Perché il DNA è una doppia elica

Il DNA è la macromolecola biologica depositaria dell’informazione necessaria allo svolgimento delle funzioni vitali della cellula. Questa è strutturata da due filamenti polinucleotidici che si avvolgono a formare una struttura elicoidale con un diametro di circa 20 Å (10^-10 m). I mattoni costituenti dei filamenti sono definiti nucleotidi, a loro volta formati da uno zucchero- il deossiribosio nel DNA- al quale sono legati un gruppo fosfato ed una delle quattro basi azotate, che sono: guanina (G), citosina (C), adenina (A) e timina (T). Il ruolo dei gruppi fosforici di ciascun nucleotide è quello di formare un “ponte” fra il nucleotide a monte e quello a valle unendo le posizioni al 3’ e al 5’ di unità zuccherine adiacenti. Infine i legami idrogeno che si instaurano tra basi appartenenti a filamenti differenti promuovono l’appaiamento degli stessi. Nell’immagine sottostante è possibile osservare un singolo filamento del DNA nel quale sono presenti le quattro basi azotate.

Perché il DNA dovrebbe assumere la struttura elicoidale alla quale tutti comunemente la associamo? Una delle motivazioni  che permettono la formazione della struttura elicoidale è da ricercarsi nella chimica delle basi azotate. Queste sono delle molecole difficilmente idrosolubili, aromatiche e planari (piatte). Tutte ragioni che portano le stesse ad impilarsi l’una sopra l’altra facendo stacking (impilamento) minimizzando quindi l’esposizione alle molecole d’acqua. Osservando le entità molecolari che costituiscono un filamento, si trova che le queste hanno una certa profondità e che sono unite da un legame definito fosfodiesterico della lunghezza di 6Å, che è rigido, non si può allungare né accorciare, ma può ruotare. Una struttura costituita da due filamenti antiparalleli semplicemente appaiati da legami a idrogeno fra le basi- cosa chimicamente possibile-  lascerebbe delle regioni molto ampie (3,5 Å) accessibili al solvente (H₂0). Come ridurre la superficie di esposizione al solvente considerando la rigidità del legame fosfodiesterico? Come possono muoversi basi contigue le une rispetto alle altre? È possibile descrivere questi movimenti mediante alcuni strumenti?

La geometria euleriana permette di descrivere la posizione di un oggetto rispetto all’altro mediante sei parametri definiti appunto euleriani: tre parametri rotazionali e tre parametri traslazionali. I sei gradi di libertà dipendono dal fatto che un oggetto possa ruotare o traslare rispetto a ciascuno dei tre assi che permettono la descrizione di uno spazio tridimensionale. Nel nostro caso i parametri euleriani consentiranno di descrivere il movimento una coppia di basi generica rispetto a quella che la segue. Nella figura sottostante è mostrato il sistema di riferimento di assi cartesiani preso in esame:

-asse di twist (alto-basso)
-asse front-back (Avanti-dietro)
-asse di roll-slide (destra-sinistra)

La coppia di basi potrà ruotare o traslare rispetto a questi assi tenendo sempre conto delle limitazioni derivanti dalla legge dello stacking e dalla rigidità del legame fosfodiesterico. Seguendo queste regole si deduce come non siano permesse le traslazioni o le rotazioni rispetto all’asse front-back (avanti-dietro) dal momento che questi movimenti comporterebbero l’estensione o la contrazione del legame. Anche la traslazione lungo l’asse di twist non è consentita per le stesse motivazioni. Un movimento che allontani o avvicini coppie di basi nella doppia elica comporterebbe l’alterazione delle dimensioni del legame. Le basi possono dunque sperimentare solamente tre movimenti  all’interno della doppia elica. Queste possono ruotare rispetto all’asse di twist e all’asse di roll-slide, ma possono anche traslare rispetto a quest’ultimo asse.

Mentre la rotazione delle coppie di basi rispetto all’asse di roll-slide è associata ad una proprietà importantissima del DNA- la curvabilità della molecola stessa-Gli altri movimenti che soddisfano la legge dello stacking e rispettano la rigidità del legame fosfodiesterico sono:

-La traslazione rispetto all’asse di roll-slide
-La rotazione rispetto all’asse di twist

-La traslazione implica lo “scivolamento” di una base rispetto all’altra come mostrato nella figura sopra formando una struttura a  scaletta. Questo comporterebbe lo stiramento del legame fosfato mantenendolo comunque lungo 6Å. Non è una condizione ottimale dal momento che un’ampia regione delle basi risulta ancora esposta al solvente.

-La rotazione di una base rispetto all’altra implica una rotazione del legame fosfodiesterico,che però rimane della sua lunghezza standard e ciò consente di “chiudere” buona parte della regione accessibile al solvente. Lo stacking ottenuto mediante la rotazione delle basi nella doppia elica (twist) è migliore di quanto ottenuto grazie allo “scivolamento” delle basi. Ecco il perché dell’elica. Fra i “mattoncini”che strutturano il DNA dei vari organismi è presente un angolo di circa 35°(angolo di twist)- che può variare considerevolmente a seconda di alcuni fattori dipendenti dalla sequenza- ma che spiega come un giro d’elica contenga 10,5 paia di basi. La struttura elicoidale della macromolecola è una risposta naturale ad una questione di natura puramente chimica. Se infatti le basi tendono ad impilarsi secondo la legge dello stacking, la necessità di minimizzare la regione fra le basi accessibile al solvente implica due soluzioni: scivolamento delle basi o rotazioni delle stesse. Fra le due possibilità offerte dal mondo chimico, la strutturazione elicoidale del DNA dipende dalla rotazione delle coppie di basi piuttosto che dallo scivolamento delle stesse, movimento in grado di limitare ancor più dello “scivolamento” l’esposizione delle basi al solvente.

Daniele D’Errico

 

 

 

 

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