Visualizza wikitesto di DNA

{{nota disambigua}}{{Immagine multipla
|direzione = verticale
|titolo = '''Struttura del DNA'''
|immagine1 = DNA animation.gif
|didascalia1 = Animazione tridimensionale della [[doppia elica]] del DNA
|immagine2 = DNA Overview it.png
|didascalia2 = Rappresentazione bidimensionale della doppia elica del DNA
}}

L{{'}}'''acido desossiribonucleico''' o '''deossiribonucleico''' (sigla '''DNA''', dall'[[lingua inglese|inglese]] ''DeoxyriboNucleic Acid''<ref>{{Treccani|adn|ADN|v=sì|accesso=27 aprile 2017}}</ref><ref>{{cita testo|url=http://dizionario.internazionale.it/parola/adn|titolo=Lemma "''ADN''"}} in [[Tullio De Mauro]], ''Dizionario italiano''.</ref><ref>Cfr. "{{cita testo|url=http://www.sapere.it/enciclopedia/DNA+o+ADN.html|titolo=DNA o ADN}}" nell'enciclopedia ''Sapere''.</ref>) è l'[[Acidi nucleici|acido nucleico]] che contiene le [[Informazione genetica|informazioni genetiche]] per lo sviluppo, l'[[omeostasi]] e la riproduzione di tutti gli [[Organismo vivente|esseri viventi]] conosciuti. Costituisce inoltre la molecola base del funzionamento di una piccola minoranza dei [[Virus (biologia)|virus]].<ref>{{Cita web|url=https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/genetics-dictionary/def/dna|titolo=Genetics dictionary - DNA|sito=National Cancer Institute|data=20 luglio 2012|lingua=en|accesso=21 ottobre 2023}}</ref>

Dal punto di vista chimico, il DNA è un [[Polimeri|polimero]] organico a doppia catena i cui [[monomero|monomeri]] sono chiamati [[nucleotide|nucleotidi]] (desossiribonucleotidi).<ref>{{Cita libro|nome=Bruce|cognome=Alberts|titolo=Molecular biology of the cell|edizione=Sixth edition|data=2015|editore=Garland Science, Taylor and Francis Group|ISBN=978-0-8153-4432-2}}</ref> I nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un [[gruppo fosfato]], uno [[Glucidi|zucchero]] (il [[deossiribosio]]) e una [[base azotata]], legata al [[Glucidi|glicide]] con un [[legame glicosidico|legame N-glicosidico]]. Le basi azotate che entrano nella formazione dei nucleotidi sono quattro: [[adenina]], [[timina]], [[citosina]] e [[guanina]] (nell'RNA al posto della timina è presente l'[[uracile]]). La doppia catena polinucleotidica del DNA ha struttura antiparallela, spiralizzata e complementare poiché le basi azotate di una catena si accoppiano con l'altra con [[Legame idrogeno|legami idrogeno]] secondo lo schema: [[adenina|A]]-[[timina|T]] e [[guanina|G]]-[[citosina|C]].

La sequenza dei nucleotidi costituisce il [[codice genetico]], che è tradotto negli [[amminoacidi]] corrispondenti. La sequenza amminoacidica prodotta forma le proteine. Il processo della [[sintesi proteica]] avviene tramite la sintesi di una molecola ''intermedia'' di [[RNA]] ([[RNA messaggero]]), che è formata per complementarità con le quattro basi dei nucleotidi del DNA in un processo noto come [[trascrizione (biologia)|trascrizione]]. Il DNA non genera solo filamenti di RNA destinati alla traduzione in aminoacidi, ma anche frammenti in grado di svolgere svariate funzioni biologiche, ad esempio all'interno dei [[ribosomi]], dove l'RNA ha una funzione strutturale.

Negli [[Eukaryota|eucarioti]], il DNA si complessa all'interno del [[nucleo (biologia)|nucleo]] in strutture chiamate [[Cromosoma|cromosomi]]. Negli altri organismi, privi di nucleo, esso può essere organizzato in cromosomi o meno (nei batteri è presente un'unica molecola di DNA circolare a doppia catena). All'interno dei cromosomi, le proteine della [[cromatina]] come gli [[istone|istoni]], le [[coesina|coesine]] e le condensine organizzano il DNA e lo avvolgono in strutture ordinate. Queste strutture guidano l'interazione tra il codice genetico e le proteine responsabili della trascrizione, contribuendo al controllo della trascrizione genica. Nel corso della [[mitosi]] avviene la [[replicazione del DNA]], con cui l'informazione genica è trasmessa integralmente nel passaggio tra diverse generazioni cellulari.

== Storia ==
Il DNA fu inizialmente isolato dal biochimico [[svizzero]] [[Friedrich Miescher]], il quale, nel [[1869]], individuò una sostanza microscopica contenuta nel [[Infiammazione purulenta|pus]] di bende chirurgiche utilizzate. Dal momento che tale molecola aveva la sua localizzazione nel [[nucleo (biologia)|nucleo]], egli la chiamò ''nucleina''.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Dahm R |titolo=Friedrich Miescher and the discovery of DNA | rivista=Dev Biol |volume=278 |numero=2 |pp=274-88 |anno=2005 |pmid=15680349 }}</ref> Nel [[1919]] [[Phoebus Levene]] individuò la struttura del nucleotide, composta da base azotata, zucchero e fosfato.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Levene P, |titolo=The structure of yeast nucleic acid |url=http://www.jbc.org/cgi/reprint/40/2/415 |rivista=J Biol Chem |volume=40 |numero=2 |pp=415-24 |anno=1919 |accesso=2 settembre 2007 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20090629031747/http://www.jbc.org/cgi/reprint/40/2/415 |urlmorto=sì }}</ref> Levene suggerì che il DNA consistesse in un filamento di nucleotidi legati tra loro attraverso i fosfati. Egli, però, era convinto che tale filamento fosse corto e che le basi fossero disposte secondo un preciso ordine ripetuto. Nel [[1937]] [[William Astbury]] presentò i primi risultati di alcuni studi di [[diffrazione a raggi X]], i quali dimostrarono che il DNA ha una struttura estremamente regolare<ref>{{Cita pubblicazione | autore =Astbury W, |titolo=Nucleic acid | rivista=Symp. SOC. Exp. Bbl |volume=1 |numero=66 |anno=1947}}</ref>. Nel [[1944]] [[Erwin Schrödinger]] asserì che, visto che secondo la fisica quantistica i sistemi di pochi atomi hanno un comportamento disordinato, il materiale genetico doveva essere costituito da una grande molecola non ripetitiva, sufficientemente stabile da mantenere l'informazione genetica, chiamata "cristallo aperiodico".<ref>Erwin Schrödinger - ''What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell'', Cambridge University Press, Cambridge 1944</ref>

Nel [[1928]] [[Frederick Griffith]] scoprì che i [[Carattere (biologia)|caratteri]] della forma ''smooth'' ("liscia") di ''[[Pneumococcus]]'' potevano essere trasferiti alla forma ''rough'' ("rugosa"), miscelando i resti di [[batteri]] ''smooth'' morti con batteri ''rough'' vivi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Lorenz MG, Wackernagel W |titolo=Bacterial gene transfer by natural genetic transformation in the environment |rivista=Microbiol. Rev. |volume=58 |numero=3 |pp=563-602 |anno=1994 |pmid=7968924 |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=7968924}}</ref> Questo sistema, pur non fornendo nessuna evidenza su quale fosse la sostanza che determinava il cambiamento, mostrava che qualcosa potesse trasportare l'informazione genetica dai resti dei batteri morti a quelli vivi. Si parlò quindi di un ''principio trasformante'' in grado di modificare i batteri vivi. Nel [[1943]] [[Oswald Theodore Avery]] dimostrò, in un [[esperimento di Avery|celebre esperimento]] insieme a [[Colin MacLeod]] e [[Maclyn McCarty]], che il DNA è il ''principio trasformante'' alla base di questo fenomeno.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Avery O, MacLeod C, McCarty M |titolo=Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Inductions of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III | url=http://www.jem.org/cgi/reprint/149/2/297 | rivista=J Exp Med |volume=79 |numero=2 |pp=137-158 |anno=1944 }}</ref> Il ruolo del DNA nell'[[ereditarietà]] è stato provato, infine, nel [[1953]] da [[Alfred Hershey]] e [[Martha Chase]] attraverso un altro [[esperimento di Hershey-Chase|classico esperimento]], che dimostrò che il materiale genetico del [[fago T2]] è effettivamente il DNA.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Hershey A, Chase M |titolo=Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage | url=http://www.jgp.org/cgi/reprint/36/1/39.pdf | rivista=J Gen Physiol |volume=36 |numero=1 |pp=39-56 |anno=1952 |pmid=12981234 }}</ref>

{{doppia immagine|left|James Dewey Watson.jpg|200|Francis Crick.png|201|[[James Dewey Watson|James Watson]] (a sinistra) e [[Francis Crick]] (a destra), scopritori della struttura a doppia elica del DNA.}}
Il 1953 è anche l'anno in cui, attraverso ulteriori immagini da diffrazione a raggi X<ref name=FWPUB>Watson J.D. and Crick F.H.C. {{cita testo|url=https://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf|titolo="A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid".}} (PDF) ''Nature'' 171, 737–738 (1953). Ultimo accesso: 13 febbraio 2007.</ref> realizzate da [[Rosalind Franklin]], chimica-fisica inglese, [[James Dewey Watson|James Watson]] e [[Francis Crick]] presentarono<ref name=FWPUB/>, sulla rivista ''[[Nature]]'', quello che è oggi accertato come il primo modello accurato della struttura del DNA,<ref name=Watson/> ovvero il modello a ''doppia elica''. A disegnarne il bozzetto fu [[Odile Speed]], pittrice e moglie di Crick. Le evidenze sperimentali a supporto del modello di Watson e Crick furono riportate in una serie di cinque articoli pubblicati sullo stesso numero di Nature.<ref name=NatureDNA50>Nature Archives {{cita testo|url=https://www.nature.com/nature/dna50/archive.html|titolo=Double Helix of DNA: 50 Years}}</ref> Tra questi figurava l'articolo della [[Rosalind Franklin|Franklin]] e di [[Raymond Gosling]], che conteneva i dati di diffrazione a raggi X, fondamentale per sostenere il modello.<ref name=NatFranGos>Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Franklin R. and Gosling R.G.Nature 171, 740–741 (1953) {{cita testo|url=https://www.nature.com/nature/dna50/franklingosling.pdf|titolo=Nature Archives Full Text (PDF)}}</ref><ref>{{cita testo|url=http://osulibrary.oregonstate.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/pictures/franklin-typeBphoto.html|titolo=Original X-ray diffraction image}}</ref> Tale numero conteneva anche un articolo sulla struttura del DNA scritto da [[Maurice Wilkins]].<ref name=NatWilk>Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids. Wilkins M.H.F., A.R. Stokes A.R. & Wilson, H.R. Nature 171, 738–740 (1953){{cita testo|url=https://www.nature.com/nature/dna50/wilkins.pdf|titolo=Nature Archives (PDF)}}</ref> Nel [[1962]], dopo la morte di Rosalind Franklin (a causa di un tumore provocato, probabilmente, dalle alte dosi di raggi X a cui si era esposta nel corso dei suoi esperimenti), Watson, Crick e Wilkins ricevettero congiuntamente il [[Premio Nobel per la medicina]].<ref>{{cita testo|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/|titolo=The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962}} Nobelprize.org. Ultimo accesso: 22 dicembre 2006</ref> Dal momento che la scoperta del modello si basò essenzialmente sui dati di Rosalind Franklin, ancora oggi esistono pareri molto eterogenei nella comunità scientifica su chi avrebbe dovuto ricevere tale premio.

In un'importante presentazione del [[1957]], Crick propose il [[dogma centrale della biologia molecolare]], che fissa le relazioni tra DNA, RNA e proteine.<ref>Crick, F.H.C. {{cita testo|url=http://genome.wellcome.ac.uk/assets/wtx030893.pdf|titolo=On degenerate templates and the adaptor hypothesis (PDF).|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20081001223217/http://genome.wellcome.ac.uk/assets/wtx030893.pdf }} genome.wellcome.ac.uk (Lecture, 1955). Ultimo accesso: 22 dicembre 2006</ref> La conferma finale del meccanismo di replicazione basato sulla struttura a doppia elica fu fornita nel [[1958]] dall'[[esperimento di Meselson-Stahl]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Meselson M, Stahl F |titolo=The replication of DNA in Escherichia coli | rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=44 |numero=7 |pp=671-82 |anno=1958 |pmid=16590258 }}</ref> Un successivo lavoro di Crick dimostrò come il codice genetico fosse basato su triplette di basi non sovrapposte, permettendo ad [[Har Gobind Khorana]], [[Robert Holley]] e [[Marshall Warren Nirenberg]] di decifrarlo.<ref>{{cita testo|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1968/|titolo=The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968}} Nobelprize.org. Ultimo accesso: 22 dicembre 2006</ref> Queste scoperte sono alla base della moderna 
[[biologia molecolare]].

Nel [[1961]] [[Marshall Nirenberg]] e [[Severo Ochoa]] scoprono che ogni tripletta di [[nucleotidi]] codifica per uno specifico amminoacido.

