A Giovanni Parisi Dalla scoperta della struttura delle proteine a quella del DNA I padri della Biologia molecolare Copyright © MMXIV ARACNE editrice S.r.l. www.aracneeditrice.it [email protected] via Raffaele Garofalo, /A–B Roma () ---- I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell’Editore. I edizione: novembre Indice Prefazione Parte I Struttura delle proteine Introduzione alla Parte I Capitolo I Dalla scoperta dei raggi X a quella della loro diffrazione mediante cristalli .. Wilhelm Conrad Röntgen, – .. Max Theodor Felix von Laue, . Capitolo II Gli albori della cristallografia delle macromolecole .. Sir William Henry Bragg, – .. Sir William Lawrence Bragg, . Capitolo III Il problema della fase .. John Monteath Robertson, . Capitolo IV Iniziali ricerche tendenti alla determinazione della struttura delle proteine .. Franz Hofmeister, – .. Hermann Emil Fischer, – .. William Thomas Astbury, . Capitolo V I primi diffrattogrammi proteici .. John Desmond Bernal, – .. Dorothy Crowfoot Hodgkin, . Indice Capitolo VI Dai primordi dell’enzimologia alla generalizzazione del concetto di enzima .. Lord David Chilton Phillips, . Capitolo VII Dall’α–elica di Linus Pauling alla decifrazione della struttura molecolare della mioglobina e della emoglobina .. Linus Carl Pauling, – .. Max Ferdinand Perutz, – .. John Cowdery Kendrew, . Capitolo VIII Determinazione della struttura primaria delle proteine .. Pehr Victor Edman, – .. Frederick Sanger, . Parte II Struttura del DNA Introduzione alla Parte II Capitolo I Dalla scoperta della nucleina a quella della sua natura chimica .. Friedrich Miescher, – .. Albrecht Karl Ludwig Martin Leonhard Kossel, – .. Phoebus Aaron Theodor Levene, . Capitolo II Evoluzione ed affermazione del concetto di gene .. Archibald Edward Garrod, – .. Thomas Hunt Morgan, – .. George Wells Beadle, – .. Edward Lawrie Tatum, . Capitolo III Il contributo dei fisici alla Biologia .. Niels Henrik David Bohr, – .. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger, – .. Max Delbrück, – .. Salvador Edward Luria, – .. Alfred Day Hershey, . Indice Capitolo IV La rigorosa dimostrazione che il gene è costituito da DNA e non da proteine .. Oswald Theodore Avery, – .. Erwin Chargaff, . Capitolo V La struttura tridimensionale del DNA .. Rosalind Elsie Franklin, – .. Maurice Hugh Frederick Wilkins, – .. Francis Harry Compton Crick, – .. James Dewey Watson, . Indice dei nomi Indice analitico Prefazione Malgrado il titolo, questo libro non si propone di riassumere la storia complessiva di quell’intenso e fecondo periodo della ricerca biologica che ha portato alla scoperta della struttura delle proteine e a quella del DNA, ma piuttosto fornire un quadro d’insieme dello sviluppo storico di talune fondamentali enunciazioni, che hanno contribuito a chiarire tali strutture, attraverso una razionale ricostruzione dei principali contributi forniti da eminenti studiosi nei primi cinquanta anni del ventesimo secolo. Anni nei quali la Biologia ha subito una profonda trasformazione in seguito alla convergenza di discipline che erano rimaste per molto tempo indipendenti sia per la problematica che per i materiali e la metodologia utilizzati. Grazie alla feconda collaborazione di studiosi di varia estrazione si posero le basi concettuali non soltanto per la decifrazione della struttura delle proteine e del DNA, ma anche per uno studio accurato di numerose altre importanti macromolecole biologiche. Ancora negli anni Cinquanta dello scorso secolo si sollevava qualche dubbio sulla identificazione del materiale genetico nel DNA, e non piuttosto in una frazione proteica in qualche modo stabilmente legata allo stesso DNA. Fu soltanto a seguito della scoperta della struttura tridimensionale a doppia elica del DNA – una struttura che di per sé suggeriva un meccanismo biologicamente significativo di replicazione della molecola – che d’un tratto si aprì la via ad una sicura comprensione a scala molecolare dei fatti fondamentali dell’eredità. Si affermava in tal modo il significato dell’informazione genetica come tema centrale della biologia nel senso – in tesi generale – di replica e trasmissione di un’informazione codificata ad ogni generazione cellulare. I profili biografici di alcuni scienziati che hanno contribuito a porre le basi della moderna biologia su base molecolare forniscono al lettore una visione del periodo storico in cui essi operarono cosicché esaminandone l’opera non si può non ammirare il loro lavoro non Dalla scoperta della struttura delle proteine a quella del DNA soltanto per l’originalità delle metodiche eseguite, ma anche per la chiarezza con la quale sono stati commentati determinati risultati che hanno condotto alla quasi inevitabilità delle loro scoperte. La complessità strutturale delle proteine e degli acidi nucleici, come si è in precedenza ricordato, per molti anni ha impedito che si avesse una chiara idea della conformazione di tali macromolecole. Solo grazie ai notevoli sviluppi