Storia e Struttura degli Acidi Nucleici: Dal DNA all'RNA

1. Storia della scoperta degli acidi nucleici

Nel 1871, il biochimico Friedrich Miescher isolò una sostanza dai nuclei dei globuli bianchi e la chiamò nucleina; ne rilevò la presenza di fosforo e notò che la sua caratteristica principale era la natura acida. Nel 1899, il chimico tedesco Richard Altmann ribattezzò la nucleina in acido nucleico. Il chimico tedesco Robert Feulgen scoprì nel 1914 che l'acido nucleico delle cellule del timo assumeva un colore fucsina. L'uso di questo colorante portò alla scoperta che l'"acido nucleico del timo" si trova nei nuclei delle cellule vegetali e animali.

Nei primi mesi del 1900, si accertò che l'acido nucleico del lievito aveva diverse caratteristiche chimiche rispetto a quello del timo, il cosiddetto "acido nucleico del lievito". Nel 1920, i biochimici Albrecht Kossel e Phoebus Levene rilevarono che gli acidi nucleici contengono sostanze chimiche chiamate basi azotate. Il lavoro di Levene dimostrò che l'"acido nucleico del timo" aveva quattro basi azotate: timina (T), citosina (C), adenina (A) e guanina (G), un pentoso chiamato deossiribosio e un gruppo fosfato.

Levene dimostrò anche che l'"acido nucleico del lievito" è diverso dall'"acido nucleico del timo" per due aspetti: in primo luogo, non ha la timina ma l'uracile (U) e, in secondo luogo, il pentoso è il ribosio. In seguito, il nome dell'acido nucleico del timo fu cambiato in acido desossiribonucleico (DNA), mentre il termine acido nucleico del lievito cambiò in acido ribonucleico (RNA).

2. Lavoro per determinare la natura del materiale genetico

Nel 1928, lo studioso britannico Griffith studiò la possibilità di sviluppare vaccini contro il batterio che causa la polmonite. Lavorando con diversi ceppi di questo batterio, scoprì che alcuni erano patogeni e altri innocui. Griffith studiò la possibilità di utilizzare batteri patogeni uccisi dal calore per immunizzare gli animali contro la polmonite. Tra i suoi molti esperimenti, iniettò in alcuni topi i batteri patogeni e in altri i batteri innocui uccisi dal calore; in entrambi i casi, i topi non svilupparono la malattia.

Poi iniettò in un altro gruppo di topi una miscela di batteri patogeni uccisi dal calore e batteri innocui vivi: il risultato fu che i topi contrassero la malattia e morirono. Alcune delle spiegazioni proposte furono:

• La prima: che i batteri patogeni non erano realmente morti.
• La seconda: che una parte del ceppo patogeno morto fosse stata trasmessa ai batteri innocui vivi, causandone la trasformazione in batteri patogeni. Griffith chiamò questo fenomeno principio trasformante.

3. Chimica degli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono formati da sostanze che costituiscono l'unità strutturale di base chiamata nucleotide; questi si uniscono in lunghe catene per formare gli acidi nucleici. Un nucleotide è costituito da tre molecole:

• Una base azotata: molecole a forma di anello divise in:
  • Purine: hanno due anelli e sono formate da adenina (A) e guanina (G).
  • Pirimidine: hanno un solo anello e sono formate da citosina (C), timina (T) e uracile (U).
  Il DNA possiede A, G, C, T; l'RNA possiede A, G, C, U (il DNA ha la T al posto della U, e l'RNA ha la U al posto della T).
• Un pentoso: è uno zucchero con cinque atomi di carbonio. Nel DNA, lo zucchero è il desossiribosio, mentre nell'RNA è il ribosio.
• Un gruppo fosfato: costituito da idrogeno, ossigeno e fosforo.

4. Contributo di Franklin e Wilkins sul DNA

Una volta identificati i componenti memorizzati nella molecola del DNA, sorse una nuova domanda: Qual è la dimensione della struttura chimica tridimensionale del DNA? Nel 1953, Franklin e Wilkins utilizzarono per i loro studi una tecnica conosciuta come diffrazione di raggi X; questa tecnica fu impiegata per proporre una struttura tridimensionale specifica della molecola studiata. Il pattern di diffrazione di raggi X di Franklin e Wilkins permise di proporre che la molecola di DNA formasse una doppia elica, simile a una scala a chiocciola.

5. Modello di Watson e Crick del DNA

Watson e Crick postularono che il DNA fosse composto da due catene polinucleotidiche tenute insieme da legami a idrogeno. Studi successivi rivelarono che l'adenina si lega alla timina mediante due legami a idrogeno, mentre la citosina si lega alla guanina attraverso tre ponti a idrogeno. Le catene polinucleotidiche che costituiscono il DNA si organizzano tridimensionalmente in una doppia elica.

6. Cos'è l'RNA e qual è la sua chimica?

Si tratta di un singolo filamento ribonucleico che si trova nel nucleo e, in maggiori quantità, nel citoplasma. La sua funzione principale è coinvolta nella sintesi proteica. A differenza del DNA, nell'RNA il pentoso è il ribosio al posto del deossiribosio e presenta l'uracile (U) invece della timina (T).

All'RNA non si applica la regola di Chargaff perché l'RNA è costituito da una singola catena di nucleotidi che può assumere diverse forme. L'RNA è molto più versatile rispetto al DNA per quanto riguarda i tipi di strutture tridimensionali che può assumere.

7. Tipi di RNA

• RNA messaggero (mRNA): trasporta le informazioni genetiche nel citoplasma.
• RNA ribosomiale (rRNA): si trova nel citoplasma e costituisce parte integrante dei ribosomi.
• RNA di trasporto (tRNA): si trova nel citoplasma ed è presente in circa 20 modi diversi.
• Piccolo RNA nucleare (snRNA): termine usato per riferirsi a diverse piccole molecole di RNA presenti nel nucleo.