== Struttura ==
[[File:DNA simple2 (it).svg|thumb|upright=1.4|Struttura a doppia elica del DNA. Sono messi in evidenza gli accoppiamenti tra le quattro basi azotate.]]
Il DNA è un lungo [[polimero]] costituito da unità ripetute di [[nucleotidi]].<ref name=Alberts>{{Cita libro |cognome=Alberts |nome=Bruce | coautori=Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walters |titolo=Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition |editore=Garland Science|data=2002 |città=New York and London |url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=mboc4.TOC&depth=2 |isbn=0-8153-3218-1 }}</ref><ref name="Butler">Butler, John M. (2001) ''Forensic DNA Typing'' "Elsevier". pp. 14–15. ISBN 978-0-12-147951-0.</ref> La catena del DNA è larga tra i 22 e i 26&nbsp;[[Ångström]] (da 2,2 a 2,6&nbsp;[[nanometri]]) e ogni unità nucleotidica è lunga 3,3&nbsp;Ångstrom (0,33&nbsp;nanometri).<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Mandelkern M, Elias J, Eden D, Crothers D |titolo=The dimensions of DNA in solution |rivista=J Mol Biol |volume=152 |numero=1 |pp=153-61 |anno=1981 |pmid=7338906 }}</ref> Sebbene ogni unità occupi uno spazio decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può essere sorprendentemente elevata, dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il più grande [[cromosoma]] umano (il [[cromosoma 1]]) contiene quasi 250 milioni di [[paia di basi]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Gregory S, ''et al.'' |titolo=The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1 |rivista=Nature |volume=441 |numero=7091 |pp=315-21 |anno=2006 |pmid=16710414 }}</ref>

Negli organismi viventi, il DNA non è quasi mai presente sotto forma di singolo filamento, ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro.<ref name=Watson>{{Cita pubblicazione |autore=Watson J, Crick F |titolo=Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid |url=https://profiles.nlm.nih.gov/SC/B/B/Y/W/_/scbbyw.pdf |rivista=Nature |volume=171 |numero=4356 |pp=737-8 |anno=1953 |pmid=13054692 }}</ref><ref name="berg">Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) ''Biochemistry.'' W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6</ref> Essi si intrecciano tra loro a formare una struttura definita ''doppia elica''. Ogni nucleotide è costituito da uno ''scheletro laterale'', che ne permette il [[legame covalente]] con i nucleotidi adiacenti, e da una base azotata, che instaura [[legame idrogeno|legami idrogeno]] con la corrispondente base azotata presente sul filamento opposto. Il composto formato da una base azotata legata allo zucchero è definito [[nucleoside]]; un [[nucleotide]] è invece un nucleoside a cui sono legati uno o più gruppi fosfato.<ref name=IUPAC>{{cita testo|url=http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/misc/naabb.html|titolo=Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents}} IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN). Ultimo accesso: 3 gennaio 2006</ref>

La struttura laterale del DNA è composta da unità ripetute e alternate di gruppi fosfato e di 2-deossiribosio,<ref name=Ghosh>{{Cita pubblicazione |autore=Ghosh A, Bansal M |titolo=A glossary of DNA structures from A to Z |rivista=Acta Crystallogr D Biol Crystallogr |volume=59 |numero=Pt 4 |pp=620-6 |anno=2003 |pmid=12657780 }}</ref> uno zucchero [[pentoso]] (a cinque [[atomi]] di [[carbonio]]) che si lega ai fosfati adiacenti attraverso [[legame fosfodiesterico|legami fosfodiesterici]] presso il terzo e il quinto carbonio; in pratica, ogni molecola di fosfato forma un ponte molecolare collegando, attraverso legami fosfodiesterici, il carbonio in posizione 3′ di una molecola di deossiribosio con quello in posizione 5′ dello zucchero successivo. Conseguenza di questi legami asimmetrici è che ogni filamento di DNA ha un senso, determinato dalla direzione dei legami fosfodiesterici. Le basi azotate, invece, si uniscono in posizione 1' dello zucchero desossiribosio con legami N-glicosidici. In una doppia elica, il senso di un filamento è opposto a quello del filamento complementare. Per tale motivo, i due filamenti che costituiscono una doppia elica sono detti antiparalleli. Le estremità asimmetriche di un filamento di DNA sono definite ''estremità [[senso (biologia molecolare)|5′]]'' (''cinque primo'') ed '' estremità [[senso (biologia molecolare)|3′]]'' (''tre primo''). La principale differenza tra il DNA e l'RNA è lo zucchero pentoso utilizzato: l'RNA, infatti, utilizza il [[ribosio]].<ref name=berg/>

La doppia elica del DNA è stabilizzata dai legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate presenti sui due filamenti.<ref>{{Cita testo|lingua=en|url=http://goldbook.iupac.org/D01597.html|titolo=IUPAC Gold Book, "deoxyribonucleic acids (DNA)"}}</ref> Le quattro basi che sono presenti nel DNA sono l'[[adenina]] (abbreviata con la lettera A), la [[citosina]] (C), la [[guanina]] (G) e la [[timina]] (T). Tutte e quattro le basi hanno struttura [[Composto eterociclico|eterociclica]], ma adenina e guanina sono, dal punto di vista strutturale, derivate della [[purina]], e pertanto dette ''basi puriniche'', mentre citosina e timina sono correlate alla [[pirimidina]] e dette ''basi pirimidiniche''.<ref name=berg/> Esiste una quinta base, di tipo pirimidinico, chiamata [[uracile]] (U), ma essa non è di norma presente nelle catene di DNA. L'uracile è altresì presente nei filamenti di RNA al posto della timina, dalla quale si differenzia per la mancanza di un [[gruppo metile]]. L'uracile è presente nel DNA solo come prodotto della degradazione della citosina. Solo nel [[batteriofago]] PBS1 tale base può essere utilizzata all'interno del DNA.<ref name="nature1963-takahashi">{{Cita pubblicazione |autore=Takahashi I, Marmur J. |titolo=Replacement of thymidylic acid by deoxyuridylic acid in the deoxyribonucleic acid of a transducing phage for Bacillus subtilis |rivista=Nature |anno=1963 |pp=794-5 |volume=197 |pmid=13980287 }}</ref> Al contrario, è molto più frequente individuare la timina all'interno di molecole di RNA, a causa della [[metilazione]] [[enzima]]tica di diversi uracili. Questo evento avviene solitamente a carico di RNA con funzione strutturale o enzimatica ([[rRNA]] e [[tRNA]]).<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Agris P |titolo=Decoding the genome: a modified view |
url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=14715921 |rivista=Nucleic Acids Res |volume=32 |numero=1 |pagine=223–38 |anno=2004 |pmid=14715921 }}</ref>

La doppia elica è una spirale destrorsa. Con l'avvitarsi su sé stessi dei due filamenti, restano esposti dei solchi tra i diversi gruppi fosfato. Il ''solco maggiore'' è largo 22 Å, mentre il ''solco minore'' è largo 12 Å.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Wing R, Drew H, Takano T, Broka C, Tanaka S, Itakura K, Dickerson R |titolo=Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA |rivista=Nature |volume=287 |numero=5784 |pp=755-8 |anno=1980 |pmid=7432492 }}</ref> La differente ampiezza dei due solchi si traduce concretamente in una differente accessibilità delle basi, a seconda che si trovino nel solco maggiore o minore. Proteine che legano il DNA, come i fattori di trascrizione, dunque, solitamente prendono contatto con le basi presenti nel solco maggiore.<ref name="ref_A">{{Cita pubblicazione |autore=Pabo C, Sauer R |titolo=Protein-DNA recognition |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_1984_53_annual/page/293 |rivista=Annu Rev Biochem |volume=53 |pp=293-321 |anno=1984 |pmid=6236744 }}</ref><ref>Tra le eccezioni a questa regola, si ricordano le proteine con [[dominio (biochimica)|dominio]] di legame al DNA di tipo [[HMG-box]], quale [[HMGB1]].</ref>

=== Appaiamento delle basi ===
{{Doppia immagine verticale|left|Base pair GC.svg|Base pair AT.svg|280|In alto, un appaiamento '''GC''', caratterizzato da tre [[legame idrogeno|legami idrogeno]]. In basso, un appaiamento '''AT''' con due legami idrogeno.}}

Ogni tipo di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento opposto. Tale evento è noto come ''appaiamento [[complementarità|complementare]]''. Le basi puriniche formano legami idrogeno con le basi pirimidiniche: A può legare solo T e G può legare solo C. L'associazione di due basi viene comunemente chiamata [[paio di basi]] ed è l'unità di misura maggiormente utilizzata per definire la lunghezza di una molecola di DNA. Dal momento che i legami idrogeno non sono [[legame covalente|covalenti]], essi possono esser rotti e riuniti in modo relativamente semplice, poiché questi sono legami ad alta energia. I due filamenti possono essere allontanati tra loro, come avviene per una [[cerniera (meccanica)|cerniera]], sia dalle alte [[temperatura|temperature]] che da un'azione meccanica (come avviene durante la [[replicazione del DNA]]).<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Clausen-Schaumann H, Rief M, Tolksdorf C, Gaub H |titolo=Mechanical stability of single DNA molecules |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=1300792&blobtype=pdf |rivista=Biophys J |volume=78 |numero=4 |pp=1997-2007 |anno=2000 |pmid=10733978 }}</ref> Conseguenza di questa complementarità è che tutte le informazioni contenute nella doppia elica possono essere duplicate a partire da entrambi i filamenti, evento fondamentale per una corretta replicazione del DNA.<ref name=Alberts/>

I due tipi di paia di basi formano un numero differente di legami idrogeno: A e T ne formano due, G e C tre. Per tale motivo, la stabilità del legame GC è decisamente maggiore di quello AT. Di conseguenza, la stabilità complessiva di una molecola di DNA è direttamente correlata alla frequenza di GC presenti nella molecola stessa, nonché alla lunghezza dell'elica: una molecola di DNA è dunque tanto più stabile quanto più contiene GC ed è lunga.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Chalikian T, Völker J, Plum G, Breslauer K |titolo=A more unified picture for the thermodynamics of nucleic acid duplex melting: a characterization by calorimetric and volumetric techniques |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=22151&blobtype=pdf |rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=96 |numero=14 |pp=7853-8 |anno=1999 |pmid=10393911 }}</ref> Un'altra conseguenza di tale evento è il fatto che le regioni di DNA che devono essere separate facilmente contengono un'elevata concentrazione di A e T, come avviene ad esempio per il [[Pribnow box]] dei [[Promotore (biologia)|promotori]] batterici, la cui sequenza è infatti TATAAT.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=deHaseth P, Helmann J |titolo=Open complex formation by Escherichia coli RNA polymerase: the mechanism of polymerase-induced strand separation of double helical DNA |url=https://archive.org/details/sim_molecular-microbiology_1995-06_16_5/page/817 |rivista=Mol Microbiol |volume=16 |numero=5 |pp=817-24 |anno=1995 |pmid=7476180 }}</ref>

In laboratorio, la stabilità dell'interazione tra filamenti è misurata attraverso la temperatura necessaria a rompere tutti i legami idrogeno, chiamata [[Denaturazione del DNA|temperatura di melting]] (o ''T<sub>m</sub>''). Quando tutti i legami idrogeno sono rotti, i singoli filamenti si separano e possono assumere strutture molto variegate.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Isaksson J, Acharya S, Barman J, Cheruku P, Chattopadhyaya J |titolo=Single-stranded adenine-rich DNA and RNA retain structural characteristics of their respective double-stranded conformations and show directional differences in stacking pattern |rivista=Biochemistry |volume=43 |numero=51 |pp=15996-6010 |anno=2004 |pmid=15609994 }}</ref>

La stabilizzazione della doppia elica, in ogni caso, non è dovuta ai soli legami idrogeno, ma anche a [[interazione idrofobica|interazioni idrofobiche]] e di ''[[pi stacking]]''.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Ponnuswamy P, Gromiha M |titolo=On the conformational stability of oligonucleotide duplexes and tRNA molecules |rivista=J Theor Biol |volume=169 |numero=4 |pp=419-32 |anno=1994 |pmid=7526075 }}</ref>

=== Senso e antisenso ===
{{vedi anche|Senso (biologia molecolare)}}
[[File:DNA chemical structure it.svg|upright=1.4|thumb|Struttura chimica del DNA. Le sequenze possono essere definite [[senso (biologia molecolare)|senso e non senso]].]]
Una [[sequenza di DNA]] è definita ''senso'' se la sua sequenza è la stessa del relativo [[mRNA]]. La sequenza posta sul filamento opposto è invece detta ''antisenso''. Dal momento che le [[RNA polimerasi]] lavorano producendo una copia complementare, il filamento necessario per la [[trascrizione (biologia)|trascrizione]] è l'antisenso. Sia nei procarioti che negli eucarioti vengono prodotte numerose molecole di [[RNA antisenso]] a partire dalle sequenze ''senso''. La funzione di questi [[RNA non codificante|RNA non codificanti]] non è stata ancora completamente chiarita.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Hüttenhofer A, Schattner P, Polacek N |titolo=Non-coding RNAs: hope or hype? |url=https://archive.org/details/sim_trends-in-genetics_2005-05_21_5/page/289 |rivista=Trends Genet |volume=21 |numero=5 |pp=289-97 |anno=2005 |pmid=15851066 }}</ref> Si ritiene che gli RNA antisenso possano giocare un ruolo nella regolazione dell'[[espressione genica]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Munroe S |titolo=Diversity of antisense regulation in eukaryotes: multiple mechanisms, emerging patterns |rivista=J Cell Biochem |volume=93 |numero=4 |pp=664-71 |anno=2004 |pmid=15389973 }}</ref>