delle conoscenze chimiche e di quelle fisiche tali problematiche furono avviate a soluzione. Particolare rilevanza ebbero, in tali ricerche, la messa a punto delle tecniche di diffrazione dei raggi X. Particolarmente graditi mi giungeranno i commenti e le critiche dei lettori sul mio lavoro che terrò in conto di validi consigli perché esso acquisti maggiore accuratezza e chiarezza di esposizione. Un particolare debito di riconoscenza ho verso mia moglie alla quale va il merito di non aver mai accusato il peso delle molte rinunce che la lunga stesura di questo volume ha comportato. Giovanni P P I STRUTTURA DELLE PROTEINE Introduzione alla Parte I I primi sessanta anni del ventesimo secolo hanno segnato una svolta decisiva per il progresso delle conoscenze sulla materia vivente in generale e per quanto riguarda le proteine hanno posto le basi concettuali per lo studio della loro struttura e funzione. Grazie al nuovo modo di affrontare la ricerca, sulla base dell’applicazione di tecnologie proprie della chimica e della fisica, è stato possibile impostare le fondamenta della biologia strutturale. Una impostazione metodologica che proveniva da preliminari importanti esperienze le quali, negli anni precedenti, avevano promosso la nascita della biochimica. Di questo periodo di intensa attività sperimentale, in questa prima parte del volume, si cercherà di mettere in evidenza soltanto alcuni tra i più significativi risultati ottenuti in seguito all’applicazione delle tecnologie allora più avanzate, in particolare l’analisi diffrattometrica ai raggi X, che consentì i primi approcci all’analisi strutturale delle proteine e quelle altrettanto importanti, dovute al crescente sviluppo delle ricerche chimiche che consentirono di interpretare la natura delle molecole proteiche. Nel diciannovesimo secolo, la cristallografia si limitava allo studio delle forme dei cristalli. Ci si rifaceva essenzialmente alla formulazione della legge cristallografica formulata da René Just Haüy (–) la quale si fondava sull’intuizione che la sfaldatura dei minerali fosse la dimostrazione di un ordine geometrico interno e sulla teoria della molecola integrante elaborata per spiegare la legge della costanza dell’angolo diedro. Secondo Haüy, ogni cristallo era costituito dalla ripetizione di un parallelepipedo elementare submicroscopico che ne manteneva le stesse caratteristiche geometriche. Alcuni anni più tardi, nel , Auguste Bravais (– ) descrisse le possibili disposizioni di punti nello spazio per formare celle elementari di una struttura cristallina nei sistemi tridimensionali; figure oggi note come reticoli di Bravais. Dalla scoperta della struttura delle proteine a quella del DNA Questa cristallografia morfologica definiva un cristallo come un solido chimicamente omogeneo, in tutto o in parte delimitato da piani naturali che si intersecavano ad angoli predeterminati. Descriveva, inoltre, i principali elementi di simmetria e fissava la nomenclatura di differenti forme cristalline. Un importante passo avanti nell’ambito delle conoscenze cristallografiche si è avuto nel con l’impiego dei raggi X da parte di Max von Laue nonché di William e Lawrence Bragg. Questo sviluppo sperimentale ha consentito la determinazione del contenuto atomico di ciascuna cella elementare costituente il cristallo ed ha fatto sì che un cristallo fosse definito come un qualsiasi solido in cui una particolare disposizione atomica si ripete periodicamente nelle tre dimensioni e pertanto diffrange un incidente fascio di raggi X. Progressi dovuti anche allo sviluppo di particolari strumenti matematici quali la trasformata di Fourier ed i metodi di Patterson hanno consentito di determinare dapprima la struttura di cristalli di semplici molecole e poi quella di importati macromolecole biologiche. Nei primi cinquanta anni dello scorso secolo, i cristallografi si sono avvalsi per le loro ricerche di apparecchiature sempre più perfezionate e di nuove fondamentali metodologie, soltanto però con la disponibilità e lo sviluppo dei computer e di particolari software è stato possibile il pieno impiego della strumentazione resasi utilizzabile. Attualmente sono stati sviluppati metodi cristallografici, per lo studio della struttura di composti complessi come le macromolecole biologiche di grandi dimensioni, che si basano sull’analisi dei pattern di diffrazione che emergono da un campione bersagliato sia da raggi X prodotti da un sincrotrone, sia da neutroni, sia da elettroni. I metodi di diffrazione di neutroni rivelano i nuclei degli atomi, mentre la diffrazione mediante elettroni è una tecnica molto usata per lo studio delle superfici. Al giorno d’oggi, una così ampia disponibilità di strumentazione e di metodologie apre nuove possibilità di indagine cristallografica tendente a correlare la struttura cristallina di molecole e di macromolecole biologiche alle corrispondenti proprietà fisiche, chimiche e biologiche.
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