Caratteristiche strutturali del DNA

La scoperta che il DNA è la più importante molecola nella quale risiedono tutte le informazioni genetiche, ha immediatamente richiamato l'attenzione sulla sua struttura, la cui conoscenza poteva rilevare con quale meccanismo il DNA porta i messaggi genetici che vengono trasmessi nel momento in cui i cromosomi si dividono per produrre due identiche copie di se stessi.
La caratteristica più importante del DNA è quella di essere normalmente formato da due catene polinucleotidiche, avvolte l'una all'altra nella forma a doppia elica. Per prima cosa, volendo studiare la struttura del DNA, consideriamo la struttura del nucleotide, il costituente fondamentale di questa macromolecola. Un nucleotide consiste di un fosfato legato ad uno zucchero, il 2'-deossiribosio (in quanto in posizione 2' manca un gruppo ossidrilico e sono presenti due atomi di idrogeno), a cui è attaccata una base. Lo zucchero unito alla sola base forma un nucleoside. Aggiungendo un fosfato (o più di uno) ad un nucleoside, invece, si ottene il nucleotide. Questa molecola è prodotta, quindi, mediante la formazione di un legame glicosidico, fra la base e lo zucchero ed un legame fosfodiesterico fra la base e l'acido fosforico. I nucleotidi sono, a loro volta, legati l'uno all'altro in catene polinucleotidiche per mezzo dell'ossidrile presente in posizione 3' del 2'-deossiribosio di un nucleotide ed il fosfato attaccato al carbonio 5' di un altro nucleotide. Questo è un legame fosfodiestere (o fosfodiesterico) in cui il fosfato fra i due nucleotidi è unito ad uno zucchero esterificato mediante l'ossidrile al 3' ed un secondo zucchero esterificato mediante l'ossidrile in posizione 5'. Il legame fosfodiesterico crea un'impalcatura ripetitiva zucchero-fosfato, che è una caratteristica strutturale del DNA. Al contrario, l'ordine delle basi, lungo la catena polinucleotidica è casuale. Le basi del DNA, invece, appartengono a due differenti categorie: le purine e le pirimidine. Alle purine appartengono l'adenina e la guanina mentre le pirimidine sono la citosina e la timina.
Ciascuna base esiste in due conformazioni tautomeriche. Gli atomi di azoto attaccati agli anelli purinici e pirimidinici sono in forma amminica nella maggior parte dei casi e soltanto raramente assumono la conformazione imminica. Allo stesso modo, gli atomi di ossigeno attaccati alla guanina e alla timina, sono nella maggior parte dei casi in forma cheto e solo raramente assumono la configurazione enolica. Comunque, nell'elica l'adenina di una catena è sempre appaiata con la timina che si trova sull'altra catena e, parallelamente, la guanina è sempre appaiata con la citosina. I due filamenti hanno la stessa geometria nel formare l'elica, ma le basi formano le coppie con una polarità opposta. Cioè, la base al terminale 5' di un filamento è appaiata con la base al terminale 3' dell'altro filamento. Si dice che i due filamenti hanno un orientazione antiparallela. Questa orientazione è una conseguenza stereochimica dell'accoppiamento A:T e G:C. In maniera più dettagliata, una coppia G:C possiede tre legami idrogeno, poiché il gruppo esociclico NH2 del C2 della guanina può formare un legame idrogeno con un gruppo carbonilico in posizione C2 della citosina. Allo stesso modo, un legame idrogeno si può formare fra N1 della guanina e N3 della citosina e fra il gruppo carbonilico in C6 della guanina con l'NH2 esociclico in C4 della citosina. I legami idrogeno fra le basi complementari sono una caratteristica fondamentale della doppia elica, contribuendo alla stabilità termodinamica dell'elica ed alla specificità delle coppie di basi.