2 aprile 1953 STRUTTURA MOLECOLARE DEGLI ACIDI NUCLEICI

2 aprile 1953
STRUTTURA MOLECOLARE
DEGLI ACIDI NUCLEICI
sulla stessa catena, in modo che la struttura si ripeta ogni 10
residui su ogni catena, cioè dopo 34 A. La distanza di un
atomo di fosforo dall’asse della fibra è di 10 A. Poiché i
fosfati stanno all’esterno, i cationi vi possono accedere
facilmente.
Vogliamo suggerire una struttura per il sale dell’acido
desossiribonucleico (D.N.A). Questa struttura ha
caratteristiche che sono di considerevole interesse biologico.
La struttura è aperta, e il contenuto in acqua è piuttosto alto.
Per un contenuto d’acqua più basso ci aspetteremmo una
torsione delle basi che renda la struttura più compatta.
Una struttura per l’acido nucleico è stata già proposta da
Pauling e Corey (1). Essi ci hanno gentilmente reso
disponibile il manoscritto prima della pubblicazione. Il loro
modello consiste di tre eliche intrecciate fra loro, con i
fosfati stretti attorno all’asse della fibra, e le basi rivolte
all’esterno. A nostro parere, questa struttura non è
soddisfacente, per due ragioni: (1) Crediamo che il materiale
che dà i diagrammi ai raggi X sia il sale e non l’acido libero.
Senza gli atomi di idrogeno acidico non è chiaro come le
forze potrebbero tenere insieme la struttura, specialmente
considerando che i fosfati carichi negativamente, posti a
ridosso dell’asse si respingerebbero. (2) Alcune delle
distanze di Van der Waals sembrano essere troppo piccole.
Una caratteristica innovativa della struttura è il modo in cui
le due catene stanno unite fra loro attraverso le basi purina e
pirimidina. I piani delle basi sono perpendicolari all’asse
della fibra. Essi stanno uniti a coppie, una base per catena,
in modo che ciascuna delle due giaccia fianco a fianco con
le stesse coordinate z. Una base dev’essere una purina e
l’altra una pirimidina, perché possa avvenire il legame. I
legami a idrogeno si formano così: la posizione 1 della
purina lega la posizione 1 della pirimidina; la posizione 6
della purina lega la posizione 6 della pirimidina.
Una struttura per l’acido desossiribonucleico
Un’altra struttura a tre eliche è stata suggerita da Fraser (in
stampa). Nel suo modello i fosfati stanno all’esterno e le
basi all’interno, connesse fra loro da legami a idrogeno.
Questa struttura, per come è descritta, è definita piuttosto
male, e per questo motivo non la commenteremo.
Vogliamo presentare una struttura
radicalmente diversa per il sale
dell’acido desossiribonucleico. Questa
struttura ha due catene elicoidali,
ciascuna delle quali si avvolge attorno
allo stesso asse (vedi figura). Abbiamo
adottato la solita assunzione chimica
che ogni catena consiste di gruppi
fosfodiesterei che legano residui di
beta-D-desossiribofuranosio
con
legami 3’-5’. Le due catene, ma non le
loro basi, sono correlate da una diade
perpendicolare all’asse della fibra.
Entrambe le catene si organizzano in
eliche destrogire ma, per via della
diade, le sequenze degli atomi nelle
due catene si estendono in direzioni
opposte.
Ogni catena ricorda il modello numero
1 di Furberg; cioè le basi stanno
Questa figura è del tutto all’interno dell’elica e i fosfati sono
e schematica. I due posti all’esterno. La configurazione
nastri simbolizzano le
dello zucchero e degli atomi vicini è
catenedi zucchero fosfato, e le aste simile alla “configurazione standard di
orizzontali le coppie di Furberg”,
dove lo zucchero è
basi
chemantengono
praticamente perpendicolare alla base
unite le due catene.
