Gli acidi nucleici sono macromolecole ad elevato peso molecolare e sono suddivise in due tipologie: gli acidi desossiribonucleici (DNA) e gli acidi ribonucleici (RNA). I due tipi di acidi nucleici hanno funzioni diverse e presentano alcune sostanziali differenze che vedremo in seguito.

Gli acidi nucleici sono strutture polimeriche  in  cui  l’unità di base è rappresentata dal  nucleotide.  Ogni nucleotide è costituito da tre elementi: una base azotata, un monosaccaride e un gruppo fosfato. Le basi azotate appartengono a due famiglie di composti eterociclici, le pirimidine e le purine. Sono basi pirimidiniche la citosina, la timina e l’uracile, mentre sono basi puriniche l’adenina e la guanina (Fig. 01.01.04.01).

Il monosaccaride presente negli acidi desossiribonucleici è il desossiribosio, mentre negli acidi ribonucleici è il ribosio. I due zuccheri si deferenziato unicamente per l’assenza, nel desossiribosio, di un ossidrile in posizione 2’. Tale differenza ha notevoli implicazioni sulla reattività differenziale delle due molecole. La  molecola costituita dalla base azotata e dallo zucchero è definita  nucleoside. Questo reagisce con una molecola di acido fosforico (gruppo fosfato) dando origine al nucleotide (Fig. 01.01.04.02 e Tab. 01.01.04.01).

I nucleotidi formano gli acidi nucleici mediante reazioni di condensazione che avvengono tra la posizione 3’ (contenente il gruppo ossidrile) di un nucleotide e la posizione 5’ (contenente il gruppo fosfato) del secondo nucleotide. Tale reazione porta alla formazione di un legame detto fosfodiestereo.

Il primo nucleotide della sequenza avrà la posizione 5’ non impegnata in alcun legame (cioè libera): si dice che questo rappresenta l’estremità 5’ del filamento di acido nucleico. L’ultimo nucleotide, invece, avrà la posizione 3’ libera, non coinvolta in alcun legame. Il filamento di acido nucleico, quindi, ha una direzionalità 5’-3’.

Il DNA assume una tipica struttura a doppio filamento, o doppia elica. I due filamenti  decorrono  con  polarità opposta (sono antiparalleli), uno in direzione 5’-3’ e l’altro in direzione 3’-5’. Le basi azotate dei due filamenti si affrontano in modo complementare mediante formazione di legami a idrogeno. L’appaiamento è sempre tra una adenina (A) e una timina (T), mediante due legami a idrogeno, e tra una citosina (C) e una guanina (G), mediante tre legami a idrogeno (Fig. 01.01.04.03).

Se, ad esempio, un filamento presenta la sequenza di basi: 5’ – C A T G C G T T A A T G – 3’, il filamento complementare sarà il seguente: 3’ – G T A C G C A A T T A C– 5’.

La struttura a doppia elica del DNA è stata determinata nel 1953 da James Watson e Francis Crick. Essi ricevettero per tale scoperta il premio Nobel per la medicina nel 1962, insieme a Maurice Wilkins. La doppia elica presenta due strutture, i solchi. Questi solchi possono avere diversa ampiezza e si distinguono in un solco maggiore e un solco minore (Fig. 01.01.04.04).

“Il DNA, nella struttura determinata da Watson e Crick, e definito come forma B. Una forma alternativa si può ottenere in condizioni di disidratazione: si tratta della forma A. Esiste poi una forma in cui la molecola risulta stirata ed e la forma Z, in cui è presente un solo solco. Le forme A e B sono destrorse mentre la forma Z è sinistrorsa (Fig. 01.01.04.05)”.

In un DNA la quantità di adenina è sempre uguale a quella di timina (%A = %T), mentre quella di citosina è sempre uguale a quella di guanina (%C = %G). Questa evidenza va sotto il nome di regola di Chargaff (dal nome del biochimico Erwin Chargaff  che studiò la composizione in basi del DNA). Esiste un’altra regola di Chargaff, conseguenza della precedente, che afferma che la quantità di basi puriniche (A+G) è uguale alla quantità di basi pirimidiniche (T+C). Tale rapporto è costante in tutte le specie, ma le percentuali delle diverse basi variano da specie a specie.

Se viene fornita la quantità percentuale di una base in un DNA è possibile, utilizzando le regole di  Chargaff, determinare la quantità delle altre tre basi. Ad esempio, se la percentuale di citosina è il 15%, dal momento che %C = %G, ottengo la percentuale di guanina, che sarà il 15%. La somma delle due  basi è 30%, ciò significa che la somma delle due basi rimanenti deve dare 70% (100-30). Visto che le due basi A e T devono essere presenti in quantità uguali, basterà dividere per 2 il 70%, ottenendo così 35% per la adenina e 35% per la timina.

La doppia elica del DNA può andare incontro, come avviene nelle proteine, a denaturazione. L’aumento di temperatura, per esempio, può portare alla rottura dei legami a idrogeno che tengono insieme i due filamenti, portando allo “srotolamento” della struttura tridimensionale dell’acido nucleico. Questo fenomeno, reversibile, è alla base di tecniche di biologia molecolare come la PCR.

Gli acidi ribonucleici sono di tre tipi: rRNA (RNA ribosomale), tRNA (RNA transfer o RNA di trasporto) e mRNA (RNA messaggero). Ciascuno di questi RNA ha un ruolo specifico nelle cellule, come vedremo in un capitolo successivo. Tutti gli RNA hanno la caratteristica di non associarsi a formare doppi filamenti ma di rimanere a singolo filamento, anche se alcuni presentano strutture complesse come i tRNA. Gli acidi nucleici hanno funzioni molto importanti nelle cellule. La Tab. 01.01.04.02 mostra le differenze tra DNA e RNA e i loro ruoli negli organismi viventi.