CHIMICA PER BIOLOGIA

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1 CHIMICA PER BIOLOGIA UNITÁ DIDATTICA N 1 LA STRUTTURA DELLE MOLECOLE CONTENUTI Una molecola è un aggregato di due o più atomi, uguali o diversi, legati tra loro da un legame chimico. La quasi totalità della materia che ci circonda è formata da atomi legati tra loro da un legame chimico. La formazione di un legame chimico altera profondamente le caratteristiche e le proprietà degli atomi. Per esempio ossigeno e idrogeno allo stato atomico sono molto dannosi, mentre la molecola formata da due atomi di ossigeno è il gas che ci permette di respirare e l unione di due atomi di idrogeno e uno di ossigeno forma l acqua, la molecola inorganica indispensabile alla vita. Possiamo paragonare gli atomi alle lettere dell alfabeto che, combinate in vario modo, danno origine alle parole. Per esempio una molecola di fosforo è formata da 4 atomi di fosforo (P 4 ), mentre 2 atomi di idrogeno, uno di carbonio e 3 di ossigeno formano l acido carbonico (H 2 C O 3 ). Se spezziamo una parola ne cambiamo il significato ( lavello diviso diventa la e vello con un significato totalmente diverso) così una parte della molecola ha proprietà diverse dalla molecola intera, perciò: la molecola è la più piccola quantità di sostanza che conserva intatte le proprietà della sostanza. La formula bruta indica solamente il tipo ed il numero degli atomi legati tra loro, ma si possono anche mettere in evidenza i legami che tengono uniti gli atomi, in questo caso si ha la formula di struttura, in cui si indica con un trattino ogni legame che unisce due atomi. O H Formula bruta: H 2 C O 3 Formula di struttura: C O H O Affinché due atomi si legano devono avvicinarsi e il contatto avviene tra le due superfici degli atomi stessi e quindi solo gli elettroni che si trovano nel guscio esterno vengono utilizzati per la formazione dei legami. Ma cosa spinge gli atomi a legarsi tra loro?

2 Tutti i sistemi tendono a raggiungere la minima energia e quando realizzano ciò raggiungono la stabilità. Per un atomo la stabilità si raggiunge quando, nella configurazione elettronica, l ultimo livello è tutto pieno o tutto vuoto. Infatti gli elementi che nella tavola periodica si trovano nell ottavo gruppo hanno una scarsa reattività, sono molto stabili ( per questo sono stati chiamati gas nobili ) ed esistono in natura allo stato monoatomico. Essi hanno la configurazione elettronica esterna s 2 p 6, cioè 8 elettroni negli orbitali s e p : questa configurazione è detta ottetto. Tutti gli altri elementi cercano di completare ( o di svuotare) l ultimo livello acquistando o cedendo o condividendo gli elettroni con altri atomi, cercano, cioè, di raggiungere l ottetto. Gli elettroni presenti sull ultimo livello sono detti elettroni di legame e la valenza indica quanti legami un atomo può fare. Un concetto fondamentale è quello di elettronegatività : l elettronegatività è la forza con la quale un atomo trattiene i suoi elettroni di legame. Se un atomo ha pochi elettroni sull ultimo livello tenderà a cederli per raggiungere l ottetto, mentre se lo ha quasi pieno cercherà di acquistare tutti gli elettroni che gli occorrono per completarlo, naturalmente se un atomo deve disfarsi dei suoi elettroni esterni occorre che ci sia un altro atomo disposto ad accettarli, mentre se un atomo necessita di elettroni per completare l ottetto è necessario che un altro atomo glieli ceda: è appunto questo scambio di elettroni che tiene uniti gli atomi. Legame ionico Se fra gli atomi che reagiscono c è una forte differenza di elettronegatività l atomo più elettronegativo può acquistare uno o più elettroni dall atomo meno elettronegativo. In questo caso si formano due ioni, di cariche opposte, che si attraggono tra loro.