La linea verticale indica ad esso legata. Ogni 3,4 A in direzione
l'asse della fibra.
z si trova un residuo. Abbiamo assunto
un angolo di 36° tra residui adiacenti
Se si assume che le basi in questa struttura si ritrovino
solamente nella loro conformazione tautomerica più
plausibile (cioè, in forma cheto piuttosto che enolica) si
trova che soltanto specifiche coppie di basi si possono
legare fra loro. Queste coppie sono: adenina (purina) con
timina (pirimidina) e guanina (purina) con citosina
(pirimidina).
In altre parole, se un’adenina forma un membro della
coppia, su una delle due catene, allora, seguendo le nostre
assunzioni, l’altro membro deve essere una timina; lo stesso
vale per guanina e citosina. La sequenza di basi su una
catena singola non sembra avere alcun tipo di restrizione.
Comunque, se si possono formare solo specifici appaiamenti
fra le basi, ne segue che, data la sequenza di basi su una
catena, allora la sequenza sull’altra catena è
automaticamente determinata.
E’ stato visto sperimentalmente (3,4). che il rapporto tra la
quantità di adenina e di timina, e quello tra guanina e
citosina, sono sempre molto vicini all’unità per l’acido
desossiribonucleico.
E’ probabilmente impossibile costruire una simile struttura
con uno zucchero ribosio al posto del desossiribosio, visto
che un altro atomo di ossigeno creerebbe un’interazione di
Van der Waals troppo ravvicinata. I dati ai raggi X
pubblicati
in
precedenza
(5,
6)
sull’acido
desossiribonucleico sono insufficienti per provare
rigorosamente la nostra struttura. Per quel che possiamo
dire, è sostanzialmente compatibile con i dati sperimentali,
ma deve essere considerata non provata, fin tanto che non
sia supportata da risultati più precisi. Alcuni di questi si
possono trovare nelle comunicazioni seguenti. Non eravamo
a conoscenza dei dettagli circa i risultati presentati lì,
quando abbiamo elaborato questa struttura, che comunque
non si basa solo sui dati sperimentali e le considerazioni
stereochimiche pubblicati.
Non abbiamo mancato di notare che l’appaiamento specifico
che abbiamo postulato suggerisce immediatamente un
possibile meccanismo di copiatura del materiale genetico.
I dettagli completi della struttura, comprese le condizioni
assunte per la sua costruzione, assieme ad un insieme di
coordinate per gli atomi saranno pubblicati altrove.
Siamo veramente in debito con il dr. Jerry Donohue per i
suoi consigli e le sue critiche costanti, in particolare circa le
distanze interatomiche. Inoltre siamo stati stimolati dalla
conoscenza della natura generale dei risultati sperimentali
non pubblicati e dalle idee del dr. M. H. F. Wilkins, della dr.
R. E. Franklin e dai loro colleghi del King’s College a
Londra. Uno di noi (J. D. W.) è stato finanziato da una borsa
della Fondazione Nazionale per la Paralisi Infantile.
J. D. WATSON F. H. C. CRICK
Medical Research Council Unit for the Study of Molecular
Structure of Biological Systems, Cavendish Laboratory,
Cambridge. April 2.
1. Pauling, L., and Corey, R. B., Nature, 171, 346 (1953); Proc.
U.S. Nat. Acad. Sci., 39, 84 (1953).
2. Furberg, S., Acta Chem. Scand., 6, 634 (1952).
3. Chargaff, E., for references see Zamenhof, S., Brawerman, G.,
and Chargaff, E., Biochim. et Biophys. Acta, 9, 402 (1952).
4. Wyatt, G. R., J. Gen. Physiol., 36, 201 (1952).
5. Astbury, W. T., Symp. Soc. Exp. Biol. 1, Nucleic Acid, 66
(Camb. Univ. Press, 1947).
6. Wilkins, M. H. F., and Randall, J. T., Biochim. et Biophys. Acta,
10, 192 (1953).
Nature, VOL 171, page737, 1953