Le forze che stabilizzano la struttura degli acidi nucleici

Il DNA non mostra la complessità strutturale delle proteine in quanto c'è una gamma molto maggiore di proprietà chimico-fisiche tra i 20 residui amminoacidici delle proteine di quanto ci sta tra le quattro basi del DNA. Comunque, le forze che generano le strutture degli acidi nucleici sono le stesse che sono responsabili della struttura delle proteine ma, il modo in cui esse si combinano dà agli acidi nucleici proprietà che sono molto diverse da quelle delle proteine.
DENATURAZIONE E RINATURAZIONE
Quando una soluzione di DNA duplex viene scaldata oltre una temperatura caratteristica, la sua struttura nativa collassa e i suoi due filamenti complementari si separano e assumono la conformazione dell'avvolgimento casuale. Questo processo di denaturazione è accompagnato da cambiamenti qualitativi delle proprietà fisiche del DNA. Per esempio la viscosità caratteristicamente alta delle soluzioni di DNA nativo diminuisce drasticamente quando il DNA si scompone nei filamenti singoli associati in modo relativamente libero. Il modo più conveniente di registrare lo stato nativo di DNA è tramite il suo spettro di assorbimento alla luce ultravioletta (UV). Quando il DNA si denatura, il suo assorbimento agli UV, che è quasi interamente dovuto alle sue basi aromatiche, aumenta di circa il 40% a tutte le lunghezze d'onda. Questo fenomeno, che è noto come effetto ipercromico, deriva dalle interazioni elettrochimiche tra basi vicine. Quindi, la stabilità della doppia elica e quindi la sua temperatura di fusione, Tm, dipende da molti fattori compresa la natura del solvente, l'identità e le concentrazioni degli ioni in soluzione e il pH. Tm aumenta anche in modo lineare con la frazione molare di coppie G—C, il che indica che queste coppie unita da un triplo legame idrogeno sono più stabili delle coppie A—T unite da un doppio legame idrogeno. Comunque, se una soluzione di DNA denaturato viene rapidamente raffreddata e la temperatura mantenuta a circa 25 °C sotto la Tm, ci sarà disponibile abbastanza energia termica affinché corte regioni di basi appaiate si riarrangino aprendosi e riformandosi ma non ce ne sarà abbastanza per aprire lunghi tratti complementari. In queste condizioni di riassociazione il DNA denaturato alla fine si rinatura completamente.
LA CONFORMAZIONE DELLA CATENA ZUCCHERI-FOSFATI
La conformazione di un'entità nucleotidica è specificata da sei angoli di torsione dello scheletro di zuccheri-fosfati e dall'angolo di torsione che descrive l'orientamento della base intorno al legame glicosidico (il legame che unisce C(1') alla base). Potrebbe sembrare che questi sette gradi di libertà per nucleotide possano rendere i polinucleotidici altamente flessibili. Ma in realtà, questi angoli di torsione sono soggetti ad una varietà di limitazioni interne che restringono enormemente la loro libertà conformazionale. Ad esempio, la rotazione di una base intorno al suo legame glicosidico è enormemente ostacolata. I residui di purine hanno due orientamenti stericamente permessi relativamente allo zucchero noti come la conformazione syn e anti. Per le pirimidine, si forma facilmente solo la conformazione anti perché nella conformazione syn il residuo di zucchero interferisce stericamente con il sostituente C(2) della pirimidina. Comunque, nella maggior parte degli acidi nucleici a doppia elica tutte le basi sono nella conformazione anti. L'eccezione è il DNA-Z, i cui residui alternati di pirimidine e purine sono rispettivamente anti e syn. Anche l'anello di ribosio ha un certo grado di flessibilità che influenza significativamente la conformazione dello scheletro di zucchero fosfato. Gli angoli al vertice di un pentagono regolare sono di 108°, un valore molto vicino all'angolo tetraedrico (109,5°), così che ci si potrebbe aspettare che l'anello di ribofuranosio sia quasi piatto. Tuttavia, i sostituenti dell'anello sono eclissati quando l'anello è planare. Per alleviare l'affollamento che ne risulta, che si riscontra anche tra gli atomi di idrogeno, l'anello si piega; diventa cioè leggermente non planare in modo da riorientare i sostituenti dell'anello. In conclusione risulta che quattro atomi dell'anello risultano coplanari mentre il restante atomo è fuori da questo piano, una conformazione detta a mezza sedia. Se l'atomo di fuori del piano è spostato dallo stesso lato dell'anello rispetto all'atomo C(5') si dice che ha la conformazione endo, mentre se è spostato nel lato opposto dell'anello rispetto a C(5') ha la conformazione eso. Nella maggior parte delle strutture note di nucleosidi e nucleotidi l'atomo fuori dal piano è o C(2') o C(3'). C(2')-endo è il ripiegamento del ribosio che si trova più frequentemente, assieme anche a C(3')-endo e -eso.