molecole di DNA

Il DNA è una delle poche combinazioni di lettere al centro di una disciplina scientifica che sembra scatenare un livello significativo di comprensione anche nelle persone con poca esposizione alla biologia o alle scienze in generale. La maggior parte degli adulti che sentono la frase "È nel suo DNA" riconoscono immediatamente che un particolare tratto è inseparabile dalla persona che viene descritta; che la caratteristica è in qualche modo innata, non va mai via ed è suscettibile di essere trasferita ai figli di quella persona e oltre. Questo sembra essere vero anche nella mente di coloro che non hanno idea di cosa significhi "DNA", che è "acido desossiribonucleico".

Gli esseri umani sono comprensibilmente affascinati dal concetto di ereditare i tratti dai loro genitori e di trasmettere i propri tratti alla prole. È naturale che le persone riflettano sulla propria eredità biochimica, anche se pochi possono immaginarla in termini così formali. Il riconoscimento che minuscoli fattori invisibili all'interno di ognuno di noi governano l'aspetto e persino il comportamento dei bambini delle persone è sicuramente presente da molte centinaia di anni. Ma solo verso la metà del XX secolo la scienza moderna ha rivelato in gloriosi dettagli non solo quali fossero le molecole responsabili dell'ereditarietà, ma anche il loro aspetto.

L'acido desossiribonucleico è infatti il ​​progetto genetico che tutti gli esseri viventi mantengono nelle loro cellule, un'impronta digitale microscopica unica che non solo rende ogni essere umano un individuo letteralmente unico nel suo genere (gemelli identici eccetto per gli scopi presenti) ma rivela una grande quantità di informazioni vitali su ogni persona, dal probabilità di essere imparentati con un'altra persona specifica alla possibilità di sviluppare una determinata malattia più avanti nella vita o di trasmettere tale malattia al futuro generazioni. Il DNA è diventato non solo il punto centrale naturale della biologia molecolare e delle scienze della vita nel loro insieme, ma anche una componente integrante della scienza forense e dell'ingegneria biologica.

James Watson e Francis Crick (e meno comunemente Rosalind Franklin e Maurice Wilkins) sono ampiamente accreditati per la scoperta del DNA nel 1953. Questa percezione, tuttavia, è errata. In modo critico, questi ricercatori hanno infatti stabilito che il DNA esiste in forma tridimensionale sotto forma di a doppia elica, che è essenzialmente una scala attorcigliata in direzioni diverse ad entrambe le estremità per creare una spirale forma. Ma questi scienziati determinati e spesso celebrati stavano "solo" basandosi sul lavoro scrupoloso di biologi che hanno lavorato duramente alla ricerca delle stesse informazioni generali fin dal 1860, esperimenti che furono altrettanto innovativi di per sé quanto quelli di Watson, Crick e altri nella ricerca del secondo dopoguerra era.

Nel 1869, 100 anni prima che gli esseri umani si recassero sulla luna, un chimico svizzero di nome Friedrich Miescher cercò di estrarre i componenti proteici dai leucociti (globuli bianchi) per determinarne la composizione e funzione. Quello che invece estraeva lo chiamava "nucleina", e sebbene gli mancassero gli strumenti necessari per imparare quali sarebbero stati i futuri biochimici in grado di apprendere, capì rapidamente che questa "nucleina" era imparentata con le proteine ​​ma non era essa stessa una proteina, che conteneva un insolito quantità di fosforo e che questa sostanza era resistente alla degradazione da parte degli stessi fattori chimici e fisici che la degradavano proteine.

Sarebbero passati più di 50 anni prima che la vera importanza del lavoro di Miescher diventasse evidente. Nel secondo decennio del 1900, un biochimico russo, Phoebus Levene, fu il primo a proporre che, quelli che oggi chiamiamo nucleotidi, consisteva in una parte zuccherina, una parte fosfatica e una base porzione; che lo zucchero era ribosio; e che le differenze tra i nucleotidi erano dovute alle differenze tra le loro basi. Il suo modello "polinucleotidico" aveva alcuni difetti, ma per gli standard dell'epoca era notevolmente centrato sul bersaglio.

