La scoperta della struttura portante del DNA iniziò nel 1867 quando Friedrich Miescher notò che le cellule contenevano un alto contenuto di fosforo e una sostanza resistente alla digestione delle proteine. Ricerche successive hanno rivelato che la struttura portante zucchero-fosfato è composta da gruppi fosfato e zuccheri desossiribosio, che formano l'impalcatura strutturale della scala.
Il modello fondamentale di James Watson e Francis Crick del 1953 descriveva il DNA come una doppia elica destrorsa, con la struttura portante zucchero-fosfato all’esterno e le basi azotate impilate all’interno. Ciascun nucleotide comprende un fosfato, un desossiribosio e una base.
I pioli sono costituiti da quattro basi azotate:adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). Le scoperte di Erwin Chargaff del 1950 mostrarono che A si accoppia con T e G si accoppia con C in quantità uguali, un principio ora noto come regole di Chargaff.
L'adenina forma due legami idrogeno con la timina, mentre la guanina forma tre legami idrogeno con la citosina. Questi accoppiamenti complementari mantengono i due filamenti allineati e mantengono una lunghezza uniforme del piolo, consentendo una replica precisa.
Il DNA umano contiene circa il 60% di coppie A-T e il 40% di coppie G-C, con circa 3 miliardi di paia di basi per cromosoma. Durante la replicazione, l'elicasi svolge la doppia elica e la DNA polimerasi sintetizza nuovi filamenti in brevi frammenti di 50 nucleotidi. La fedeltà dell'accoppiamento di basi si traduce in un basso tasso di errore.
Durante la mitosi, l'intero genoma viene duplicato, garantendo che ogni cellula figlia riceva un identico complemento di DNA. La meiosi, invece, dimezza il numero dei cromosomi per produrre gameti; la fecondazione ripristina il complemento completo nello zigote.
Gli errori di replica possono portare a mutazioni, classificate come sostituzioni, inserimenti, eliminazioni o frameshift. Poiché la sequenza delle basi detta le istruzioni genetiche, le mutazioni frameshift possono alterare profondamente la sintesi proteica.
