Il RNA

Differenze strutturali con il DNA: 

• Nei nucleotidi del RNA lo zucchero è il ribosio non il desossiribosio;
• al posto della timina l'RNA contiene una piramidina molto simile, l'uracile che, come la timina, si appaia solo con l'adenina.  
• la maggior parte del RNA è composto da un solo filamento invece che due. 

L'RNA si trova nel citosol e gioca un ruolo fondamentale nella sintesi proteica. Esistono tuttavia tre tipi di RNA:

RNA messaggero (mRNA): le molecole di questo tipo di RNA sono assemblate a partire da uno dei due filamenti di DNA in base allo stesso principio dell'appaiamento delle basi che regola la sua duplicazione. I nucleotidi, presenti nella cellula come NTP (nucleotidi tifosfati), si attaccano uno alla volta alla catena in via di formazione perdendo due gruppi fosfato. Questo processo  detto trascrizione, ha appunto il compito di "trascrivere" il messaggio contenuto nel DNA nel nuovo filamento di RNA. Il compito del mRNA è quello di trasportare nel citoplasma l informazioni codificate nel DNA.

RNA ribosomiale (rRNA): si diversifica dal mRNA sia per la struttura sia per la funzione. Ogni ribosoma è formto da due subunità, ognuna omposta da rRNA e proteine specifiche;

RNA di trasporto (tRNA): "traduce" il linguaggio degli acidi nucleici in quello delle proteine.

La duplicazione del DNA

Questo è uno schema riassuntivo del processo di duplicazione, o replicazione, del DNA. Qui il processo è molto semplificato e analizzato in varie situazioni ma nella realtà questo avviene in modo continuo e molto rapidamente.

1. All'inizio della duplicazione i due filamenti di DNA sono divisi dall'elicasi, questo enzima rompe i legami a idrogeno che ci sono tra le basi azotate. Si forma così una "bolla di duplicazione". 
2. A questo unto intervengono la DNA topoisomerasi, che limita l'azione dell'elicasi e la tensione dovuta da questo enzima, e le single strand binding proteins, proteine singole che evitano la riformazione della doppia elica.
3. Dopo di che entra in azione l'enzima DNA primasi che inserisce una sequenza provvisoria di nucleotidi di RNA
4. Ora, il DNA è composto a due filamenti antiparalleli (5' 3' e 3' 5'), ma la duplicazione avviene in direzione 5' 3' quindi i due filamenti continuano la loro duplicazione in modo differente: il filamento in direzione 5' 3' (detto leading) viene sintetizzato continuamente, l'altro (detto lagging o filamento in ritardo, con direzione 3' 5') in modo discontinuo, il DNA polimerasi III (un altro enzima) agisce a ritroso a piccoli pezzetti, i frammenti di Okazaki.
5. Infine i nucleotidi di RNA sono sostituiti da quelli di DNA dall'enzima polimerasi I.

Ecco un video sulla replicazione dl DNA:

Il DNA

Il DNA fu isolato per la prima volta nel 1869 (stesso decennio in cui Darwin pubblica "L'origine delle specie" e Mendel comunica i suoi risultati sulla genetica) dal tedesco Friedrich Mischer. Egli gli aveva dato il nome di nucleina o acido nucleico per via della sua locazione, ma fu in seguito cambiato in acido desossiribonucleico. Grazie a molti esperimenti si scoprì che il DNA era formato da nucleotidi (monomeri, molecole semplici) ognuno dei quali è composto da una base azotata, da uno zucchero a 5 atomi di carbonio, appunto il desossiribosio, e da un gruppo fosfato. Le basi azotate possono essere di due tipi: le purine, adenina e guanina, e le piramidine, citosina e timina. 

Watson, Crick, Wilkins e Franklin

Watson (a destra) e Crick (a sinistra)

Agli inizi degli anni Cinquanta, uno scienziato statunitense, James Watson, si recò a Cambrige per i suoi studi sulle proteine. Ed è in un laboratorio che incontra il fisico inglese Francis Crick. I due hanno un interesse comune: lo studio della struttura del Dna, così iniziano insieme i loro studi. All'epoca di Watson e Crick erano già presenti alcune conoscenze sulla struttura del DNA: si sapeva infatti che era molto grande, filiforme, formata da nucleotidi contenenti una base azotata (purina o piramidina), uno zucchero (desossiribosio) e un gruppo fosfato.  

Nel 1950, Linus Pauling dimostrò che le proteine potevano avere una forma elicoidale grazie ai legami a idrogeno che si formano.

Maurice Wilkins

Rosalind Franklin

Watson e Crick incontrarono altri due scienziati inglesi che lavoravano all'università di Londra anche loro interessati alla struttura del DNA, sono Maurice Wilkins e Rosalind Franklin. Nel 1953 Franklin pubblicò una foto del DNA a raggi X, ella è anche la prima a ipotizzare la forma a doppia elica del DNA. In seguito Watson scoprì che alcune parti del DNA sono sempre presenti con lo stesso valore, quindi sono in coppia, poi insieme a Crick costruì il modello a doppia elica del DNA. Nel 1962, quattro anni dopo la morte di Franklin,  Watson, Crick e Wilkins ricevono il premio Nobel per la medicina e la fisiologia.  