Nel 1944, Oswald Avery e i suoi colleghi della Rockefeller University furono i primi ricercatori conosciuti a suggerire formalmente che il DNA fosse costituito da unità ereditarie o geni. Seguendo il loro lavoro e quello di Levene, lo scienziato austriaco Erwin Chargaff ha fatto due scoperte chiave: uno, che la sequenza dei nucleotidi nel DNA varia tra le specie di organismi, contrariamente a quanto aveva Levene proposto; e due, che in qualsiasi organismo, la quantità totale delle basi azotate adenina (A) e guanina (G) combinata, indipendentemente dalla specie, era praticamente sempre uguale alla quantità totale di citosina (C) e timina (T). Ciò non ha portato Chargaff a concludere che A si accoppia con T e C si accoppia con G in tutto il DNA, ma in seguito ha aiutato a rafforzare la conclusione raggiunta da altri.

Infine, nel 1953, Watson e i suoi colleghi, beneficiando dei modi in rapido miglioramento di visualizzare le strutture chimiche tridimensionali, misero tutti queste scoperte insieme e usarono modelli di cartone per stabilire che una doppia elica si adattava a tutto ciò che era noto sul DNA in un modo nient'altro poteva.

Il DNA è stato identificato come il materiale ereditario negli esseri viventi ben prima che la sua struttura fosse chiarita, e come spesso nel caso delle scienze sperimentali, questa scoperta vitale è stata in realtà incidentale rispetto ai ricercatori principali scopo.
Prima che la terapia antibiotica emergesse alla fine degli anni '30, le malattie infettive causavano molte più vite umane di quante ne provocassero fare oggi, e svelare i misteri degli organismi responsabili era un obiettivo fondamentale nella ricerca microbiologica. Nel 1913, il già citato Oswald Avery iniziò un lavoro che alla fine rivelò un alto polisaccaride (zucchero) contenuto in capsule di specie batteriche pneumococciche, che erano state isolate dalla polmonite pazienti. Avery ha teorizzato che questi stimolassero la produzione di anticorpi nelle persone infette. Nel frattempo, in Inghilterra, William Griffiths stava eseguendo un lavoro che mostrava che i componenti morti di un tipo di causa di malattie pneumococco potrebbe essere mescolato con i componenti viventi di un innocuo pneumococco e produrre una forma patogeno del precedente tipo innocuo; questo dimostrò che qualunque cosa passasse dai batteri morti a quelli vivi era ereditabile.

Quando Avery apprese dei risultati di Griffith, iniziò a condurre esperimenti di purificazione nel tentativo di isolare il materiale preciso negli pneumococchi che era ereditabile e alloggiato negli acidi nucleici, o più specificamente, nucleotidi. Il DNA era già fortemente sospettato di avere ciò che allora veniva chiamato popolarmente "trasformante" principi", così Avery e altri hanno testato questa ipotesi esponendo il materiale ereditario ad a varietà di agenti. Quelli noti per essere distruttivi per l'integrità del DNA ma innocui per le proteine ​​o il DNA, chiamati DNAasi, erano sufficiente in quantità elevate per prevenire la trasmissione di caratteri da una generazione batterica al Il prossimo. Nel frattempo, le proteasi, che sbrogliano le proteine, non hanno causato tali danni.

Il messaggio da portare a casa del lavoro di Avery e Griffith è che, ancora una volta, mentre persone come Watson e Crick sono state giustamente lodate per i loro contributi per la genetica molecolare, stabilire la struttura del DNA è stato in realtà un contributo piuttosto tardivo al processo di apprendimento di questa spettacolare molecola.

Chargaff, anche se ovviamente non descrisse per intero la struttura del DNA, mostrò che, in oltre a (A + G) = (C + T), i due filamenti noti per essere inclusi nel DNA erano sempre alla stessa distanza a parte. Ciò ha portato al postulato che purine (compresi A e G) sempre legato a pirimidine (compresi C e T) nel DNA. Questo aveva senso tridimensionale, perché le purine sono considerevolmente più grandi delle pirimidine, mentre tutte le purine hanno essenzialmente le stesse dimensioni e tutte le pirimidine hanno essenzialmente le stesse dimensioni. Ciò implica che due purine legate insieme occuperebbero molto più spazio tra i filamenti di DNA di due pirimidine, e anche che ogni dato abbinamento purina-pirimidina consumerebbe la stessa quantità di spazio. Mettere tutte queste informazioni richiedeva che A si legasse a, e solo a, T e che la stessa relazione fosse valida per C e G se questo modello doveva avere successo. E ce l'ha.

