Il patrimonio genetico di ciascun individuo, inscritto in filamenti di DNA, viene conservato nel nucleo di ogni cellula in particolari formazioni dette cromosomi e rappresenta pertanto la molecola che contiene in sé tutte le informazioni necessarie per la crescita, la specializzazione e la vita di ogni elemento cellulare.
Dal punto di vista chimico il DNA risulta costituito da una successione ordinata di nucIeotidi formati dall'unione di una base azotata purinica (Adenina o Guanina) o pirimidinica (Citosina o Timina), di uno zucchero a cinque atomi di carbonio (desossiribosio) e di un gruppo fosfato.
Nucleotide: è composto da 3 parti
§ pentoso: si tratta di uno zucchero a 5 atomi di carbonio, desossiribosio per DNA, ribosio per RNA
§ base azotata:
· purine: adenina e guanina sia per il DNA che per l'RNA
· pirimidine: per il DNA sono timina e citosina - per l'RNA si tratta dell'uracile e della citosina
§ gruppo fosfato: PO4--- legato al carbonio dello zucchero
Nucleoside = zucchero + base azotata, per cui il nucleotide è anche detto nucleoside fosfato.
Lo zucchero forma l'asse centrale della catena legando la base azotata in posizione 1' e il gruppo fosfato in posizione 5'. La connessione tra elementi contigui è assicurata dal legame del gruppo fosfato di un nucleotide con lo zucchero del nucleotide successivo in posizione 3'. Pertanto i due estremi della catena si presentano liberi, e saranno privi di residui fosforici rispettivamente gli atomi 3' e 5', conferendo così al polimero una precisa direzionalità.
In natura il DNA si presenta sotto forma di dimero (DNA a doppia catena), frutto dell'associazione di due singoli filamenti: DNA single strand "DNAss".
L'accoppiamento delle due catene si realizza attraverso la formazione di ponti a idrogeno, che sono legami facilmente scindibili, tesi tra le rispettive basi azotate, che vengono quindi a situarsi nella porzione centrale - o core - della struttura. Il dimero rappresenta la forma più conveniente da un punto di vista energetico e, di conseguenza, la conformazione più stabile esistente in natura.
Per denaturazione si intende la separazione del DNA double strand nelle due eliche costituenti, e si può ottenere fornendo energia al sistema, per esempio attraverso riscaldamento o agenti chimici particolari.
I due filamenti singoli non si appaiano casualmente, in quanto rispettano precisi criteri. Infatti le due catene, per fronteggiarsi, devono opporre una direzionalità inversa, essendo l'una diretta da 3' a 5', e l'altra, necessariamente, da 5' a 3', da cui è nato il termine di eliche antiparallele.
Per le leggi chimiche che condizionano la formazione dei legami tra atomi, l'abbinamento fra i nucleotidi può realizzarsi soltanto tra basi cosiddette complementari, cioè fra adenina e timina, mediante due ponti a idrogeno, o tra citosina e guanina, mediante tre ponti a idrogeno.
La legge di Chargaff stabilisce, per una data specie, l'equivalenza tra la percentuale di adenina e guanina e quella di timina e citosina.
Da queste regole discendono due importanti implicazioni in genetica molecolare. In primo luogo, singoli filamenti di DNA posti in un mezzo appropriato, tendono spontaneamente a disporsi nella forma più stabile, abbinandosi secondo sequenze complementari. Inoltre, qualora sia stabilita l'esatta successione di basi su uno strand, si può ricavare, seguendo semplicemente le leggi della complementarietà, la serie di nucleotidi del filamento corrispondente.
La struttura chimica del DNA è rappresentata dalla sequenza dei nucleotidi lungo uno strand. Dalla giustapposizione di due strands e dalla formazione di legami a idrogeno fra le basi complementari, si ottiene la molecola di DNA a doppia elica. In questa conformazione ciascuna coppia di basi dista dalle contigue 0,34 nm; un giro completo dell'elica, o passo dell'elica, misura 3,4 nm, per cui sono presenti 10 coppie di basi per un giro completo. Entrambe le eliche sono destrorse, ossia, immaginando di guardare lungo il loro asse, i due filamenti si avvolgono in senso orario.
Nel DNA double strand ulteriori legami si instaurano tra i diversi gruppi del polimero, con conseguente aumento della spiralizzazione. L'avvolgimento del DNA su se stesso è facilitato dalla presenza di particolari proteine basiche, gli istoni [1] , che forniscono al filamento un nucleo intorno al quale arrotolarsi. Ogni unità istone-DNA costituisce un nucleosoma.
Il compattamento dell'acido desossiribonucleico comporta due importanti vantaggi. Innanzitutto riduce notevolmente lo spazio occupato dalla molecola, per cui strands lunghissimi, contenenti migliaia di informazioni, possono essere conservati nel nucleo di ogni cellula. In secondo luogo l'organizzazione del DNA nella sua struttura massimamente spiralizzata, i cromosomi, semplifica la divisione del patrimonio genetico durante la meiosi e la mitosi.