Esistono alcune sequenze di DNA, sia in procarioti che in eucarioti (ma soprattutto nei [[plasmidi]] e nei [[vira|virus]]) in cui la differenza tra sequenze senso e antisenso è meno chiara, dal momento che le sequenze di alcuni geni si sovrappongono tra loro.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Makalowska I, Lin C, Makalowski W |titolo=Overlapping genes in vertebrate genomes |rivista=Comput Biol Chem |volume=29 |numero=1 |pp=1-12 |anno=2005 |pmid=15680581 }}</ref> In questi casi, dunque, alcune sequenze rivestono un doppio compito: codificare una proteina se lette in direzione 5'{{unicode|→}}3′ su un filamento; codificarne un'altra se lette sull'altro (sempre in direzione 5'{{unicode|→}}3′). Nei batteri, questa sovrapposizione genica è spesso coinvolta nella regolazione della trascrizione,<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Johnson Z, Chisholm S |titolo=Properties of overlapping genes are conserved across microbial genomes |rivista=Genome Res |volume=14 |numero=11 |pp=2268-72 |anno=2004 |pmid=15520290 }}</ref> mentre nei virus il fenomeno è dovuto alla necessità di contenere in un piccolo [[genoma]] un'elevata quantità di informazioni.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Lamb R, Horvath C |titolo=Diversity of coding strategies in influenza viruses |rivista=Trends Genet |volume=7 |numero=8 |pp=261-6 |anno=1991 |pmid=1771674 }}</ref> Un altro modo di ridurre le dimensioni genomiche è quello individuato da altri virus, che contengono molecole di DNA lineare o circolare a singolo filamento.<ref>{{Cita pubblicazione |autore= Davies J, Stanley J |titolo=Geminivirus genes and vectors |rivista=Trends Genet |volume=5 |numero=3 |pp=77-81 |anno=1989 |pmid=2660364 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Berns K |titolo=Parvovirus replication |rivista=Microbiol Rev |volume=54 |numero=3 |pp=316-29 |anno=1990 |pmid=2215424 }}</ref>

=== Superavvolgimento ===
{{vedi anche|Superavvolgimento del DNA}}
Il DNA può essere distorto come avviene per una corda attraverso un processo definito [[superavvolgimento]]. Quando il DNA è in uno stato ''rilassato'', un filamento percorre un giro completo intorno all'asse ogni 10.4 paia di basi. Se invece il DNA è distorto, il numero di basi può aumentare o diminuire.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Benham C, Mielke S |titolo=DNA mechanics |rivista= Annu Rev Biomed Eng |volume=7 |pp=21-53 |anno=2005 |pmid=16004565 }}</ref> Lo stato di superavvolgimento in cui si trova una molecola di DNA è definito [[topologia]]. Se il DNA si avvolge nella direzione dell'elica, si parla di ''superavvolgimento positivo'', con le basi strette tra loro in modo più marcato. In caso contrario, si parla di ''superavvolgimento negativo''. In natura, la maggior parte delle molecole di DNA presentano un lieve superavvolgimento negativo, introdotto da enzimi definiti [[topoisomerasi]].<ref name=Champoux>{{Cita pubblicazione |autore=Champoux J |titolo=DNA topoisomerases: structure, function, and mechanism |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_2001_70/page/369 |rivista=Annu Rev Biochem |volume=70 |pp=369-413 |anno=2001 |pmid=11395412 }}</ref> Questi enzimi sono anche necessari in processi come la trascrizione e la replicazione del DNA, dal momento che sono in grado di risolvere gli stress topologici indotti dai processi stessi.<ref name=Wang>{{Cita pubblicazione |autore=Wang J |titolo=Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective |rivista=Nat Rev Mol Cell Biol |volume=3 |numero=6 |pp=430-40 |anno=2002 |pmid=12042765 }}</ref>

=== Strutture alternative della doppia elica ===
{{vedi anche|conformazioni del DNA}}
[[File:A-DNA, B-DNA and Z-DNA.png|thumb|left|upright=1.3|Le strutture del DNA A, B e Z]]
Il DNA esiste in diversi tipi di [[conformazione|conformazioni]]. Esse sono denominate A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA,<ref name=Hayashi2005>{{Cita pubblicazione |autore=Hayashi G, Hagihara M, Nakatani K |titolo=Application of L-DNA as a molecular tag |rivista=Nucleic Acids Symp Ser (Oxf) |volume=49 |pp=261-262 |anno=2005 |pmid=17150733 }}</ref> E-DNA,<ref name=Vargason2000>{{Cita pubblicazione |autore=Vargason JM, Eichman BF, Ho PS |titolo=The extended and eccentric E-DNA structure induced by cytosine methylation or bromination | rivista=Nature Structural Biology |volume=7 |pp=758-761 |anno=2000 |pmid=10966645 }}</ref> H-DNA,<ref name=Wang2006>{{Cita pubblicazione |autore=Wang G, Vasquez KM |titolo=Non-B DNA structure-induced genetic instability | rivista=Mutat Res |volume=598 |numero=1–2 |pp=103-119 |anno=2006 |pmid=16516932 }}</ref> L-DNA,<ref name=Hayashi2005/> P-DNA<ref name="Allemand1998">{{Cita pubblicazione |autore=Allemand, et al |titolo=Stretched and overwound DNA forms a Pauling-like structure with exposed bases |rivista=PNAS |volume=24 |pp=14152-14157 |anno=1998 |pmid=9826669 }}</ref> e Z-DNA.<ref name=Ghosh/><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Palecek E |titolo=Local supercoil-stabilized DNA structures | rivista=Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology |volume=26 |numero=2 |pp=151-226 |anno=1991 |pmid=1914495 }}</ref> In ogni caso, solo le conformazioni A-DNA, B-DNA e Z-DNA sono state osservate nei sistemi biologici naturali. La conformazione del DNA può dipendere dalla sequenza, dal superavvolgimento, dalla presenza di modificazioni chimiche delle basi o dalle condizioni del solvente, come la concentrazione di [[Ione|ioni]] [[metalli]]ci.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Basu H, Feuerstein B, Zarling D, Shafer R, Marton L |titolo=Recognition of Z-RNA and Z-DNA determinants by polyamines in solution: experimental and theoretical studies | rivista=J Biomol Struct Dyn |volume=6 |numero=2 |pp=299-309 |anno=1988 |pmid=2482766 }}</ref> Di tali conformazioni, la conformazione ''B'' è la più frequente nelle condizioni standard delle cellule.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Leslie AG, Arnott S, Chandrasekaran R, Ratliff RL |titolo=Polymorphism of DNA double helices |rivista=J. Mol. Biol. |volume=143 |numero=1 |pp=49-72 |anno=1980 |pmid=7441761 }}</ref> Le due conformazioni alternative sono differenti dal punto di vista della [[geometria]] e delle dimensioni.

La forma ''A'' è un'ampia spirale destrorsa (il solco minore è largo ma poco profondo, quello maggiore è più stretto e profondo), con un passo di 2,9&nbsp;nm (circa 11[[coppia di basi|bp]]) e un diametro di 2,5&nbsp;nm. Tale conformazione è presente in condizioni non fisiologiche, quando il DNA viene disidratato. In condizioni fisiologiche, questa conformazione caratterizza gli ''eteroduplex'' di DNA e RNA e i complessi formati dalle associazioni DNA-proteina.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Wahl M, Sundaralingam M |titolo=Crystal structures of A-DNA duplexes |url=https://archive.org/details/sim_biopolymers_1997_44_1/page/45 | rivista=Biopolymers |volume=44 |numero=1 |pp=45-63 |anno=1997 |pmid=9097733 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Lu XJ, Shakked Z, Olson WK |titolo=A-form conformational motifs in ligand-bound DNA structures |rivista=J. Mol. Biol. |volume=300 |numero=4 |pp=819-40 |anno=2000 |pmid=10891271 }}</ref>

La conformazione ''Z'' è tipica invece delle sequenze che presentano modificazioni chimiche come la [[metilazione]], e dei tratti di DNA ricchi di basi C e G. Essa assume un andamento sinistrorso, opposto rispetto alla conformazione B.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Rothenburg S, Koch-Nolte F, Haag F |titolo=DNA methylation and Z-DNA formation as mediators of quantitative differences in the expression of alleles | rivista=Immunol Rev |volume=184 |pp=286-98 |pmid=12086319 }}</ref> Ha un passo di 4,6&nbsp;nm e un diametro di 1,8&nbsp;nm, il solco maggiore più superficiale e quello minore più stretto; deve il suo nome all'andamento a zig-zag che la caratterizza. Queste strutture inusuali possono essere riconosciute da specifiche Z-[[DNA-binding protein]]s, con conseguenze notevoli nella regolazione della trascrizione, anche se non ne sono stati trovati esempi in natura.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Oh D, Kim Y, Rich A |titolo=Z-DNA-binding proteins can act as potent effectors of gene expression in vivo |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=12486233 |rivista=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=99 |numero=26 |pp=16666-71 |anno=2002 |pmid=12486233 }}</ref>

=== Strutture alternative alla doppia elica ===
{{vedi anche|G-quadruplex|DNA a tripla elica}}
[[File:Parallel telomere quadruple.png|thumb|upright=1.4|La struttura di un ''quadruplex'' di DNA formato da ripetizioni di [[telomeri]]. La conformazione dello scheletro laterale è ampiamente differente rispetto alla tipica struttura a elica. In verde sono evidenziati ioni potassio che stabilizzano la struttura.<ref>Immagine realizzata da {{cita testo|url=http://ndbserver.rutgers.edu/atlas/xray/structures/U/ud0017/ud0017.html|titolo=NDB UD0017|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20130607063640/http://ndbserver.rutgers.edu/atlas/xray/structures/U/ud0017/ud0017.html }}</ref>]]

Le regioni terminali dei [[cromosoma|cromosomi]] lineari sono sequenze ripetute dette [[telomeri]]. La funzione principale di tali regioni è quella di permettere alla cellula di replicare le estremità dei cromosomi senza che ci sia perdita di informazioni geniche, dal momento che le [[DNA polimerasi]] coinvolte nella replicazione del DNA non sono in grado di replicare le estremità 3' dei cromosomi.<ref name=Greider>{{Cita pubblicazione |autore=Greider C, Blackburn E |titolo=Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts | rivista=Cell |volume=43 |numero=2 Pt 1 |pp=405-13 |anno=1985 |pmid=3907856 }}</ref> Se un cromosoma non avesse telomeri, infatti, diventerebbe un po' più corto a ogni replicazione, con il rischio di perdere sequenze codificanti. Attraverso un particolare tipo di DNA polimerasi (detto [[telomerasi]]), invece, i telomeri mantengono costantemente la loro lunghezza, proteggendo così la parte interna del cromosoma. Nelle cellule umane, i telomeri sono composti da alcune migliaia di ripetizioni di una semplice sequenza costituita da TTAGGG.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Wright W, Tesmer V, Huffman K, Levene S, Shay J |titolo=Normal human chromosomes have long G-rich telomeric overhangs at one end | url=http://www.genesdev.org/cgi/content/full/11/21/2801 | rivista=Genes Dev |volume=11 |numero=21 |pp=2801-9 |anno=1997 |pmid=9353250 }}</ref>

Questa sequenza ricca in guanina può stabilizzare le estremità dei cromosomi formando strutture insolite, composte da unità di quattro basi azotate al posto delle canoniche due. Ciò è dovuto all'interazione tra quattro guanine, che formano una struttura planare che si impila sopra ad altre strutture dello stesso tipo, a ottenere un filamento stabile definito ''[[G-quadruplex]]'' structure.<ref name=Burge>{{Cita pubblicazione |autore=Burge S, Parkinson G, Hazel P, Todd A, Neidle S |titolo=Quadruplex DNA: sequence, topology and structure | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=17012276 | rivista=Nucleic Acids Res |volume=34 |numero=19 |pp=5402-15 |anno=2006 |pmid=17012276 }}</ref> Tali strutture sono stabilizzate dalla formazione di legami idrogeno che si instaurano tra le sommità delle basi e dalla [[chelazione]] con uno ione metallico, situato al centro di ogni unità di quattro basi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Parkinson G, Lee M, Neidle S |titolo=Crystal structure of parallel quadruplexes from human telomeric DNA | rivista=Nature |volume=417 |numero=6891 |pp=876-80 |anno=2002 |pmid=12050675 }}</ref>

Oltre a queste, i telomeri generano anche strutture circolari, chiamate ''telomere-loops'' o ''T-loops''. In questo caso, il singolo filamento di DNA si piega a formare ampie circonferenze, stabilizzate da proteine specifiche che legano i telomeri.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Griffith J, Comeau L, Rosenfield S, Stansel R, Bianchi A, Moss H, de Lange T |titolo=Mammalian telomeres end in a large duplex loop | rivista=Cell |volume=97 |numero=4 |pp=503-14 |anno=1999 |pmid=10338214 }}</ref> Al termine del ''T-loop'', il singolo filamento di DNA prende contatto con un doppio filamento, che si apre e forma una struttura a [[DNA a tripla elica|tripla elica]]. Questa struttura è chiamata ''displacement-loop'' o ''D-loop''.<ref name=Burge/>

== Modificazioni chimiche ==
=== Modificazioni di basi ===
{{vedi anche|metilazione del DNA}}

{{Tripla immagine|left|Cytosin.svg|67|5-Methylcytosine.svg|105|Thymin.svg|107|Struttura della citosina senza (a sinistra) e con (al centro) il gruppo [[metile]] in posizione 5. In seguito a una [[deaminazione]], la 5-metilcitosina (al centro) acquisisce la stessa struttura della timina (a destra).|||Left alt text|Center alt text|Right alt text}}

