DNA
sigla dell'acido desossiribonucleico (Desoxyribose
Nucleic Acid), composto chimico macromolecolare appartenente al gruppo
degli acidi nucleici. È contenuto nel nucleo delle cellule dove svolge la
funzione di portatore dell'informazione genetica.
GENERALITÀ
La biologia moderna ha avuto origine con la scoperta della
struttura a doppia elica del DNA e questa struttura suggerisce molti aspetti
delle sue importanti funzioni. Il DNA è formato da due catene polinucleotidiche
(i nucleotidi sono i singoli componenti della catena) che si avvitano una
sull'altra con una struttura a elica. Lo scheletro esterno è costituito da una
catena ripetuta zucchero-fosfato e la parte codificante, costituita dalle basi
adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) si trova all'interno. Le
basi si appaiano tra loro con una regola precisa, adenina con timina e guanina
con citosina. La forma delle basi è molto piatta e sono disposte in maniera
parallela tra loro, come i gradini di una scala a chiocciola. Le due eliche sono
tenute insieme attraverso interazioni deboli che si chiamano 'legami
idrogeno', costituiti tra le estremità di ciascuna base. A e T formano due
legami idrogeno, G e C tre legami, che rendono questo appaiamento più stabile.
In un DNA con un grosso contenuto di G e C le due eliche si separeranno più
difficilmente che in un DNA con molte A e T. Il diametro di una molecola è ca.
2,5 nm e la distanza tra due basi è di ca. 0,34 nm e l'elica forma un giro
completo ogni 3.4 nm, quindi ci sono ca. 10 basi per ogni giro di elica.
Esistono varie strutture del DNA che si definiscono come A, B e Z. La A è la
meno frequente e rappresenta il DNA quando non è in soluzione, è più compatta e
contiene 11 basi per giro. La B è la più frequente ed è quella a cui ci si
riferisce in generale, rappresenta il DNA in una soluzione acquosa e forma al
suo esterno due solchi di diverse dimensioni chiamati solco maggiore e solco
minore. Queste regioni sono le zone dove avviene il riconoscimento da parte di
varie proteine ed enzimi delle sequenze specifiche del DNA e rappresentano le
zone dove il DNA viene 'letto'. Oltre alla forma B dall'elica
destrorsa, ne esiste una terza denominata Z con un'elica sinistrorsa. Questa
struttura si può formare in brevi tratti costituiti da una alternanza delle
basi G e C ripetute varie volte. Si pensa che possa avere delle funzioni
strutturali e di informazione in alcuni processi cellulari e inoltre una sua
eccessiva presenza può causare malattie autoimmuni. Nonostante la moltitudine
dei legami formati dall'appaiamento delle basi renda il DNA una molecola
piuttosto stabile, tuttavia essa è libera di muoversi e flettersi lungo il suo
asse maggiore e questa flessibilità le permette di piegarsi e modellarsi
attorno a strutture proteiche. Inoltre in alcune sequenze, a causa del
particolare ingombro nello spazio delle basi e dell'influenza che ciascuna di
esse ha sulla base adiacente, il DNA presenta una conformazione naturalmente
piegata. Questo tipo di struttura è particolarmente importante nella formazione
della fibra di cromatina, costituita da DNA e istoni, e in quella di complessi
proteici che regolano la trascrizione dell'RNA. Le due catene del DNA si
possono separare e in questa maniera la molecola si denatura. La separazione
avviene in molti processi biologici, in particolare durante la replicazione e
la trascrizione. La denaturazione del DNA può essere indotta chimicamente o con
il calore e questa metodologia è molto utile per analizzare varie funzioni di
questa molecola. Generalmente il DNA di tutti i Batteri e quello di molti virus
ha una struttura circolare e anche nel caso di organismi superiori, compreso
l'uomo, il DNA cromosomico è costituito da varie anse di DNA circolare ancorate
a strutture proteiche. Il suo comportamento nello spazio quindi è molto simile
a quello del DNA circolare e gli permette di assumere diverse conformazioni
nello spazio che vengono definite come 'topoisomeri' (dal greco topos
= spazio). Nella cellula esistono degli enzimi che regolano queste strutture e
si chiamano DNA-topoisomerasi. I parametri topologici del DNA vengono definiti
in base alle regole matematiche della topologia e sono: L, il
'numero di legame', che rappresenta il numero di volte che un'elica
passa intorno all'altra, in un DNA di lunghezza definita; poiché ogni giro di
elica è costituito da dieci basi, il numero di legame di una molecola lunga
1000 basi, sarà 100. W, 'writhe' che rappresenta il numero di
volte che il DNA è annodato su se stesso nello spazio, e T,
'twist', che rappresenta il passo dell'elica. Queste grandezze sono
collegate tra loro dall'equazione L= T+W. Se il DNA viene
srotolato e quindi il suo T diminuisce, di conseguenza aumenterà il W,
vale a dire la molecola assumerà una conformazione super avvolta. Il DNA, in
natura, ha nella maggior parte dei casi una struttura superavvolta.