Riproduzione cellulare

La riproduzione cellulare ha due possibilità: la mitosi e la meiosi.

Nella mitosi (video) partendo da una cellula madre si hanno due cellule figlie identiche alla madre (con stesso materiale genetico).

Nella meiosi (animazione) partendo da una cellula madre si hanno quattro cellule figlie diverse.

Video sulla mitosi e meiosi.

La geometria delle molecole

- 1 atomo centrale legato a 2 (tutti gli elettroni condivisi):
Struttura: lineare             Angolo: 180°
Es. BeH2 CO2 HCN

CO2

- 1 atomo centrale legato a 3 (tutti gli elettroni condivisi):

Struttura: trigonale planare             Angolo: 120°
Es. BF3  CO3

CO3 con formule limite

- 1 atomo centrale legato a 4 (tutti gli elettroni condivisi, con ibridazione sp3)

Struttura: tetraedro             Angolo: circa 109,5°
Es. SO4 SO4H2 CH4

CH4 

- 1 atomo centrale legato a 3 (con una coppia di elettroni sull'atomo centrale)

Struttura: piramide a base trigonale            Angolo: circa 107°
Es. NH3 (ammoniaca)

NH3

- 1 atomo centrale legato a 2 (con due coppie di elettroni sull'atomo centrale)

Struttura:              Angolo: circa 104,5°
Es. H2O

H2O

- 1 atomo centrale legato a 2 (con una coppia di elettroni sull'atomo centrale)

Struttura: V angolare            Angolo: circa 120°
Es. SO2 O3

SO2

I legami

Tra atomi esistono due tipi di forze: quelle repulsive, tra particelle aventi la stessa carica, e quelle attrattive, tra elettroni e nuclei di atomi diversi. Queste ultime sono più forti delle altre e fanno in modo che gli atomi possano legarsi. 
Esistono due tipi di legami:
- Intramolecolari, cioè interni alla molecola;
- Intermolecolari, cioè tra più molecole.
Ripetute osservazioni sperimentali hanno portato a una risposta alla domanda "perchè si formano i legami chimici?":
- Gli atomi tendono spontaneamente a legarsi per raggiungere l'ottetto di stabilità dell'orbitale esterno (elettroni dell'orbitale di valenza).
- Il legame chimico si forma perchè l'energia complessiva di una molecola è più alta rispetto a quella di atomi singoli.
Per rompere un legame occorre fornire energia dall'esterno questa energia è chiamata energia di legame.
Esistono tre tipi di legame: il legale covalente, il legame ionico e il legame metallico.

forze agenti in un legame chimico e lunghezza di legame

LEGAME COVALENTE

Il legame covalente si crea quando entrambi gli atomi, la cui differenza di elettronegatività deve essere minore di 1.9,  condividono un elettrone di un orbitale spaiato in modo tale che entrambi realizzino l'ottetto di stabilità. Un legame covalente può essere puro o polare:

-Legame covalente puro

Questo è il legame che si forma quando i due atomi hanno differenza di elettronegatività pari a 0 e con le stesse caratteristiche energetiche;

-Legame covalente polare

Questo legame si forma quando a legarsi sono due atomi con diversa elettronegatività per cui si creano delle parziali cariche negative, sull'atomo meno elettronegativo, e positive, sull'atomo più elettronegativo.

A volte un atomo (donatore) condivide una coppia di elettroni e l'altro (accettore) fornisce un orbitale vuoto, questo è chiamato lega me dativo o di coordinazione.

Spesso si formano degli orbitali ibridi, cioè intermedi, tra l'orbitale s e p. Il numero di orbitali ibridi ottenuti è uguale al numero di quelli che vengono combinati. 

- sp dà luogo a strutture lineari, come l'anidride carbonica (CO2)

- sp² dà luogo a strutture planari, come triossido di zolfo (SO3)

- sp³ dà luogo a strutture tetraedriche, come il metano (CH4)

orbitali sp3

CO2, anidride carbonica (sp)

LEGAME IONICO

Il legame ionico si forma quando la differenza di elettronegatività è superiore a 1.9 e almeno la metà degli atomi sono diventati ioni, per questo si parla di percentuale di ionicità. Prendiamo in considerazione la molecola NaCl: differenza di elettronegatività=2.1>1.9, l'elettrone quindi tenderà a essere più ''spostato'' verso l'atomo di cloro formando uno ione positivo, mentre l'atomo di sodio è diventato uno ione negativo. Tra questi ioni si forma una reciproca attrazione elettrostatica perchè di carica opposta, si genera così un reticolo cristallino.

LEGAME METALLICO

Anche in questo legame i protagonisti sono gli ioni ma questa volta sono tutti dello stesso segno (+). Questo avviene perchè gli atomi che formano questo tipo di legame sono dei metalli, cioè atomi con bassa energia di ionizzazione (tendenti a formare cationi). Nonostante la forte repulsione tra i cationi, prevalgono le forze attrattive esercitate tra cationi e gli elettroni che gli atomi hanno perduto ionizzandosi: gli ioni positivi si sistemano ordinatamente nello spazio formando un reticolo cubico a corpo o a facce centrate (animazione).