L'[[espressione genica]] di un determinato [[locus genico|locus]] è influenzata dalla struttura che la [[cromatina]] assume presso il locus stesso. Regioni [[eterocromatina|eterocromatiniche]] (caratterizzate da un'espressione scarsa o assente) sono estesamente [[metilazione|metilate]] sulle [[citosina|citosine]]. La metilazione della citosina, ad esempio, è fondamentale per l'[[Effetto Lyon|inattivazione del cromosoma X]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Klose R, Bird A |titolo=Genomic DNA methylation: the mark and its mediators | rivista=Trends Biochem Sci |volume=31 |numero=2 |pp=89-97 |anno=2006 |pmid=16403636 }}</ref> Il livello medio di metilazione è molto variabile tra i diversi organismi: ''[[Caenorhabditis elegans]]'' non presenta metilazione delle citosine, mentre i [[vertebrata|vertebrati]] mostrano livelli maggiori, con circa l'1% del [[genoma]] contenente 5-metilcitosina.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Bird A |titolo=DNA methylation patterns and epigenetic memory | rivista=Genes Dev |volume=16 |numero=1 |pp=6-21 |anno=2002 |pmid=11782440 }}</ref> La 5-metilcitosina, essendo suscettibile di deaminazione spontanea, è una base presso cui l'incidenza di mutazioni è elevatissima.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Walsh C, Xu G |titolo=Cytosine methylation and DNA repair | rivista=Curr Top Microbiol Immunol |volume=301 |pp=283-315 |pmid=16570853 }}</ref>

Ulteriori modificazioni di basi sono la metilazione dell'adenina (presente nei batteri) e la [[glicosilazione]] dell'uracile che produce le cosiddette ''basi J'' nei [[cinetoplastide|cinetoplastidi]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Ratel D, Ravanat J, Berger F, Wion D |titolo=N6-methyladenine: the other methylated base of DNA | rivista=Bioessays |volume=28 |numero=3 |pp=309-15 |anno=2006 |pmid=16479578 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Gommers-Ampt J, Van Leeuwen F, de Beer A, Vliegenthart J, Dizdaroglu M, Kowalak J, Crain P, Borst P |titolo=beta-D-glucosyl-hydroxymethyluracil: a novel modified base present in the DNA of the parasitic protozoan T. brucei | rivista=Cell |volume=75 |numero=6 |pp=1129-36 |anno=1993 |pmid=8261512 }}</ref>
{{clear}}

=== Danni al DNA ===
{{vedi anche|Mutazione}}
[[File:Benzopyrene DNA adduct 1JDG.png|thumb|Il [[benzopirene]] è il maggiore agente mutageno presente nel fumo di [[tabacco]]. In quest'immagine è riportato un addotto al DNA generato dalla molecola.<ref>Immagine realizzata a partire dalla entry {{cita testo|url=http://www.rcsb.org/pdb/cgi/explore.cgi?pdbId=1JDG|titolo=PDB 1JDG|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080922150848/http://www.rcsb.org/pdb/cgi/explore.cgi?pdbId=1JDG }}</ref>]]
Il DNA può essere alterato dall'azione di numerosi agenti, genericamente definiti [[mutageno|mutageni]]; è fondamentale notare però come una mutazione -ovverosia un cambiamento raro, casuale, che alteri la sequenza di basi azotate- non sia necessariamente un evento pernicioso ma anzi sia alla base dell'evoluzione: suddetta mutazione dovrà però farsi spazio nella fittissima rete cibernetica cellulare nonché nell'ambiente nel quale vive e opera l'organismo vivente in questione; qualora vengano superati questi punti di restrizione (altamente selettivi vista la loro complessità intrinseca, la stragrande maggioranza delle mutazioni difatti si rivela non vantaggiosa od anche neutra), si avrà un organismo arricchito dalla mutazione. Tra gli agenti alteranti figurano ad esempio [[ossidazione|agenti ossidanti]], [[alchilazione|agenti alchilanti]] e anche [[radiazione elettromagnetica|radiazioni]] ad alta energia, come i [[raggi X]] e gli [[Radiazione ultravioletta|UV]].

Il tipo di danno causato al DNA dipende dal tipo di agente: gli UV, ad esempio, danneggiano il DNA generando la formazione di [[dimero di timina|dimeri di timina]], costituiti da ponti aberranti che si instaurano tra basi pirimidiniche adiacenti.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Douki T, Reynaud-Angelin A, Cadet J, Sage E |titolo=Bipyrimidine photoproducts rather than oxidative lesions are the main type of DNA damage involved in the genotoxic effect of solar UVA radiation | rivista=Biochemistry |volume=42 |numero=30 |pp=9221-6 |anno=2003 |pmid=12885257 }}</ref> Agenti ossidanti come i [[radicali liberi]] o il [[perossido di idrogeno]], invece, producono danni di tipo più eterogeneo, come modificazioni di basi (in particolare di guanine) o rotture del DNA a doppio filamento.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Cadet J, Delatour T, Douki T, Gasparutto D, Pouget J, Ravanat J, Sauvaigo S |titolo=Hydroxyl radicals and DNA base damage | rivista=Mutat Res |volume=424 |numero=1–2 |pp=9-21 |anno=1999 |pmid=10064846 }}</ref> Secondo diversi studi, in ogni cellula umana almeno 500 basi al giorno sono sottoposte a danni ossidativi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Shigenaga M, Gimeno C, Ames B |titolo=Urinary 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine as a biological marker of ''in vivo'' oxidative DNA damage | url=http://www.pnas.org/cgi/reprint/86/24/9697 | rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=86 |numero=24 |pp=9697-701 |anno=1989 |pmid=2602371 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Cathcart R, Schwiers E, Saul R, Ames B |titolo=Thymine glycol and thymidine glycol in human and rat urine: a possible assay for oxidative DNA damage | url=http://www.pnas.org/cgi/reprint/81/18/5633.pdf | rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=81 |numero=18 |pp=5633-7 |anno=1984 |pmid=6592579 }}</ref> Di tali lesioni, le più pericolose sono le rotture a doppio filamento, dal momento che tali danni sono i più difficili da riparare e costituiscono l'origine primaria delle [[mutazione puntiforme|mutazioni puntiformi]] e ''[[mutazione frameshift|frameshift]]'' che si accumulano sulle sequenze genomiche, nonché delle [[Traslocazione (cromosoma)|traslocazioni]] cromosomiche.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Valerie K, Povirk L |titolo=Regulation and mechanisms of mammalian double-strand break repair | rivista=Oncogene |volume=22 |numero=37 |pp=5792-812 |anno=2003 |pmid=12947387 }}</ref>

Molti agenti devono il loro potere mutageno alla capacità di [[intercalante|intercalarsi]] tra due basi azotate consecutive. Gli intercalanti sono tipicamente molecole planari e [[aromaticità|aromatiche]], come l'[[bromuro d'etidio|etidio]], la [[daunomicina]], la [[doxorubicina]] o la [[talidomide]]. Perché un intercalante possa trovare posto tra le due basi, occorre che la doppia elica si apra e perda la sua conformazione standard. Tali modifiche strutturali inibiscono sia la trascrizione che la replicazione del DNA e aumentano la possibilità di insorgenza di mutazioni. Per tale motivo, gli intercalanti sono considerati molecole [[Cancro (malattia)|cancerogene]], come dimostrato da numerosi studi su molecole come il [[benzopirene]], l'[[acridina]], l'[[aflatossina]] e il [[bromuro di etidio]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Ferguson L, Denny W |titolo=The genetic toxicology of acridines | rivista=Mutat Res |volume=258 |numero=2 |pp=123-60 |anno=1991 |pmid=1881402 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Jeffrey A |titolo=DNA modification by chemical carcinogens |url=https://archive.org/details/sim_pharmacology-therapeutics_1985_28_2/page/237 | rivista=Pharmacol Ther |volume=28 |numero=2 |pp=237-72 |anno=1985 |pmid=3936066 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Stephens T, Bunde C, Fillmore B |titolo=Mechanism of action in thalidomide teratogenesis |rivista=Biochem Pharmacol |volume=59 |numero=12 |pp=1489-99 |anno=2000 |pmid=10799645 }}</ref> In ogni caso, proprio grazie alla loro capacità di inibire trascrizione e replicazione, tali molecole sono anche utilizzate in [[chemioterapia]] per inibire la rapida crescita delle cellule neoplastiche.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Braña M, Cacho M, Gradillas A, de Pascual-Teresa B, Ramos A |titolo=Intercalators as anticancer drugs | rivista=Curr Pharm Des |volume=7 |numero=17 |pp=1745-80 |anno=2001 |pmid=11562309 }}</ref>

== Localizzazione del DNA ==
Negli [[eucarioti]], il DNA è solitamente presente all'interno di [[cromosomi]] lineari (circolari nei [[procarioti]]). La somma di tutti i cromosomi di una cellula ne costituisce il [[genoma]]; il [[genoma umano]] conta circa 3 miliardi di [[paia di basi]] contenute in 46 cromosomi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Venter J, ''et al.'' |titolo=The sequence of the human genome | rivista=Science |volume=291 |numero=5507 |pp=1304-51 |anno=2001 |pmid=11181995 }}</ref>

La disposizione finale a cromosomi segue precise regole gerarchiche di ''impacchettamento''. Nelle cellule, infatti, il doppio filamento di DNA non può essere disposto ''a casaccio'', ma deve seguire precise regole di ordinamento. Tali accorgimenti si rivelano necessari perché la lunghezza dei filamenti di DNA è solitamente molto elevata e creerebbe seri problemi alla cellula ospite. Ad esempio, il cromosoma di [[Escherichia coli]], il procariote più studiato nella storia della biomedicina, misura circa 1&nbsp;mm. In una cellula lunga solo 2&nbsp;µm, come quella di E.coli, la disposizione casuale di un cromosoma del genere potrebbe generare problemi. Se una molecola di questa lunghezza si disponesse casualmente, infatti, ci sarebbe bisogno di una cellula grande almeno {{M|1000}} volte tanto. Le modalità di ''impacchettamento'' sono differenti tra gli organismi [[procarioti]] e quelli [[eucarioti]].

=== Procarioti ===
{{Vedi anche|Procarioti}}
[[File:Prokaryote DNA-it.svg|thumb|upright=1.75|left|DNA in una cellula procariote.]]
Nella maggior parte delle cellule batteriche il DNA è disposto su un unico cromosoma circolare (e presenta, come molti altri batteri, un'unica [[origine di replicazione]]), come previsto da numerosi esperimenti di linkage e infine evidenziato in cellule cresciute con [[timina]] marcata con [[tritio]].

I meccanismi messi in atto dalla cellula procariote per ridurre lo spazio necessario consistono anzitutto nel ''[[mascheramento]]'' delle cariche negative presenti sul DNA attraverso la sua associazione con [[poliammine]] cariche positivamente, come la [[spermina]] e la [[spermidina]]. Oltre a queste, il DNA procariote prende contatto anche con numerose piccole proteine, che compattano la struttura complessiva del DNA. Tra di esse, figura [[H-NS]], un dimero con funzioni molto simili agli istoni eucariotici. In ogni cellula di E.coli esistono in media {{M|20000}} molecole di H-NS, che si dispongono lungo il DNA a distanza di circa 400bp.

Il DNA di E.coli è inoltre molto [[superavvolgimento|superavvolto]]. Tale fenomeno contribuisce ulteriormente al compattamento del DNA, permettendo a esso di disporsi comodamente all'interno della cellula.

=== Eucarioti ===
{{Vedi anche|Eucarioti}}
[[File:Eukaryote DNA.svg|thumb|upright=1.75|DNA in una cellula eucariote.]]

Negli eucarioti l'impacchettamento è ottenuto attraverso diversi accorgimenti. Il DNA è associato a un gran numero di proteine: l'associazione complessiva DNA-proteine è definita [[cromatina]], la cui struttura è ampiamente conservata tra tutti gli organismi eucarioti.

Le proteine cromatiniche più abbondanti sono gli [[istoni]], una famiglia di polipeptidi [[base (chimica)|basici]] presenti nel nucleo. Le principali proteine istoniche sono [[Istone H1|H1]], [[Istone H2a|H2A]], [[Istone H2b|H2B]], [[Istone|H3]] e H4. La basicità degli istoni è dovuta alla grande quantità di amminoacidi carichi positivamente ([[lisina]] e [[arginina]]), in grado di instaurare interazioni elettrostatiche con i gruppi fosfato del DNA. Le proteine istoniche sono anche pesantemente modificate, proprio sui residui carichi, da [[modificazioni post-traduzionali]], tra cui l'aggiunta di [[acetile|acetili]], di [[fosfato|fosfati]] e di [[metile|metili]], che neutralizzano la carica positiva o la rendono negativa.

Le sequenze amminoacidiche di quattro dei cinque istoni (H2A, H2B, H3 e H4) sono altamente conservate, anche tra specie molto diverse. La sequenza di H1 presenta invece maggiori variazioni lungo l'evoluzione: in alcuni organismi, H1 non è nemmeno presente in tutti i tessuti (ad esempio negli [[eritrociti]] degli [[uccelli]] H1 è sostituita da un sesto istone, chiamato H5). La presenza di differenti H1, in ogni caso, non modifica sostanzialmente la struttura complessiva dell'apparato istonico (definito [[nucleosoma]]), che resta ampiamente conservato nell'architettura nella quasi totalità degli eucarioti.

== Funzioni biologiche ==
Nel genoma, l'informazione è conservata in sequenze di DNA chiamate [[gene|geni]]. La trasmissione dell'informazione contenuta nei geni è garantita dalla presenza di sequenze di basi azotate complementari. Infatti, durante la [[trascrizione (biologia)|trascrizione]], l'informazione può essere facilmente copiata in un filamento complementare di RNA. Solitamente, tale copia di RNA è utilizzata per sintetizzare una proteina, attraverso un processo definito [[sintesi proteica|traduzione]] (o sintesi proteica). In alternativa, una cellula può semplicemente duplicare l'informazione genetica attraverso un processo definito [[replicazione del DNA]].