DNA-TOPOISOMERASI
Il DNA non è una struttura statica, ma è libera di muoversi
nello spazio fluido della cellula, assumendo varie conformazioni topologiche,
come annodarsi e avvolgersi su se stesso. Inoltre tutti i processi cellulari
che comportano uno scorrimento di complessi proteici sul DNA alterano la sua
struttura nello spazio, torcendolo, srotolandolo e creando delle regioni di
superavvolgimento del tutto simili a quelle che può assumere una corda o un
elastico. Questa struttura del DNA nello spazio viene controllata e regolata da
una serie di enzimi che si chiamano DNA- topoisomerasi. Esistono due classi di
questi enzimi, definite in base al loro meccanismo d'azione. Gli enzimi di
classe I sono costituiti generalmente da un monomero e sono capaci di
introdurre una rottura su un singolo filamento della doppia elica del DNA,
rilassando il DNA di un giro alla volta. La reazione non richiede un apporto di
energia sotto forma di ATP. Gli enzimi di classe II sono costituiti da due o
più subunità e sono capaci di introdurre tagli su entrambi i filamenti della
doppia elica del DNA per srotolarlo. In questo caso la reazione procede solo in
presenza di ATP. Ogni reazione di topoisomerizzazione, sia essa dovuta a enzimi
di classe I o classe II, può essere divisa in tre momenti. Il primo consiste
nella rottura del filamento, o dei filamenti, e nella formazione di un legame
covalente tra l'enzima e il DNA. Il secondo consiste nel passaggio del
filamento, o dei filamenti, intatti attraverso il sito di rottura. Nel terzo e
ultimo momento avviene la saldatura covalente dei filamenti precedentemente
tagliati. L'energia necessaria a ricostituire la catena polinucleotidica
intatta è conservata nel legame tra l'enzima e il filamento interrotto e negli
enzimi di tipo II, che richiedono ATP come fattore energetico, questa molecola
viene usata come induttore di grossi cambi conformazionali. Negli ultimi anni
la ricerca sulle topoisomerasi ha avuto un enorme sviluppo grazie a studi di
cristallografia che hanno contribuito in maniera essenziale alla verifica dei
modelli proposti per il loro meccanismo di azione. Tuttavia è stata individuata
la struttura cristallografica solo di alcuni frammenti proteici di questi
enzimi e probabilmente questo è dovuto alla loro complessità e flessibilità che
rende difficile la cristallizzazione dell'enzima intero. Nel caso della
topoisomerasi II di lievito, il frammento cristallizzato rappresenta la parte
che contiene il sito attivo che assume una forma a tenaglia. Questo enzima
infatti funziona come una vera e propria tenaglia che intrappola il DNA al suo
interno aprendosi nella parte superiore, poi permette il passaggio di un'altra
regione di DNA a doppio filamento nell'apertura prodotta. Alla fine della reazione
la parte inferiore dell'enzima si apre come un cancello e il filamento
trasportato attraverso la tenaglia può uscire. Questa serie complessa di
reazioni viene provocata da cambi conformazionali dovuti alla molecola di ATP
che si lega nella parte N terminale dell'enzima. Le DNA-topoisomerasi hanno
assunto un'importanza primaria nella ricerca oncologica perché molti farmaci
antitumorali hanno come target specifico questi enzimi, e quindi lo
sviluppo di farmaci più efficienti, che superino la farmaco-resistenza, è uno
degli obiettivi primari della ricerca di nuovi farmaci antitumorali.
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