Gli acidi nucleici sono macromolecole chiave nella continuità della vita. Portano l’impronta genetica di una cellula e portano le istruzioni per il funzionamento della cellula. I due tipi principali di acidi nucleici sono l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). Il DNA è il materiale genetico che si trova in tutti gli organismi viventi, dai batteri unicellulari ai mammiferi multicellulari. L’altro tipo di acido nucleico, l’RNA, è principalmente coinvolto nella sintesi delle proteine. Le molecole di DNA non lasciano mai il nucleo, ma usano invece un intermediario RNA per comunicare con il resto della cellula. Anche altri tipi di RNA sono coinvolti nella sintesi proteica e nella sua regolazione. Approfondiremo gli acidi nucleici in una sezione successiva.
DNA e RNA sono costituiti da monomeri noti come nucleotidi collegati tra loro in una catena con legami covalenti. Ogni nucleotide è costituito da tre componenti: una base azotata, uno zucchero a cinque carboni e un gruppo fosfato (Figura 1). La base azotata in un nucleotide è attaccata alla molecola di zucchero, che è attaccata al gruppo fosfato.
Le basi azotate, importanti componenti dei nucleotidi, sono molecole organiche e sono così chiamate perché contengono carbonio e azoto. Sono basi perché contengono un gruppo amminico che ha il potenziale di legare un idrogeno extra, e quindi, diminuisce la concentrazione di ioni idrogeno nel suo ambiente, rendendolo più basico. Ogni nucleotide nel DNA contiene una delle quattro possibili basi azotate: adenina (A), guanina (G) citosina (C) e timina (T). L’RNA contiene la base uracile (U) invece della timina. L’ordine delle basi in un acido nucleico determina l’informazione che la molecola di DNA o RNA porta. Questo perché l’ordine delle basi in un gene del DNA determina l’ordine in cui gli aminoacidi saranno assemblati insieme per formare una proteina.
Lo zucchero pentoso nel DNA è il desossiribosio, e nell’RNA, lo zucchero è il ribosio (Figura 1). La differenza tra gli zuccheri è la presenza del gruppo idrossile sul secondo carbonio del ribosio e dell’idrogeno sul secondo carbonio del desossiribosio. Gli atomi di carbonio della molecola di zucchero sono numerati come 1′, 2′, 3′, 4′, e 5′ (1′ si legge come “un primo”). Il residuo di fosfato è attaccato al gruppo idrossile del carbonio 5′ di uno zucchero e al gruppo idrossile del carbonio 3′ dello zucchero del nucleotide successivo, che forma un legame fosfodiestere 5′-3′ (un tipo specifico di legame covalente). Un polinucleotide può avere migliaia di tali legami fosfodiesteri.
Il DNA ha una struttura a doppia elica (Figura 2). È composto da due filamenti, o catene, di nucleotidi. La doppia elica del DNA è spesso paragonata a una scala attorcigliata. I filamenti (le parti esterne della scala) sono formati collegando i fosfati e gli zuccheri dei nucleotidi adiacenti con forti legami chimici, chiamati legami covalenti. I pioli della scala attorcigliata sono costituiti dalle due basi attaccate insieme con un debole legame chimico, chiamato legame idrogeno. Due basi legate a idrogeno insieme sono chiamate coppia di basi. La scala si attorciglia per tutta la sua lunghezza, da qui la descrizione “doppia elica”, che significa una doppia spirale.
I gruppi di zucchero e fosfato si alternano all’esterno di ogni filamento, formando la spina dorsale del DNA. Le basi azotate sono impilate all’interno, come i gradini di una scala, e queste basi si accoppiano; le coppie sono legate tra loro da legami idrogeno. Le basi si accoppiano in modo tale che la distanza tra le dorsali dei due filamenti sia la stessa lungo tutta la molecola.
In una molecola di DNA, l’adenina (A) si accoppia sempre con la timina (T), e la citosina (C) si accoppia sempre con la guanina (G). Questo significa che la sequenza di un filamento della doppia elica del DNA può sempre essere usata per determinare l’altro filamento.
Come la struttura dell’acido nucleico determina la funzione?
La funzione principale del DNA e dell’RNA è quella di immagazzinare e trasportare informazioni genetiche. L’ordine specifico dei nucleotidi nella molecola di DNA o RNA è ciò che determina l’informazione genetica che porta. Puoi pensarla come le lettere in un libro – se l’ordine delle lettere fosse cambiato, il libro non conterrebbe più le stesse (o corrette) informazioni.