=== Struttura del genoma ===
{{vedi anche|nucleo cellulare|cromatina|cromosoma|gene|DNA non codificante}}
Negli organismi eucarioti, il DNA genomico è localizzato all'interno del nucleo cellulare, nonché in piccole quantità all'interno di [[mitocondri]] e [[cloroplasti]]. Nei procarioti, il DNA è invece racchiuso in un organello irregolare, privo di membrana, contenuto nel citoplasma, chiamato [[nucleoide]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Thanbichler M, Wang S, Shapiro L |titolo=The bacterial nucleoid: a highly organized and dynamic structure | rivista=J Cell Biochem |volume=96 |numero=3 |pp=506-21 |anno=2005 |pmid=15988757 }}</ref> L'informazione è contenuta all'interno dei geni, unità [[ereditarietà|ereditarie]] in grado di influire sul [[fenotipo]] dell'organismo. Ogni gene contiene un ''[[open reading frame]]'' (regione in grado di essere trascritta a RNA) e una regione regolatoria, costituita sia da un [[Promotore (biologia)|promotore]] che da ''[[enhancer]]s''.

In molte [[specie]], solo una piccola frazione della sequenza totale di un genoma può essere trascritta e tradotta. Ad esempio, solo l'1,5% del genoma umano è costituito da [[esone|esoni]] codificanti una proteina, mentre più del 50% consiste di [[sequenze ripetute]] di [[DNA non codificante]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Wolfsberg T, McEntyre J, Schuler G |titolo=Guide to the draft human genome | rivista=Nature |volume=409 |numero=6822 |pp=824-6 |anno=2001 |pmid=11236998 }}</ref> La ragione per cui ci sia una tale quantità di DNA non codificante non è tuttora completamente chiara ed è stata definita come ''[[enigma del C-value]]''.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Gregory T |titolo=The C-value enigma in plants and animals: a review of parallels and an appeal for partnership | url=https://aob.oxfordjournals.org/cgi/content/full/95/1/133 | rivista=Ann Bot (Lond) |volume=95 |numero=1 |pp=133-46 |anno=2005 |pmid=15596463 }}</ref> In ogni caso, le sequenze di DNA che non codificano una proteina possono essere trascritte in [[RNA non codificante]], coinvolto nella regolazione dell'[[espressione genica]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=The ENCODE Project Consortium |titolo=Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project |rivista=Nature |volume=447 |numero=7146 |pp=799-816 |anno=2007 |doi=10.1038/nature05874 |issn = 0028-0836}}</ref>
[[File:T7 RNA polymerase at work.png|thumb|left|upright=1.4|Una [[T7 RNA polimerasi]] (blu) mentre produce una molecola di mRNA (verde) a partire da uno stampo di DNA (arancione).<ref>Realizzata a partire dall'entry [[Protein Data Bank|PDB]] {{cita testo|url=http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1MSW|titolo=1MSW}}</ref>]]
Alcune sequenze non codificanti ricoprono un ruolo strutturale per i cromosomi. Le regioni [[telomero|telomeriche]] e [[centromero|centromeriche]] contengono solitamente pochissimi geni, ma sono necessarie per la funzione e la stabilità dei cromosomi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Pidoux A, Allshire R |titolo=The role of heterochromatin in centromere function | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1569473 | rivista=Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci |volume=360 |numero=1455 |pp=569-79 |anno=2005 |pmid=15905142 }}</ref> Nell'uomo, grandi quantità di DNA non codificante si ritrovano negli [[pseudogene|pseudogeni]], copie di geni rese inattive dalla presenza di una mutazione.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Harrison P, Hegyi H, Balasubramanian S, Luscombe N, Bertone P, Echols N, Johnson T, Gerstein M |titolo=Molecular fossils in the human genome: identification and analysis of the pseudogenes in chromosomes 21 and 22 | url=http://www.genome.org/cgi/content/full/12/2/272 | rivista=Genome Res |volume=12 |numero=2 |pp=272-80 |anno=2002 |pmid=11827946 }}</ref> Queste sequenze sono considerate come [[fossili]] molecolari, anche se esistono evidenze secondo le quali si può ipotizzare che siano una sorta di ''materiale grezzo'' necessario per la creazione di nuovi geni attraverso i processi di [[duplicazione genica]] e di [[evoluzione divergente]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Harrison P, Gerstein M |titolo=Studying genomes through the aeons: protein families, pseudogenes and proteome evolution | rivista=J Mol Biol |volume=318 |numero=5 |pp=1155-74 |anno=2002 |pmid=12083509 }}</ref>

=== Trascrizione e traduzione ===
{{vedi anche|codice genetico|trascrizione (biologia)|sintesi proteica}}
Un gene è una sequenza di DNA che contiene le informazioni in grado di influire sulle caratteristiche del [[fenotipo]] dell'organismo. All'interno di un gene, la sequenza di basi di DNA è utilizzata come stampo per la sintesi di una molecola di RNA che, nella maggior parte dei casi, è tradotta in una molecola peptidica.

Il meccanismo attraverso il quale la sequenza nucleotidica di un gene è copiata in un filamento di RNA è detto [[trascrizione (biologia)|trascrizione]] e avviene per mezzo dell'enzima [[RNA polimerasi]]. Il filamento di RNA può andare incontro a destini differenti: alcune molecole di RNA hanno funzioni di tipo strutturale (come quelle che si trovano all'interno del [[ribosoma]]) o catalitica (molecole note come [[ribozimi]]); la funzione più nota è tuttavia quella della [[sintesi proteica|traduzione in proteine]] tramite la produzione [[mRNA]]. Il processo di traduzione avviene nel citoplasma, dove gli mRNA si associano ai ribosomi, ed è mediato dal [[codice genetico]]. Il ribosoma permette la lettura sequenziale dei codoni del mRNA, favorendone il riconoscimento e l'interazione con specifici [[tRNA]], molecole che trasportano gli amminoacidi corrispondenti a ogni singolo codone.

==== Il codice genetico ====

Il [[codice genetico]] consiste di ''parole'' di tre lettere chiamate ''[[codone|codoni]]'', costituite dalla sequenza di tre nucleotidi (ad esempio ACU, CAG, UUU), presenti sull'[[RNA messaggero|mRNA]], ognuna delle quali è associata a un particolare amminoacido. Ad esempio la timina ripetuta in una serie di tre (UUU) codifica la [[fenilalanina]]. Utilizzando gruppi di tre lettere si possono avere fino a 64 combinazioni diverse (<math>4^3</math>), in grado di codificare i venti diversi amminoacidi esistenti. Poiché esistono 64 triplette possibili e solo 20 amminoacidi, il [[codice genetico]] è detto ''ridondante'' (o ''degenere''): alcuni amminoacidi possono infatti essere codificati da più triplette diverse. Non è invece vero il contrario: a ogni tripletta corrisponderà un solo amminoacido (senza possibilità di ambiguità). Esistono infine tre triplette che non codificano alcun amminoacido, ma rappresentano codoni di ''stop'' (o ''nonsense''), ovvero indicano il punto in cui, all'interno del gene, termina la sequenza che codifica la proteina corrispondente: si tratta dei codoni UAA, UGA e UAG.

=== Replicazione ===
{{vedi anche|Replicazione del DNA}}
[[File:DNA replication it.svg|thumb|upright=2|La replicazione del DNA: la doppia elica è aperta dalle [[elicasi]] e dalle [[topoisomerasi]]; in seguito, una [[DNA polimerasi]] genera un filamento complementare sul [[filamento leading|filamento veloce]]; un'altra DNA polimerasi lega invece il [[filamento lagging|filamento lento]], generando segmenti discontinui (detti [[frammento di Okazaki|frammenti di Okazaki]]) che verranno uniti da una [[DNA ligasi]].]]

La divisione cellulare, necessaria a un organismo per crescere e vivere, richiede una duplicazione del DNA cellulare, in modo che le cellule figlie possano avere la stessa informazione genetica della cellula madre. La struttura a doppia elica del DNA permette un meccanismo estremamente semplice per la replicazione del DNA. I due filamenti, infatti, sono separati e da ognuno viene creato un filamento complementare, a opera di un enzima chiamato [[DNA polimerasi]]. Con questo meccanismo, le basi presenti sul filamento figlio sono determinate da quelle presenti sul filamento parentale: è proprio attraverso questo meccanismo che le cellule figlie presentano genoma identico alla cellula madre (salvo errori avvenuti durante il processo, che portano alla comparsa di mutazioni). Tale tipo di replicazione, che porta a doppie eliche costituite da un filamento preesistente e uno neoformato è detta ''semiconservativa''.

Per iniziare la replicazione, occorre anzitutto l'apertura della [[forca replicativa]], attraverso la parziale denaturazione del DNA a doppia elica, portata a termine dalle elicasi e dalle ''[[single-strand-binding protein]]s'' (SSBPs): le ''[[elicasi]]'' sono enzimi che separano attivamente i due filamenti usando l'energia dell'[[Adenosina trifosfato|ATP]]; le SSBPs sono in grado di mantenere la denaturazione del DNA legandosi esclusivamente alle porzioni a singolo filamento e stabilizzandole. Nelle molecole di DNA circolari dei [[procarioti]] si ha una sola regione di ''[[origine di replicazione|origine della replicazione]]'' dalla quale partono due forche replicative (la struttura prende il nome di ''[[bolla di replicazione]]''). Quando le due forche si incontrano dal lato opposto la replicazione è completata. Negli [[eucarioti]] la replicazione di ogni cromosoma inizia invece in più punti.

Le ''DNA polimerasi'', enzimi capaci di costruire una nuova catena solo in direzione 5'-3', sono stati individuati per la prima volta da [[Arthur Kornberg]], il quale, grazie a un suo famoso esperimento,<ref>{{cita testo|url=http://50annidna.scienze.unipd.it/DFTB/20/animation/index.html|titolo=Animazione esplicativa dell'esperimento di Kornberg}} del [[1958]])</ref> identificò la DNA polimerasi I in ''[[Escherichia coli]]''. La reazione della DNA polimerasi è ''diretta dallo stampo'', perché produce un nuovo filamento di DNA esattamente complementare a uno preesistente che funge, appunto, da stampo. La DNA polimerasi non è in grado di iniziare la sintesi di un filamento ''ex novo'', mentre può allungare un filamento polinucleotidico preesistente. In una cellula in replicazione, dunque, è indispensabile la presenza di un filamento preesistente (detto ''[[primer]]''), che consiste solitamente in un breve segmento di RNA complementare allo stampo, sintetizzato da enzimi specifici detti [[primasi]].

Dal momento che le DNA polimerasi sono in grado di svolgere la loro attività solo in direzione 5'-3', esse hanno messo a punto diversi meccanismi per copiare i due filamenti della doppia elica.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Albà M |titolo=Replicative DNA polymerases | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=11178285 | rivista=Genome Biol |volume=2 |numero=1 |pp=REVIEWS3002 |anno=2001 |pmid=11178285 }}</ref> Un filamento (chiamato ''filamento guida'') può essere replicato in modo quasi continuo, man mano che viene esposto, l'altro (''filamento lento'') risulta invece disseminato da brevi filamenti di DNA di nuova sintesi (i ''[[frammento di Okazaki|frammenti di Okazaki]]''), ognuno dei quali presenta un innesco iniziale di RNA. I nuovi filamenti devono essere quindi completati mediante la rimozione degli inneschi da parte di [[endonucleasi]] e il riempimento degli spazi rimasti a opera di polimerasi di [[Riparazione del DNA|riparazione]]. Successivamente tutti questi frammenti di DNA di nuova sintesi del ''filamento lento'' vengono legati dalle [[DNA ligasi]].

== Interazioni con proteine ==
Tutte le funzioni del DNA dipendono dalle sue interazioni con specifiche proteine. Tali interazioni possono sia essere aspecifiche, sia prevedere un legame estremamente specifico della proteina a una singola sequenza di DNA. Sono numerosi anche gli enzimi che possono legare il DNA e, tra questi, sono particolarmente importanti le polimerasi che copiano le sequenze nella trascrizione e nella replicazione del DNA.
=== Proteine che legano il DNA ===
{{vedi anche|DNA-binding protein}}
<div class="thumb tleft" style="background-color: #f9f9f9; border: 1px solid #CCCCCC; margin:0.5em;">
{| width="260" style="font-size: 85%; border: 1px solid #CCCCCC; margin: 0.3em;" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"
|[[File:Nucleosome 2.jpg|260px]]
|-
|
|}
<div style="border: none; width:260px;"><div class="thumbcaption">Interazione del DNA con gli [[istoni]] (in bianco). Gli amminoacidi basici di queste proteine (in blu) legano in modo non [[covalente]] i gruppi fosfato del DNA, acid (in rosso).</div></div></div>
Le proteine strutturali che legano il DNA sono esempi delle interazioni aspecifiche tra DNA e proteine. All'interno dei cromosomi, il DNA è associato a complessi di natura proteica, che si organizzano tra loro a formare una struttura compatta chiamata [[cromatina]]. Negli eucarioti, questa struttura presuppone il legame del DNA a piccoli complessi proteici basici chiamati [[istoni]]; nei procarioti, invece, sono coinvolti diversi tipi di differenti proteine.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Sandman K, Pereira S, Reeve J |titolo=Diversity of prokaryotic chromosomal proteins and the origin of the nucleosome |url=https://archive.org/details/sim_cellular-and-molecular-life-sciences_1998-12_54_12/page/1350 | rivista=Cell Mol Life Sci |volume=54 |numero=12 |pp=1350-64 |anno=1998 |pmid=9893710 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Dame RT |titolo=The role of nucleoid-associated proteins in the organization and compaction of bacterial chromatin |rivista=Mol. Microbiol. |volume=56 |numero=4 |pp=858-70 |anno=2005 |pmid=15853876 }}</ref> Gli istoni formano un complesso a forma di disco chiamato [[nucleosoma]], che instaura interazioni di tipo ionico (tra i residui basici degli istoni e lo scheletro fosforico acido del DNA) con circa duecento paia di basi di DNA, che si avvolgono intorno al disco formando due giri completi, indipendentemente dalla sequenza che li caratterizza.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Luger K, Mäder A, Richmond R, Sargent D, Richmond T |titolo=Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution | rivista=Nature |volume=389 |numero=6648 |pp=251-60 |anno=1997 |pmid=9305837 }}</ref> Questi residui basici possono subire [[metilazione|metilazioni]], [[fosforilazione|fosforilazioni]] e [[acetilazione|acetilazioni]]:<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Jenuwein T, Allis C |titolo=Translating the histone code | rivista=Science |volume=293 |numero=5532 |pp=1074-80 |anno=2001 |pmid=11498575 }}</ref> tali modificazioni chimiche alterano l'interazione tra gli istoni e il DNA, rendendolo così più o meno accessibile ai [[fattore di trascrizione|fattori di trascrizione]] e modulando la velocità della trascrizione stessa.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Ito T |titolo=Nucleosome assembly and remodelling | rivista=Curr Top Microbiol Immunol |volume=274 |pp=1-22 |pmid=12596902 }}</ref>

