La struttura del DNA: la doppia elica in dettaglio

Nel 1953 James Watson e Francis Crick proposero un modello che avrebbe cambiato la biologia per sempre: la doppia elica del DNA. In pochi anni questa struttura spiegò come l’informazione genetica venisse conservata, copiata e trasmessa. Oggi conosciamo ogni dettaglio geometrico e ne sfruttiamo le proprietà per sequenziamento, diagnostica molecolare e ingegneria genetica.

Vediamo i parametri della forma B-DNA (la più comune in soluzione fisiologica), le regole dell’appaiamento di basi, l’antiparallelismo dei filamenti, i solchi maggiore e minore, e le varianti A-DNA e Z-DNA.

Le regole di Chargaff: prima della struttura

A metà degli anni ’40, Erwin Chargaff osservò che nella composizione in basi del DNA di qualsiasi organismo il numero di residui di adenina uguagliava sempre quello di timina (A = T), e quello di guanina uguagliava quello di citosina (G = C). Queste regole di Chargaff non furono subito comprese, ma diventarono la chiave strutturale: Watson e Crick ne dedussero che i due filamenti si «leggono» l’uno come complemento dell’altro. La composizione in G + C varia dal 25 al 75% tra specie batteriche diverse, ed è caratteristica di ciascuna specie, relativamente costante tra individui della stessa.

Il modello Watson-Crick: caratteristiche principali

Le caratteristiche fondamentali della doppia elica possono essere riassunte in quattro punti. Primo: i due filamenti polinucleotidici si avvolgono intorno a un asse comune formando una doppia elica destrorsa. Secondo: i due filamenti sono antiparalleli, cioè hanno direzionalità opposta — uno corre 5′→3′ e l’altro 3′→5′ rispetto alla stessa direzione. Terzo: le basi si trovano nell’interno dell’elica, impilate in modo planare e perpendicolare all’asse, minimizzando le repulsioni tra i gruppi fosforici che rimangono all’esterno. Quarto: ogni base forma legami idrogeno specifici con la base del filamento opposto, dando luogo a coppie di basi complementari.

A = T (2 legami H)  ·  G ≡ C (3 legami H)  ·  passo 3,4 nm / giro = 10,5 bp

Parametri geometrici del B-DNA

La forma B-DNA, predominante in soluzione acquosa a concentrazioni ioniche fisiologiche, ha parametri geometrici ben definiti. Il passo dell’elica (la distanza percorsa lungo l’asse per un giro completo) è di 3,4 nm. Un giro completo comprende circa 10,5 coppie di basi, per cui la distanza tra una coppia e la successiva è di circa 0,34 nm. Il diametro dell’elica è di circa 2 nm. La superf icie della doppia elica presenta due scanalature di diversa ampiezza: il solco maggiore (ampio ~2,2 nm) e il solco minore (ampio ~1,2 nm). Questa differenza è cruciale perché le proteine che legano il DNA — fattori di trascrizione, enzimi di restrizione, repressori — riconoscono specifiche sequenze di basi quasi sempre attraverso il solco maggiore, dove i gruppi funzionali delle basi sono più accessibili.

L’appaiamento specifico e il suo significato biologico

L’appaiamento A=T e G≡C non è casuale: è dettato dalla geometria e dalla chimica dei legami idrogeno. L’adenina forma due legami idrogeno con la timina; la guanina ne forma tre con la citosina. Questo è il motivo per cui il DNA ricco in G+C è termicamente più stabile: servono più energia per separare i filamenti (più legami idrogeno da rompere). L’appaiamento specifico dà immediatamente ragione di come ogni filamento possa fungere da stampo per la sintesi di quello complementare durante la replicazione del DNA: la sequenza di un filamento determina in modo univoco quella del filamento opposto.

L’appaiamento delle basi è stabilizzato anche dall’impilamento aromatico (π-stacking): le basi planari aromatic he si sovrappongono verticalmente lungo l’asse dell’elica, con interazioni di van der Waals e interazioni elettrostatiche che contribuiscono in modo rilevante alla stabilità complessiva.

Z-DNA e A-DNA: varianti strutturali

Sebbene il B-DNA sia la forma dominante in vivo, esistono varianti strutturalmente distinte. L’A-DNA si forma a bassa umidità e è la conformazione tipica degli ibridi RNA:DNA e delle doppie eliche di RNA. Ha un passo più corto (2,8 nm) e un solco maggiore stretto e profondo. Lo Z-DNA è una forma sinistrorsanella sequenza alternata purina-pirimidina in condizioni di elevata forza ionica. Il suo scheletro zucchero-fosfato zigzaga (da qui la «Z»), con 12 bp per giro e un passo di 4,5 nm. Evidenze recenti suggeriscono che il Z-DNA si formi transitoriamente in vivo nelle regioni a monte dei geni attivamente trascritti.

Vedi anche. Come si legge l’ordine delle basi di un filamento è spiegato nell’articolo sul sequenziamento del DNA.

Domande frequenti

Perché la doppia elica del DNA è destrorsa?

È una conseguenza della stereochimica dei nucleotidi: il D-desossiribosio ha una geometria che impone la torsione verso destra quando i legami fosfodiesterici si susseguono lungo il polimero. La forma B-DNA destrorsa è la più stabile in acqua a concentrazione ionica fisiologica. La forma Z-DNA, sinistrorsanella, si osserva solo in particolari sequenze e condizioni.

Che cosa sono i solchi maggiore e minore?

Sono le due scanalature che si formano sulla superficie della doppia elica a causa della disposizione asimmetrica delle coppie di basi rispetto allo scheletro zucchero-fosfato. Il solco maggiore è più largo (~2,2 nm nel B-DNA) e profondo, e mostra una disposizione più ricca di gruppi funzionali distinguibili delle basi; per questo motivo la maggior parte delle proteine di legame specifico al DNA interagisce tramite il solco maggiore.

Perché il DNA ricco di G+C è più stabile termicamente?

Perché ogni coppia G≡C forma tre legami idrogeno invece dei due della coppia A=T. Per denaturare (separare i filamenti) un DNA con alto contenuto in G+C serve riscaldare di più. La temperatura di fusione T_m aumenta linearmente con la percentuale di G+C, ed è questo il principio alla base dell’analisi del punto di fusione del DNA usata in diagnostica molecolare.

Cosa significa antiparallelismo?

Significa che i due filamenti hanno orientamenti opposti: il primo corre dalla posizione 5′ alla 3′ in una direzione, mentre il secondo corre dalla 5′ alla 3′ nella direzione fisica opposta. Le DNA e RNA polimerasi sintetizzano sempre nella direzione 5′→3′, il che impone il problema del filamento ritardato nella replicazione, risolto con i frammenti di Okazaki.

Quale è la differenza tra B-DNA e A-DNA?

Il B-DNA ha passo 3,4 nm e 10,5 bp/giro con solco maggiore largo e accessibile. L’A-DNA ha passo 2,8 nm e 11 bp/giro con solco maggiore stretto e profondo, e le basi sono inclinate rispetto all’asse dell’elica. L’A-DNA è favorita a bassa umidità e è la conformazione degli ibridi RNA:DNA che si formano durante la trascrizione, quindi è biologicamente rilevante nel complesso RNA polimerasi-DNA.