3 Gli elementi molto elettronegativi (detti non metalli) sono quelli che acquistano facilmente elettroni diventando ioni negativi, mentre quelli con elettronegatività bassa, detti anche elettropositivi ( i cosiddetti metalli), tendono a cedere elettroni e a diventare ioni positivi. Per esempio, il Cl ha elettronegatività 3,0 mentre il Na ha 0,9: quando questi due elementi entrano in contatto interagiscono nel senso che il cloro acquista un elettrone dal sodio, diventando rispettivamente Cl - e Na +, che, in quanto di carica opposta, si attraggono elettricamente. Dunque, Na e Cl reagiscono facilmente tra loro perché uno cede elettroni, ma deve esserci chi li acquista e questa è la proprietà del Cl. In realtà la formazione di ioni non riguarda due soli atomi,ma molti milioni di atomi e perciò si forma un cristallo ionico all interno del quale ogni ione Cl - è attratto da uno ione Na + e viceversa. La formula bruta NaCl rappresenta l unità elementare del cristallo. Legame covalente Cosa succede quando si avvicinano due atomi con la stessa elettronegatività e quindi con la stessa tendenza ad acquistare elettroni? Non può esserci uno spostamento di elettroni e quindi la formazione di ioni, ma il legame si stabilisca lo stesso, con modalità diverse. Immaginiamo di avvicinare due atomi di idrogeno ( si ricordi che ha un solo elettrone e quindi per raggiungere per raggiungere la stabilità gliene occorre un altro): inizialmente prevale la forza di repulsione tra gli elettroni dei due atomi, ma ad un certo punto il nucleo positivo del primo attira l elettrone del secondo ( elettrone di cui ha bisogno per diventare stabile) e il nucleo positivo del secondo attira quello del primo (anch esso necessita di un altro elettrone per completare la sua configurazione esterna); la forza che ora tiene uniti i due atomi è il legame covalente.

4 In questo tipo di legame non è più possibile attribuire a ciascun atomo il proprio elettrone: la coppia di elettroni è condivisa. Poiché i due atomi hanno la stessa elettronegatività la coppia di elettroni sarà equidistante dai due nuclei, ma quando i due atomi hanno una certa differenza di elettronegatività la coppia di elettroni è spostata verso l elemento più elettronegativo. Nel primo caso il legame covalente è puro, nel secondo caso è polare. E il caso dell acqua. In questa molecola l O ha elettronegatività 3,5, mentre l H ha elettronegatività 2,1. La differenza di elettronegatività non è tale da far formare ioni ( e quindi un legame ionico ) ma costringe la coppia di elettroni condivisa a spostarsi verso l O. Le molecole tenute assieme da questi legami sono nel complesse neutre, ma polari, cioè gli elettroni non sono ugualmente distribuiti al suo interno, ma sono addensati verso l atomo con elettronegatività maggiore. La più importante molecola polare è l acqua. Legame idrogeno Quando un atomo di idrogeno è legato covalentemente ad un atomo più elettronegativo ( F, O, N) gli elettroni di legami si spostano verso l atomo più elettronegativo e quindi sull idrogeno si localizza una parziale carica positiva; essa farà attrarre l idrogeno da una molecola con una parziale carica negativa: è detto anche ponte idrogeno in quanto l atomo di idrogeno si trova tra due atomi con residuo di carica negativa. Per esempio, nell acqua il legame covalente è polarizzato con un residuo di carica negativa (σ - ) sull ossigeno e un residuo di carica positiva sull idrogeno (σ + ). Quando due molecole di acqua si avvicinano le due polarità opposte si attraggono e l H viene a trovarsi ( fa da ponte) tra due atomi di O.