Altre ''DNA-binding proteins'' (DNAbp) di tipo aspecifico, anch'esse presenti nella [[cromatina]], sono le ''[[high-mobility group protein]]s'', che legano preferenzialmente il DNA ripiegato o distorto.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Thomas J |titolo=HMG1 and 2: architectural DNA-binding proteins | rivista=Biochem Soc Trans |volume=29 |numero=Pt 4 |pp=395-401 |anno=2001 |pmid=11497996 }}</ref> Queste proteine hanno un ruolo fondamentale nel ripiegamento delle file di nucleosomi e nel loro impacchettamento all'interno di strutture cromatiniche più complesse.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Grosschedl R, Giese K, Pagel J |titolo=HMG domain proteins: architectural elements in the assembly of nucleoprotein structures |url=https://archive.org/details/sim_trends-in-genetics_1994-03_10_3/page/94 | rivista=Trends Genet |volume=10 |numero=3 |pp=94-100 |anno=1994 |pmid=8178371 }}</ref>

Un ulteriore gruppo di DNAbp sono le ''[[single-strand-binding protein]]s'' (SSBP), che si legano esclusivamente a una molecola di DNA a singolo filamento. Nell'uomo, la RPA (''[[replication protein A]]'') è il membro meglio caratterizzato di questa famiglia ed è essenziale per la maggior parte dei processi che richiedono una separazione della doppia elica, tra cui la replicazione del DNA, la sua ricombinazione e la sua [[riparazione del DNA|riparazione]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Iftode C, Daniely Y, Borowiec J |titolo=Replication protein A (RPA): the eukaryotic SSB | rivista=Crit Rev Biochem Mol Biol |volume=34 |numero=3 |pp=141-80 |anno=1999 |pmid=10473346 }}</ref> Queste DNAbp sono in grado di stabilizzare la forma a singolo filamento, impedendo che la molecola si ripieghi a formare [[stem loop]]s o venga degradata dall'azione delle [[nucleasi]].

[[File:Lambda repressor 1LMB.png|thumb|upright=0.8|Il repressore lambda, con la sua caratteristica struttura [[elica-giro-elica]], legato al proprio DNA bersaglio<ref>Realizzato a partire dalla entry {{cita testo|url=http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1LMB|titolo=PDB 1LMB}}</ref>]]
A differenza di quelle finora presentate, esistono anche numerose proteine che legano specificamente determinate sequenze di DNA. Quelle maggiormente studiate sono i [[fattori di trascrizione]] (TF), proteine in grado di regolare la trascrizione. Ognuna di esse si lega a una o più sequenze specifiche, poste solitamente nei pressi del [[Promotore (biologia)|promotore]] di un gene, attivando o inibendo la trascrizione del gene stesso. Tale processo viene svolto attraverso due tipi di meccanismo: anzitutto, i TF sono in grado di legare, direttamente o attraverso proteine adattatrici, la RNA polimerasi responsabile della trascrizione, localizzandola presso il sito di inizio della trascrizione e favorendone dunque l'avvio;<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Myers L, Kornberg R |titolo=Mediator of transcriptional regulation |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_2000_69/page/729 | rivista=Annu Rev Biochem |volume=69 |pp=729-49 |anno=2000 |pmid=10966474 }}</ref> un'altra modalità consiste nel legame tra i TF ed enzimi in grado di modulare metilazioni e acetilazioni degli istoni presenti presso il promotore, modificando dunque l'accessibilità di quella regione alla polimerasi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Spiegelman B, Heinrich R |titolo=Biological control through regulated transcriptional coactivators | rivista=Cell |volume=119 |numero=2 |pp=157-67 |anno=2004 |pmid=15479634 }}</ref>

Dal momento che un TF può avere numerose sequenze bersaglio, cambiamenti di attività di un TF possono avere effetti sull'espressione di migliaia di geni.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Li Z, Van Calcar S, Qu C, Cavenee W, Zhang M, Ren B |titolo=A global transcriptional regulatory role for c-Myc in Burkitt's lymphoma cells | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=12808131 | rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=100 |numero=14 |pp=8164-9 |anno=2003 |pmid=12808131 }}</ref> Di conseguenza, queste proteine sono spesso i bersagli finali delle cascate di [[trasduzione del segnale]], che mediano le risposte cellulari agli stimoli interni ed esterni alla cellula. La specificità dei TF per il DNA è legato ai contatti multipli che si instaurano tra la proteina e il solco maggiore, dove le basi azotate sono maggiormente accessibili.<ref name="ref_A" />

=== Enzimi che modificano il DNA ===
==== Nucleasi e ligasi ====

[[File:EcoRV 1RVA.png|thumb|left|upright=1.2|L'[[enzima di restrizione]] [[EcoRV]] (verde) in complesso con il suo DNA substrato<ref>Immagine realizzata a partire dalla entry PDB {{cita testo|url=http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1RVA|titolo=1RVA}}</ref>]]

Le [[nucleasi]] sono [[enzimi]] in grado di tagliare filamenti di DNA, dal momento che catalizzano l'[[idrolisi]] del [[legame fosfodiesterico]]. Le nucleasi che idrolizzano il DNA partendo dai nucleotidi situati alle estremità dei filamenti sono definite [[esonucleasi]]. Sono [[endonucleasi]], invece, quelle che tagliano direttamente all'interno del filamento. Le nucleasi più utilizzate in [[biologia molecolare]], dette [[enzimi di restrizione]], tagliano il DNA in corrispondenza di specifiche sequenze. L'enzima [[EcoRV]], ad esempio, riconosce la sequenza di sei basi 5′-GAT|ATC-3′ ed effettua il taglio presso la linea verticale. In natura, questo enzima protegge i [[batteri]] dalle infezioni [[Batteriofago|fagiche]], digerendo il DNA del fago quando esso fa il suo ingresso nella cellula batterica.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Bickle T, Krüger D |titolo=Biology of DNA restriction | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=372918&blobtype=pdf | rivista=Microbiol Rev |volume=57 |numero=2 |pp=434-50 |anno=1993 |pmid=8336674 }}</ref>
Generalmente, le nucleasi di restrizione riconoscono particolari sequenze nucleotidiche [[palindrome|palindromiche]], note come [[sito di restrizione|siti di restrizione]], nelle quali la stessa sequenza si ripete in direzioni opposte sulle due eliche complementari, e quindi producono dei tagli su entrambi i filamenti. Tali enzimi sono utilizzati ampiamente nelle tecniche che prevedono il [[subclonaggio]] di DNA all'interno di [[Vettore (biotecnologie)|vettori]]. Si crede che le sequenze palindromiche possano essere, oltre a sti di restrizione, anche segnali di riconoscimento per alcune proteine di regolazione oppure segnalare il sito di avvio della replicazione del DNA.

Le [[DNA ligasi]] sono enzimi in grado di riunire filamenti di DNA precedentemente tagliati o spezzati, utilizzando energia chimica proveniente da [[adenosintrifosfato|ATP]] o da [[nicotinammideadenindinucleotide|NAD]].<ref name=Doherty>{{Cita pubblicazione |autore=Doherty A, Suh S |titolo=Structural and mechanistic conservation in DNA ligases. | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=11058099 | rivista=Nucleic Acids Res |volume=28 |numero=21 |pp=4051-8 |anno=2000 |pmid=11058099 }}</ref> Le ligasi sono particolarmente importanti nella replicazione del [[filamento lento]], dal momento che esse riuniscono i [[frammenti di Okazaki]] in un filamento unico. Esse rivestono un ruolo importante anche nella [[riparazione del DNA]] e nella [[ricombinazione genetica]].<ref name=Doherty/>

==== Topoisomerasi ed elicasi ====
Le [[topoisomerasi]] sono enzimi che presentano sia un'attività [[nucleasi]]ca che una [[ligasi]]ca. Queste proteine sono in grado di modificare le proprietà [[superavvolgimento|topologiche]] del DNA. Alcune di esse svolgono tale funzione tagliando l'elica di DNA e permettendole di ruotare, riducendo il suo grado di superavvolgimento, per poi procedere alla ligazione delle due estremità.<ref name=Champoux/> Altre topoisomerasi sono invece in grado di tagliare l'elica e far passare attraverso il sito di rottura una seconda elica, prima di ligare il filamento spezzato.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Schoeffler A, Berger J |titolo=Recent advances in understanding structure-function relationships in the type II topoisomerase mechanism | rivista=Biochem Soc Trans |volume=33 |numero=Pt 6 |pp=1465-70 |anno=2005 |pmid=16246147 }}</ref> Le topoisomerasi sono necessarie per molti processi che coinvolgono il DNA, come ad esempio la replicazione del DNA e la trascrizione.<ref name=Wang/>

Le [[elicasi]] sono proteine in grado di utilizzare l'[[energia chimica]] presente nei [[nucleoside trifosfato|nucleosidi trifosfato]], soprattutto [[adenosintrifosfato|ATP]], per rompere i legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate, permettendo l'apertura della doppia elica di DNA in singoli filamenti.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Tuteja N, Tuteja R |titolo=Unraveling DNA helicases. Motif, structure, mechanism and function |doi=10.1111/j.1432-1033.2004.04094.x |rivista=Eur J Biochem |volume=271 |numero=10 |pp=1849-63 |anno=2004 |pmid=15128295 |urlmorto=sì }}</ref> Questi enzimi sono essenziali per la maggior parte dei processi biologici che coinvolgono enzimi che richiedono un diretto contatto con le basi del DNA.

==== Polimerasi ====
Le [[polimerasi]] sono enzimi che sintetizzano catene polinucleotidiche a partire dal [[nucleoside trifosfato|nucleosidi trifosfato]]. Esse funzionano aggiungendo nucleotidi al 3′-[[ossidrile|OH]] del precedente nucleotide presente sul filamento. Come conseguenza di ciò, tutte le polimerasi lavorano in direzione [[5′]]-[[3′]].<ref name=Joyce1>{{Cita pubblicazione |autore=Joyce C, Steitz T |titolo=Polymerase structures and function: variations on a theme? | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=177480&blobtype=pdf | rivista=J Bacteriol |volume=177 |numero=22 |pp=6321-9 |anno=1995 |pmid=7592405 }}</ref> Nel sito attivo di questi enzimi, il nucleoside trifosfato si appaia a un nucleotide presente su un filamento usato come stampo: ciò permette alle polimerasi di sintetizzare in modo accurato filamenti fedelmente complementari agli stampi. Le polimerasi sono classificate sulla base del tipo di stampo che utilizzano.

La [[replicazione del DNA]] richiede una [[DNA polimerasi (DNA-dipendente)|DNA polimerasi DNA-dipendente]], in grado cioè di realizzare una perfetta copia di una sequenza di DNA. L'accuratezza è fondamentale in questo processo, motivo per cui molte di queste polimerasi presentano anche un'attività di ''[[proofreading]]'' (dall'[[lingua inglese|inglese]], ''correzione di bozze''). Esse sono infatti in grado di rilevare un errore di appaiamento (o ''mismatch'') tra basi azotate e attivare un'azione 3' o 5' esonucleasica per rimuovere la base scorretta.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Hubscher U, Maga G, Spadari S |titolo=Eukaryotic DNA polymerases |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_2002_71/page/133 | rivista=Annu Rev Biochem |volume=71 |pp=133-63 |anno=2002 |pmid=12045093 }}</ref> Nella maggior parte degli organismi, le DNA polimerasi funzionano all'interno di un più ampio complesso proteico definito [[replisoma]], che consiste anche di numerose subunità accessorie come ad esempio le [[elicasi]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Johnson A, O'Donnell M |titolo=Cellular DNA replicases: components and dynamics at the replication fork |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_2005_74/page/283 | rivista=Annu Rev Biochem |volume=74 |pp=283-315 |anno=2005 |pmid=15952889 }}</ref>

Le [[DNA polimerasi (RNA-dipendente)|DNA polimerasi RNA-dipendenti]] sono una classe di polimerasi specializzate nella sintesi di una copia di DNA, usando come stampo un frammento di RNA. Tra di esse figurano la [[trascrittasi inversa]], un enzima virale coinvolto nell'infezione dei [[retrovirus]], e la [[telomerasi]], necessaria per la replicazione dei [[telomeri]].<ref name=Greider/><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Tarrago-Litvak L, Andréola M, Nevinsky G, Sarih-Cottin L, Litvak S |titolo=The reverse transcriptase of HIV-1: from enzymology to therapeutic intervention | url=http://www.fasebj.org/cgi/reprint/8/8/497 | rivista=FASEB J |volume=8 |numero=8 |pp=497-503 |anno=1994 |pmid=7514143 }}</ref> La telomerasi è una polimerasi inusuale, dal momento che contiene una sequenza stampo di RNA all'interno della propria struttura.

