Appaiamento delle basi: il modello di Watson e Crick

Il cuore dell’informazione genetica sta in una regola di una semplicità disarmante: l’adenina si appaia con la timina, la guanina con la citosina. Questo appaiamento delle basi complementari, intuito da Watson e Crick nel 1953, spiega come il DNA possa conservare e copiare l’informazione, e perché un filamento basti a ricostruire l’altro.

Vediamo quali sono le coppie ammesse, quanti legami idrogeno le tengono insieme, che cosa dicono le regole di Chargaff e perché la complementarità è la chiave dell’ereditarietà.

Le due coppie ammesse

Nella doppia elica le basi non si appaiano a caso. Una purina si lega sempre a una pirimidina, e per ragioni geometriche e chimiche solo due abbinamenti funzionano: ogni adenina (A) si appaia con una timina (T), e ogni guanina (G) con una citosina (C). Sono le uniche coppie che riempiono in modo regolare lo spazio tra i due filamenti e che presentano i gruppi chimici nelle posizioni giuste per formare legami idrogeno. Le coppie A–T e G–C hanno praticamente le stesse dimensioni, e questo mantiene costante il diametro dell’elica lungo tutta la sua lunghezza.

Due o tre legami idrogeno

Le coppie sono tenute insieme da legami idrogeno, deboli singolarmente ma decisivi nel loro insieme. La coppia A–T è formata da due legami idrogeno, mentre la coppia G–C ne ha tre. È questa differenza che spiega un fatto sperimentale ben noto: il DNA ricco di coppie G–C è più stabile e richiede temperature più alte per separare i due filamenti (denaturazione). La quantità di G–C in un genoma non è affatto costante: nei batteri il contenuto di G+C varia in un’ampia forbice, da circa il 25% al 75% delle basi a seconda della specie, mentre nei mammiferi resta in un intervallo molto più stretto, intorno al 39–46%.

Le regole di Chargaff

Prima ancora che si conoscesse la struttura del DNA, Erwin Chargaff aveva osservato negli anni ’40 una regolarità sorprendente nella sua composizione: la quantità di adenina è sempre uguale a quella di timina, e la quantità di guanina è sempre uguale a quella di citosina. Sono le regole di Chargaff. All’epoca il loro significato rimase oscuro; oggi sappiamo che sono la conseguenza diretta dell’appaiamento complementare: se ogni A sta di fronte a una T e ogni G a una C, allora i loro numeri totali devono coincidere.

%A = %T  e  %G = %C  →  (A+G) = (T+C)  (regole di Chargaff)

Queste relazioni furono uno degli indizi sperimentali decisivi che, insieme alle immagini di diffrazione a raggi X e alla geometria delle basi, guidarono Watson e Crick verso il modello corretto. Le regole di Chargaff valgono per il DNA a doppio filamento; non si applicano nello stesso modo all’RNA, che di norma è a singolo filamento e non ha quindi alcun vincolo di complementarità tra basi.

Complementarità ed ereditarietà

La conseguenza più profonda dell’appaiamento è la complementarità: conoscendo la sequenza di un filamento si conosce automaticamente quella dell’altro, perché ogni base impone la sua partner. Da qui deriva l’intero meccanismo dell’ereditarietà: durante la replicazione ogni filamento fa da stampo per costruire il complementare, e le informazioni passano fedelmente da una generazione all’altra. È quella che Watson e Crick stessi indicarono come la conseguenza più sorprendente del loro modello.

Perché conta nella pratica

L’appaiamento complementare è il principio su cui si fonda gran parte della biotecnologia: l’ibridazione di sonde, il disegno dei primer per la PCR, la specificità dei microarray, la progettazione di oligonucleotidi terapeutici. Sapere che A va con T e G con C, e che il legame G–C è più forte, è ciò che permette di prevedere quando due filamenti si appaieranno e a quale temperatura si separeranno. È una regola semplice da enunciare ma con ricadute quotidiane in laboratorio.

Domande frequenti

Quali basi si appaiano tra loro nel DNA?

L’adenina (A) si appaia sempre con la timina (T), e la guanina (G) con la citosina (C). Una purina si lega cioè sempre a una pirimidina, e solo questi due abbinamenti hanno la geometria e i gruppi chimici giusti. Nell’RNA il ruolo della timina è svolto dall’uracile, quindi A si appaia con U.

Quanti legami idrogeno tengono insieme le coppie di basi?

La coppia A–T è unita da due legami idrogeno, mentre la coppia G–C ne ha tre. Per questo il DNA ricco di coppie G–C è più stabile e richiede temperature più alte per separare i due filamenti. La differenza è alla base del calcolo della temperatura di melting degli oligonucleotidi.

Che cosa dicono le regole di Chargaff?

Affermano che, in un DNA a doppio filamento, la quantità di adenina è uguale a quella di timina e la quantità di guanina è uguale a quella di citosina (A = T, G = C). Sono la conseguenza diretta dell’appaiamento complementare e furono uno degli indizi che portarono al modello di Watson e Crick.

Perché l’appaiamento è detto complementare?

Perché ogni base impone univocamente la sua partner: di fronte a una A ci sarà sempre una T, di fronte a una G sempre una C. Conoscendo la sequenza di un filamento si ricava automaticamente quella dell’altro. Questa complementarità è ciò che permette al DNA di essere copiato fedelmente e di trasmettere l’informazione genetica.

Il contenuto di G–C è uguale in tutti gli organismi?

No. Nei batteri il contenuto di G+C varia molto da specie a specie, da circa il 25% al 75% delle basi. Nei mammiferi è più uniforme, intorno al 39–46%. Le regole di Chargaff (A = T, G = C) restano comunque valide in ogni caso, perché dipendono dall’appaiamento e non dalla composizione complessiva.