Le basi (ne parleremo più avanti) si legano l'una all'altra all'interno della molecola del DNA, come i pioli di una scala. Ma che dire dei fili, o "lati", stessi? Rosalind Franklin, lavorando con Watson e Crick, presumeva che questa "spina dorsale" fosse fatta di zucchero (nello specifico uno zucchero pentoso, o uno con struttura ad anello a cinque atomi) e un gruppo fosfato che lega il zuccheri. A causa dell'idea recentemente chiarita dell'accoppiamento delle basi, Franklin e gli altri si resero conto che i due filamenti di DNA DNA in una singola molecola erano "complementari", o in effetti immagini speculari l'una dell'altra a livello della loro nucleotidi. Ciò ha permesso loro di prevedere il raggio approssimativo della forma contorta del DNA con un solido grado di accuratezza e l'analisi della diffrazione dei raggi X ha confermato la struttura elicoidale. L'idea che l'elica fosse una doppia elica è stato l'ultimo dettaglio importante sulla struttura del DNA che è andato a posto, nel 1953.

I nucleotidi sono le subunità ripetute del DNA, che è il contrario di dire che il DNA è un polimero di nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero chiamato desossiribosio che contiene una struttura ad anello pentagonale con una molecola di ossigeno e quattro di carbonio. Questo zucchero è legato a un gruppo fosfato e due punti lungo l'anello da questa posizione è anche legato a una base azotata. I gruppi fosfato collegano insieme gli zuccheri per formare la spina dorsale del DNA, i cui due filamenti si attorcigliano attorno alle basi pesanti azotate legate nel mezzo della doppia elica. L'elica compie un giro completo di 360 gradi circa una volta ogni 10 paia di basi.

Uno zucchero legato solo a una base azotata si chiama a nucleoside.

L'RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA in tre modi fondamentali: uno, l'uracile pirimidina è sostituito dalla timina. Due, lo zucchero pentoso è ribosio piuttosto che desossiribosio. E tre, l'RNA è quasi sempre a singolo filamento e si presenta in più forme, la cui discussione va oltre lo scopo di questo articolo.

Il DNA viene "decompresso" nei suoi due filamenti complementari quando arriva il momento di fare le copie. Mentre ciò accade, i filamenti figli si formano lungo i filamenti monogenitori. Uno di questi filamenti figli si forma continuamente tramite l'aggiunta di singoli nucleotidi, sotto l'azione dell'enzima DNA polimerasi. Questa sintesi segue semplicemente la direzione della separazione dei filamenti di DNA genitore. L'altro filamento figlia si forma da piccoli polinucleotidi chiamati Frammenti di Okazaki che in realtà si formano nella direzione opposta alla decompressione dei filamenti genitori, e sono quindi uniti insieme dall'enzima DNA ligasi.

Poiché i due filamenti figli sono anche complementari tra loro, le loro basi alla fine si legano per formare una molecola di DNA a doppio filamento identica a quella madre.

Nei batteri, che sono unicellulari e chiamati procarioti, una singola copia del DNA dei batteri (chiamato anche genoma) si trova nel citoplasma; nessun nucleo è presente. Negli organismi eucarioti pluricellulari, il DNA si trova nel nucleo sotto forma di cromosomi, che sono molecole di DNA altamente avvolte, avvolte e condensate spazialmente lunghe solo milionesimi di metro e proteine chiamato istoni. All'esame microscopico, le parti del cromosoma che mostrano "rocchetti" di istoni alternati e semplici filamenti di DNA (chiamati cromatina a questo livello di organizzazione) sono spesso paragonati a perline su a corda. Alcuni DNA eucarioti si trovano anche negli organelli delle cellule chiamate mitocondri.