La trascrizione è invece svolta da [[RNA polimerasi (DNA-dipendente)|RNA polimerasi DNA-dipendenti]], che legano il DNA presso il [[Promotore (biologia)|promotore]] di un gene e separano i due filamenti. Successivamente, l'enzima genera una molecola di [[mRNA]] fino al raggiungimento del [[terminatore (biologia)|terminatore]], dove si interrompe la trascrizione e l'enzima si distacca dal DNA. Come avviene per le DNA polimerasi DNA-dipendenti, anche queste polimerasi operano all'interno di un ampio complesso proteico, composto di molecole accessorie e regolatorie.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Martinez E |titolo=Multi-protein complexes in eukaryotic gene transcription |url=https://archive.org/details/sim_plant-molecular-biology_2002-12_50_6/page/925 | rivista=Plant Mol Biol |volume=50 |numero=6 |pp=925-47 |anno=2002 |pmid=12516863 }}</ref>

== Ricombinazione genetica ==
{{vedi anche|Ricombinazione genetica}}
[[File:Chromosomal Recombination.svg|thumb|left|La ricombinazione consiste di una rottura e successiva riunione di due cromosomi (M ed F) a produrre due cromosomi riarrangiati (C1 e C2).]]
<div class="thumb tright" style="background-color: #f9f9f9; border: 1px solid #CCC; margin:0.5em">
{| width="250" style="font-size: 85%; border: 1px solid #CCC; margin: 0.3em" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"
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<div style="border: none; width:250px"><div class="thumbcaption">Struttura di una [[giunzione di Holliday]], intermedio di una reazione di [[ricombinazione genetica]]. I quattro singoli filamenti di DNA sono colorati di rosso, blu, verde e giallo.<ref>Immagine realizzata a partire dalla entry [[Protein Data Bank|PDB]] {{cita testo|url=http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1M6G|titolo=1M6G}}</ref></div></div></div>
Un filamento di DNA solitamente non interagisce con altri segmenti di DNA e, nelle cellule umane, i differenti cromosomi occupano addirittura regioni separate del nucleo (''territori cromosomici'').<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Cremer T, Cremer C |titolo=Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells | rivista=Nat Rev Genet |volume=2 |numero=4 |pp=292-301 |anno=2001 |pmid=11283701 }}</ref> Tale separazione fisica è fondamentale per permettere al DNA di essere un archivio stabile e sicuro dell'informazione genetica. L'interazione tra diversi segmenti di DNA è invece possibile e frequente attraverso il fenomeno del [[crossing-over]], che permette la [[ricombinazione genetica]] attraverso la rottura di due eliche, lo scambio di segmenti tra di esse e il ricongiungimento finale.

La ricombinazione permette ai cromosomi di scambiare informazioni genetiche e produrre nuove combinazioni di geni, con il risultato di aumentare l'efficienza della [[selezione naturale]] e di facilitare l'evoluzione di nuove proteine.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Pál C, Papp B, Lercher M |titolo=An integrated view of protein evolution | rivista=Nat Rev Genet |volume=7 |numero=5 |pp=337-48 |anno=2006 |pmid=16619049 }}</ref> La ricombinazione genetica può anche essere coinvolta nella riparazione del DNA, in particolare come risposta cellulare in seguito a rotture a doppio filamento.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=O'Driscoll M, Jeggo P |titolo=The role of double-strand break repair - insights from human genetics | rivista=Nat Rev Genet |volume=7 |numero=1 |pp=45-54 |anno=2006 |pmid=16369571 }}</ref>

La principale forma di crossing-over cromosomico è la [[ricombinazione omologa]], nella quale i due cromosomi coinvolti condividono sequenze molto simili. Le ricombinazioni non omologhe, invece, possono essere dannose per la cellula, perché in grado di produrre [[Traslocazione (cromosoma)|traslocazioni cromosomiche]] e anomalie genetiche. La reazione di ricombinazione è catalizzata da enzimi noti come ''[[ricombinasi]]''.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Vispé S, Defais M |titolo=Mammalian Rad51 protein: a RecA homologue with pleiotropic functions |url=https://archive.org/details/sim_biochimie_1997-10_79_9-10/page/587 |rivista=Biochimie |volume=79 |numero=9-10 |pp=587-92 |anno=1997 |pmid=9466696 }}</ref> Il primo passaggio del processo di ricombinazione consiste nella rottura a singolo filamento provocata da un'endonucleasi o da un danno al DNA.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Neale MJ, Keeney S |titolo=Clarifying the mechanics of DNA strand exchange in meiotic recombination |rivista=Nature |volume=442 |numero=7099 |pp=153-8 |anno=2006 |pmid=16838012 }}</ref> Una serie di passaggi successivi, in parte catalizzati dalla ricombinasi, porta all'unione tra due eliche attraverso la formazione di una [[giunzione di Holliday]], nella quale un segmento a singolo filamento di ogni elica è appaiato al filamento complementare presente sull'altra elica. La reazione di ricombinazione è quindi interrotta dalla rottura della giunzione e dalla re-ligazione del DNA così ottenuto.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Dickman M, Ingleston S, Sedelnikova S, Rafferty J, Lloyd R, Grasby J, Hornby D |titolo=The RuvABC resolvasome | rivista=Eur J Biochem |volume=269 |numero=22 |pp=5492-501 |anno=2002 |pmid=12423347 }}</ref>
L'esistenza della giunzione di Holliday è stata dimostrata da fotografie al microscopio elettronico di molecole di DNA in ricombinazione.

== Evoluzione del metabolismo del DNA ==
{{vedi anche|Ipotesi del mondo a RNA}}
Il DNA contiene l'informazione genetica che permette a tutti gli organismi viventi (esclusi i virus, la cui ammissibilità tra i viventi è tuttavia ampiamente dibattuta) di funzionare, crescere e riprodursi. In ogni caso, non è stato ancora chiarito in quale momento della [[Origine della vita|storia della vita]] il DNA abbia assunto tale ruolo fondamentale. È generalmente accettato dalla comunità scientifica, infatti, l'[[ipotesi del mondo a RNA|ipotesi]] che il DNA non sia stato il primo acido nucleico a essere utilizzato dai viventi: tale ruolo spetterebbe infatti all'RNA.<ref name=Joyce2>{{Cita pubblicazione |autore=Joyce G |titolo=The antiquity of RNA-based evolution |rivista=Nature |volume=418 |numero=6894 |pp=214-21 |anno=2002 |pmid=12110897 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Orgel L |titolo=Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world | url=http://www.crbmb.com/cgi/reprint/39/2/99.pdf |rivista=Crit Rev Biochem Mol Biol |volume=39 |numero=2 |pp=99-123 |pmid=15217990 }}</ref> L'RNA potrebbe aver giocato un ruolo centrale del metabolismo cellulare ancestrale, dal momento che può avere sia un ruolo nella conservazione dell'informazione genetica, sia uno catalitico (ad esempio attraverso i [[ribozimi]]), sia uno strutturale (all'interno dei [[ribosomi]]).<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Davenport R |titolo=Ribozymes. Making copies in the RNA world |rivista=Science |volume=292 |numero=5520 |p=1278 |anno=2001 |pmid=11360970 }}</ref> Il ''[[Ipotesi del mondo a RNA|mondo a RNA]]'', basato su un unico tipo di molecola avente funzioni genetiche, catalitiche e strutturali, potrebbe avere avuto un'influenza sullo sviluppo dell'attuale codice genetico, basato proprio su quattro nucleotidi. Tale numero potrebbe essere un compromesso tra la necessità da una parte di ridurre la quantità di basi possibili, per migliorare l'accuratezza della replicazione, e dall'altra di aumentarla, per incrementare l'efficacia catalitica dei ribozimi.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Szathmáry E |titolo=What is the optimum size for the genetic alphabet? |url=http://www.pnas.org/cgi/reprint/89/7/2614.pdf |rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=89 |numero=7 |pp=2614-8 |anno=1992 |pmid=1372984 }}</ref>

Non si conoscono fossili di DNA risalenti all'origine della vita (dopo il mondo a RNA) per poterne studiare l'evoluzione molecolare, dal momento che è impossibile recuperare DNA dai fossili. Ciò è dovuto al fatto che il DNA può sopravvivere nell'ambiente per meno di un milione di anni e, se in soluzione, si degrada rapidamente in piccoli frammenti.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Lindahl T |titolo=Instability and decay of the primary structure of DNA |rivista=Nature |volume=362 |numero=6422 |pp=709-15 |anno=1993 |pmid=8469282 }}</ref> Sebbene ci siano stati diversi annunci di scoperte di DNA antichissimo, tra cui quella relativa all'isolamento di un batterio vivo da un cristallo di sale risalente a 250 milioni di anni fa,<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Vreeland R, Rosenzweig W, Powers D |titolo=Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal |rivista=Nature |volume=407 |numero=6806 |pp=897-900 |anno=2000 |pmid=11057666 }}</ref> queste affermazioni sono controverse.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Hebsgaard M, Phillips M, Willerslev E |titolo=Geologically ancient DNA: fact or artefact? |url=https://archive.org/details/sim_trends-in-microbiology_2005-05_13_5/page/212 |rivista=Trends Microbiol |volume=13 |numero=5 |pp=212-20 |anno=2005 |pmid=15866038 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Nickle D, Learn G, Rain M, Mullins J, Mittler J |titolo=Curiously modern DNA for a "250 million-year-old" bacterium |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-molecular-evolution_2002-01_54_1/page/134 |rivista=J Mol Evol |volume=54 |numero=1 |pp=134-7 |anno=2002 |pmid=11734907 }}</ref>

== Utilizzi del DNA ==
=== Ingegneria genetica ===
{{vedi anche|Ingegneria genetica|DNA ricombinante|Organismi geneticamente modificati}}

La moderna biologia e biochimica fa un uso intensivo del DNA. Con il termine di ''[[DNA ricombinante]]'' ci si riferisce a segmenti di DNA realizzati e assemblati artificialmente. Essi possono essere inseriti all'interno di organismi viventi sotto forma di [[plasmidi]] o mediante altri tipi di [[vettore (biologia)|vettori]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Goff SP, Berg P |titolo=Construction of hybrid viruses containing SV40 and lambda phage DNA segments and their propagation in cultured monkey cells |rivista=Cell |volume=9 |numero=4 PT 2 |pp=695-705 |anno=1976 |pmid=189942 }}</ref> Gli organismi così prodotti sono detti [[organismo geneticamente modificato|geneticamente modificati]] e possono essere utilizzati per la produzione di proteine ricombinanti, necessarie per la ricerca biomedica,<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Houdebine L |titolo=Transgenic animal models in biomedical research |rivista=Methods Mol Biol |volume=360 |pp=163-202 |pmid=17172731 }}</ref> o per le coltivazioni [[agricoltura|agricole]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Daniell H, Dhingra A |titolo=Multigene engineering: dawn of an exciting new era in biotechnology |rivista=Curr Opin Biotechnol |volume=13 |numero=2 |pp=136-41 |anno=2002 |pmid=11950565 }}</ref><ref>{{Cita pubblicazione |autore=Job D |titolo=Plant biotechnology in agriculture |rivista=Biochimie |volume=84 |numero=11 |pp=1105-10 |anno=2002 |pmid=12595138 }}</ref>

=== Medicina forense ===
{{vedi anche|Impronta genetica|Medicina forense}}
La [[medicina forense]] si serve del DNA, generalmente isolato dal [[sangue]], dalla [[pelle]], dalla [[saliva]], dai [[capelli]] e da altri tessuti e fluidi biologici, per identificare i responsabili di atti criminosi, come delitti o violenze. Il processo utilizzato è il [[impronta genetica|fingerprinting genetico]]: tale tecnica consiste nel comparare la lunghezza delle sezioni variabili del [[DNA ripetitivo]], come le [[short tandem repeat]]s e i [[minisatelliti]], che possono risultare molto diverse tra un individuo e l'altro. La comparazione tra due campioni di DNA in esame, non si basa perciò sull'analisi di tutta la sequenza desossiribonucleotidica, ma solo su tali sezioni. Infatti, due individui non legati da rapporti di parentela hanno in comune ben il 99,9% di sequenza di DNA. Tale metodo è solitamente molto affidabile,<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Collins A, Morton N |titolo=Likelihood ratios for DNA identification | url=http://www.pnas.org/cgi/reprint/91/13/6007.pdf | rivista=Proc Natl Acad Sci U S A |volume=91 |numero=13 |pp=6007-11 |anno=1994 |pmid=8016106 }}</ref> anche se a volte l'identificazione dei criminali può risultare complicata qualora la scena sia contaminata dal DNA di diverse persone.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Weir B, Triggs C, Starling L, Stowell L, Walsh K, Buckleton J |titolo=Interpreting DNA mixtures |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-forensic-sciences_1997-03_42_2/page/213 | rivista=J Forensic Sci |volume=42 |numero=2 |pp=213-22 |anno=1997 |pmid=9068179 }}</ref> Questo metodo, sviluppato nel [[1984]] dal [[genetica|genetista]] [[regno Unito|britannico]] Sir [[Alec Jeffreys]],<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Jeffreys A, Wilson V, Thein S |titolo=Individual-specific 'fingerprints' of human DNA. | rivista=Nature |volume=316 |numero=6023 |pp=76-9 |pmid=2989708 }}</ref> fu usato per la prima volta nel [[1988]] per incriminare Colin Pitchfork. Nella pratica attuale, spesso i sospettati sono invitati a fornire un campione di DNA per il confronto con eventuali reperti biologici presenti sulla scena del delitto. Il fingerprinting genetico può essere utilizzato anche per identificare le vittime di incidenti di massa.

L'acquisizione del DNA senza consenso viene indicato con il termine di [[Gene theft]].

=== Bioinformatica ===
{{vedi anche|Bioinformatica}}
La [[bioinformatica]] è una branca della [[biologia]] che comprende la manipolazione, la ricerca e il [[data mining]] dei dati relativi a sequenze di DNA. Lo sviluppo di tecniche utili a immagazzinare e ricercare sequenze di DNA, infatti, ha condotto ad ampi sviluppi dell'informatica applicata alla biologia molecolare, specialmente per quanto riguarda gli algoritmi di ricerca di stringhe e l'[[apprendimento automatico]].<ref>Baldi, Pierre. Brunak, Soren. ''Bioinformatics: The Machine Learning Approach'' MIT Press (2001) ISBN 978-0-262-02506-5</ref> Gli algoritmi di ricerca (o appaiamento) di stringhe, in grado di individuare la presenza di una sequenza di lettere all'interno di sequenze molto più ampie, furono inizialmente sviluppati per la ricerca di specifiche sequenze nucleotidiche.<ref>Gusfield, Dan. ''Algorithms on Strings, Trees, and Sequences: Computer Science and Computational Biology''. Cambridge University Press, 15 January 1997. ISBN 978-0-521-58519-4.</ref>

Esistono da molto tempo, ovviamente, semplici [[algoritmo|algoritmi]] in grado di affrontare questi problemi (quelli presenti, ad esempio, negli [[editor di testo]]), ma l'analisi del DNA, che si presenta come composto di sole quattro lettere, richiede programmi più elaborati. Il problema immediatamente correlato dell'[[allineamento di sequenze]] si pone come obiettivo quello di identificare le sequenze [[omologia (biologia)|omologhe]] e individuare le specifiche [[mutazioni]] che le rendono differenti. Queste tecniche, in particolare l'[[allineamento di sequenze multiple]], sono utilizzate per studiare le [[filogenesi|relazioni filogenetiche]] e la funzione delle proteine.<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Sjölander K |titolo=Phylogenomic inference of protein molecular function: advances and challenges | url=https://bioinformatics.oxfordjournals.org/cgi/reprint/20/2/170 | rivista=Bioinformatics |volume=20 |numero=2 |pp=170-9 |anno=2004 |pmid=14734307 }}</ref> Esistono anche algoritmi di ricerca genetica.

La grande quantità di dati ottenuta da progetti come il [[progetto genoma umano]] è infatti di difficile utilizzo senza una prima analisi che permetta di localizzare i geni e le regioni regolatorie sui cromosomi. Tali algoritmi, dunque, sono in grado di riconoscere regioni putative di presenza di geni codificanti RNA o proteine.<ref name="Mount">{{Cita libro|autore = Mount DM |titolo=Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis | edizione = 2 | editore = Cold Spring Harbor Laboratory Press | città= Cold Spring Harbor, NY | data = 2004 |isbn= 0-87969-712-1 }}</ref>

=== DNA in informatica e nanotecnologie ===
{{vedi anche|Computer a DNA}}
[[File:DNA nanostructures.png|thumb|upright=1.8|La struttura di DNA presente a sinistra è in grado di autoassemblarsi nella configurazione presente a destra. L'uso del DNA nelle nanotecnologie sfrutta le proprietà di [[riconoscimento molecolare]] tipiche del DNA<ref>Immagine prelevata da ''Strong M. Protein nanomachines. PLoS Biol. 2004 Mar;2(3):E73. Epub 2004 Mar 16. {{Entrez Pubmed|15024422}}''</ref>]]
Il DNA è stato utilizzato in informatica per la prima volta per risolvere un semplice problema di [[cammino hamiltoniano]], un [[Teoria della complessità|problema NP-completo]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Adleman L |titolo=Molecular computation of solutions to combinatorial problems | rivista=Science |volume=266 |numero=5187 |pp=1021-4 |anno=1994 |pmid=7973651 }}</ref> Il calcolo attraverso il DNA è più vantaggioso rispetto a quello ''classico'' per via elettronica sia dal punto di vista dell'energia consumata, sia da quello dello spazio utilizzato: strutture di questo genere sono infatti in grado di svolgere [[Calcolo parallelo|calcoli in modalità parallele]] che permettono di risolvere agevolmente numerosi altri problemi quali la simulazione di [[macchina astratta|macchine astratte]], il [[Soddisfacibilità booleana|problema di soddisfacibilità booleana]] e la versione ''bounded'' del [[problema del commesso viaggiatore]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Parker J |titolo=Computing with DNA. | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=12524509 | rivista=EMBO Rep |volume=4 |numero=1 |pp=7-10 |anno=2003 |pmid=12524509 }}</ref> Grazie alla sua compattezza, il DNA presenta anche un ruolo (almeno teorico) nel campo della [[crittografia]], nella quale permetterebbe in particolare la costituzione e l'utilizzo efficiente di [[Cifrario di Vernam|cifrari di Vernam]] sicuri.<ref>Ashish Gehani, Thomas LaBean and John Reif. {{cita testo|url=http://citeseer.ist.psu.edu/gehani99dnabased.html|titolo=DNA-Based Cryptography}}. Proceedings of the 5th DIMACS Workshop on DNA Based Computers, Cambridge, MA, USA, 14–15 June 1999.</ref>

Il DNA è utilizzato anche nel campo delle [[nanotecnologie]] poiché presenta proprietà di [[riconoscimento molecolare]] che lo rendono in grado di auto-assemblarsi in strutture complesse di tipo bidimensionale o [[poliedri]]co. Tali assemblati sono utilizzati con funzioni essenzialmente strutturali e non come vettori di informazione biologica.<ref name="Goodman05">{{Cita pubblicazione |cognome=Goodman |nome=Russel P. |coautori=Schaap, Iwan A. T.; Tardin, C. F.; Erben, Christof M.; Berry, Richard M.; Schmidt, C.F.; Turberfield, Andrew J. |data=9 dicembre 2005 |titolo=Rapid chiral assembly of rigid DNA building blocks for molecular nanofabrication |rivista=Science |volume=310 |numero=5754 |pp=1661-1665|pmid=16339440 |doi=10.1126/science.1120367 |bibcode=2005Sci...310.1661G}}</ref>

=== Storia e antropologia ===
{{vedi anche|Filogenetica}}
[[File:MyosinUnrootedTree.jpg|thumb|left|upright=1.4|[[Albero filogenetico]] delle miosine<ref>T. Hodge and M.J.T.V. Cope (2000). "A Myosin Family Tree". Journal of Cell Science 113: 3353-3354 {{Entrez Pubmed|10984423}}</ref>]]
Dal momento che il DNA è sottoposto nel tempo a mutazioni che vengono ereditate, esso contiene informazioni preziose che possono essere utilizzate dai genetisti per studiare l'evoluzione degli organismi e la loro [[filogenesi]].<ref>{{Cita pubblicazione |autore=Wray G |titolo=Dating branches on the tree of life using DNA | url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=11806830 | rivista=Genome Biol |volume=3 |numero=1 |pp=REVIEWS0001 |anno=2002 |pmid=11806830 }}</ref> Sulla base delle diverse mutazioni presenti in geni estremamente conservati tra gli organismi (oppure, tramite algoritmi comparativi bioinformatici più avanzati, confrontando direttamente interi genomi) i genetisti sono in grado di ricostruire [[Albero filogenetico|alberi filogenetici]] in grado di descrivere l'evoluzione di diverse specie anche molto diverse tra loro.<ref>{{Cita pubblicazione | cognome =  Letunic | nome = I  | anno = 2007 | titolo = Interactive Tree Of Life (iTOL): an online tool for phylogenetic tree display and annotation. | rivista = Bioinformatics | volume = 23(1) |pp=127-8  | url = https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=17050570}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione | cognome =  Ciccarelli | nome = FD  | anno = 2006 | titolo = Toward automatic reconstruction of a highly resolved tree of life. | rivista = Science | volume = 311(5765) |pp=1283-7  | url = https://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=16513982}}</ref> Studiando le mutazioni accumulatesi nel tempo, è anche possibile ricostruire alberi che descrivano l'evoluzione all'interno di famiglie di proteine.

Comparando le sequenze di DNA all'interno di una stessa specie, inoltre, è possibile studiare la storia genetica di particolari [[genetica delle popolazioni|popolazioni]]. Ciò presenta una notevole rilevanza sia per analisi [[ecologia|ecologiche]] sia per studi [[antropologia|antropologici]]: il DNA è stato usato, ad esempio, per ricostruire la vicenda delle [[dieci tribù perdute d'Israele]].<ref>''Lost Tribes of Israel'', NOVA, messa in onda sulla [[Public Broadcasting Service|PBS]]: 22 febbraio 2000. Testo disponibile su {{cita testo|url=http://www.pbs.org/wgbh/nova/transcripts/2706israel.html|titolo=PBS.org}} (ultimo accesso: 4 marzo 2006)</ref>

{{clear}}
=== DNA ambientale eDNA ===
{{S sezione|biologia|chimica}}
Nel 1987 [[Tamar Barkay]] descrisse il metodo di ''estrazione diretta del DNA ambientale'', eDNA<ref>https://www.technologyreview.it/come-il-dna-nellambiente-sta-offrendo-agli-scienziati-un-nuovo-modo-di-capire-il-nostro-mondo/</ref>.

== Note ==
{{Note strette}}

== Bibliografia ==
* {{Cita libro |cognome=Alberts |nome=Bruce | coautori=Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walters |titolo=Molecular Biology of the Cell|editore=Garland Science|data=2002 |città=New York e Londra|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=mboc4.TOC&depth=2 |isbn=0-8153-3218-1|lingua=inglese}}
* {{cita libro|autore=John M. Butler|anno=2001|titolo=Forensic DNA Typing|url=https://archive.org/details/forensicdnatypin0000butl|editore=Elsevier|isbn=978-0-12-147951-0|lingua=inglese}}
* {{cita libro|autore=Berg J., Tymoczko J., Stryer L.|anno=2002|titolo=Biochemistry|url=https://archive.org/details/biochemistrysupp0000stry|editore=W. H. Freeman and Company|isbn=0-7167-4955-6|lingua=inglese}}
* {{cita libro|autore=Baldi, Pierre. Brunak, Soren|titolo=Bioinformatics: The Machine Learning Approach|editore=MIT Press|anno=2001|isbn=978-0-262-02506-5|lingua=inglese}}
* Gusfield, Dan, ''Algorithms on Strings, Trees, and Sequences: Computer Science and Computational Biology'', Cambridge University Press, 15 gennaio 1997, ISBN 978-0-521-58519-4.
* {{Cita libro|autore = Mount DM |titolo=Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis | edizione = 2 | editore = Cold Spring Harbor Laboratory Press | città= Cold Spring Harbor, NY | data = 2004 |isbn=0-87969-712-1 |lingua=inglese}}
* {{cita libro|autore=Andrew Berry; [[James Dewey Watson|James D. Watson]]|titolo=DNA: the secret of life |url=https://archive.org/details/dnasecretoflife00wats|editore=Alfred A. Knopf |città=New York |anno=2003 |isbn=0-375-41546-7|lingua=inglese}}
* {{cita libro|autore=[[James Dewey Watson|James D. Watson]]|anno=2004|titolo=DNA: The Secret of Life|editore=Random House|isbn=978-0-09-945184-6|lingua=inglese}}
* {{cita libro|autore= Robert Olby|titolo=Francis Crick: A Biography |url= https://archive.org/details/franciscrickhunt0000olby|editore=Cold Spring Harbor Laboratory Press |città=Plainview, N.Y |anno=2009 |isbn=0-87969-798-9|lingua=inglese}}
* {{cita libro |autore=[[Gunther Stent]]; [[James Dewey Watson|James D. Watson]]|titolo=[[La doppia elica|The Double Helix]] |editore=Norton |città=New York |anno=1980 |isbn=0-393-95075-1|lingua=inglese }}
* {{cita libro|titolo=Biochimica|autore=John W. Pelley|editore=Elsevier|anno=2008|isbn=978-88-214-3020-6|url=http://books.google.it/books?id=vHHahK20q7sC&printsec=frontcover&hl=it#v=onepage&q&f=false}}
* {{cita libro|autore=Giuliano Ricciotti|titolo=Biochimica di base|editore=Zanichelli|isbn=88-08-01182-8|anno=1987}}

== Voci correlate ==
 {{div col|cols=3}}
* [[Acido nucleico]]
* [[Complementarità]]
* [[Computer a DNA]]
* [[Conformazioni del DNA]]
* [[Cromosoma]]
* [[DNA a tripla elica]]
* [[DNA clamp]]
* [[DNA complementare]]
* [[DNA girasi]]
* [[DNA hachimoji]]
* [[DNA metiltransferasi]]
* [[DNA mitocondriale]]
* [[DNA non codificante]]
* [[DNA nucleotidil-esotrasferasi]]
* [[DNA polimerasi (DNA-dipendente)]]
* [[DNA polimerasi (RNA-dipendente)]]
* [[DNA ricombinante in botanica]]
* [[DNA ricombinante]]
* [[DNA satellite]]
* [[DNA-binding protein]]
* [[Dogma centrale della biologia molecolare]]
* [[Frammentazione del DNA]]
* [[Impronta genetica]]
* [[Macchina di DNA]]
* [[Nanotecnologia del DNA]]
* [[Prodotto genico]]
* [[Progetto genoma]]
* [[RNA]]
* [[Sequenza ripetuta di DNA]]
* [[Superavvolgimento del DNA]]
* [[Tecnologia del DNA ricombinante]]
* [[Traduzione (biologia)]]
* [[Trascrizione (biologia)]]
* [[Virus a DNA]]
* [[DNA Nucleare]]
 {{div col end}}

== Altri progetti ==
{{interprogetto|b=Biologia per il liceo/DNA e RNA|wikt=DNA|q}}
* [[b:Esempi di statistica descrittiva e inferenziale/Analisi del proprio genoma|Wikibooks - Analisi del proprio genoma]]

== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web|url=http://www.dnai.org/|titolo=DNA Interactive|lingua=en}}

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{{Genetica}}
{{Controllo di autorità}}
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