5 I legami idrogeno sono molto importanti in biologia in quanto sono deboli e quindi possono formarsi e rompersi con estrema facilità. O H H H O H Energia di legame Gli atomi possono unirsi con legami più o meno forti: è definita energia di legame quella energia necessaria a romperlo e separare i due atomi. Questa proprietà è fondamentale per i sistemi biologici perché l energia necessaria ai processi vitali è fornita appunto dalle molecole che scindendosi rendono disponibile l energia immagazzinata nel legame; più il legame è forte più energia è disponibile. Per esempio, la reazione di respirazione cellulare, che avviene in tutte le cellule, consiste nella demolizione del glucosio e successiva liberazione dell energia che è immagazzinata nei suoi legami con formazione di composti più semplici e meno ricchi di energia. Molecole inorganiche e molecole organiche Le molecole organiche sono quelle presenti negli organismi viventi e da essi sintetizzate; quelle inorganiche sono presenti nel mondo non vivente. Tuttavia questa distinzione non può essere così netta, infatti nei viventi troviamo anche una molteplicità di sostanze inorganiche ( si pensi all acqua e i Sali minerali degli scheletri) e,d altra parte, fuori dalla materia vivente possiamo ritrovare sostanze organiche ( lo zucchero che usiamo normalmente). Si può dire allora che la caratteristica distintiva fondamentale è il fatto che una molecola organica può essere costruita solo da un sistema biologico, usando sostanze inorganiche reperite in natura. I chimici che studiano la composizione della materia hanno scelto come criterio distintivo il fatto che le molecole organiche contengono atomi di carbonio ai quali sono legati atomi di H e di O, prevalentemente, ma che possono contenere anche altri elementi ( N,P,S ). Il Carbonio è un elemento chimico con numero atomico 6 e con la possibilità di formare 4 legami covalenti.

6 Tutta la materia dell universo è costituita da un centinaio di tipi di atomi, variamente legati fra loro a formare una moltitudine di molecole differenti; invece la materia vivente è costituita per oltre il 99% di soli 4 elementi: O,C, H e N. elemento Simb. Num. Atom. % appros. nella crosta terrestre % nel corpo umano Funzione nell organismo Ossigeno O 8 46,6 65,0 Respirazione. Costituente dell acqua. Silicio Si 14 27,7 tracce Alluminio Al 13 6,5 tracce Ferro Fe 26 5,0 tracce Componente dell emoglobina Calcio Ca 20 3,6 1,5 Componente di ossa e denti. Interviene nella contrazione muscolare. Sodio Na 11 2,8 0,2 Principale ione positivo all esterno della cellula. Importante nella funzione nervosa (trasmissione stimoli) potassio K 19 2,6 0,4 Principale ione positivo della cellula. Importante nella funzione nervosa (trasmissione stimoli) Magnesio Mg 12 2,1 0,1 Componente importante di enzimi che trasferiscono energia. Idrogeno H 1 0,14 9,5 Trasportatore di elettroni. Componente dell acqua e di molte molecole organiche. Fluoro F 9 0,07 Tracce Fosforo P 15 0,07 1,0 Componente degli acidi nucleici. Carbonio C 6 0,03 18,5 Componente di tutte le molecole organiche. Zolfo S 16 0,03 0,3 Componente di proteine. Cloro Cl 17 0,01 0,2 Principale ione negativo all esterno della cellula. Rame Cu 29 0,01 Tracce Componente di molti enzimi. Azoto N 7 tracce 3,3 Componente di tutte le proteine e degli acidi nucleici. Boro B 5 tracce Tracce cobalto Co 27 tracce Tracce Zinco Zn 30 tracce Tracce Componente di alcuni enzimi. Molibdeno Mo 42 tracce Tracce Componente di alcuni enzimi. Stagno Sn 50 tracce Tracce iodio I 53 tracce Tracce Componente dell ormone tiroideo.

7 UNITÁ DIDATTICA N 2 LE MOLECOLE ORGANICHE CONTENUTI Le molecole organiche che compongono gli organismi viventi sono dette anche biomolecole, esse sono piuttosto grandi e spesso hanno una struttura polimerica. Gruppi funzionali Le molecole organiche sono costituite da uno scheletro, lineare o ad anello, più o meno ramificato, di atomi di carbonio, al quale si legano gruppi di atomi detti gruppi funzionali che determinano le caratteristiche, la solubilità e il comportamento chimio-fisico delle molecole. Le varie famiglie nelle quali sono raggruppati i composti organici si caratterizzano per il gruppo funzionale, esso è come un marchio di riconoscimento; per esempio tutti gli acidi organici hanno un gruppo funzionale formato da 1C 2O e 1 H così sistemati: O R C O H Con il simbolo R si indica la catena laterale quella parte della molecola, cioè, variabile.

8 Monomeri e polimeri Il monomero è una sola molecola, mentre il polimero è la ripetizione di molti monomeri che possono essere tutti uguali o diversi. Un polimero è come un treno i cui vagoni rappresentano i monomeri. Il più classico esempio è rappresentato dallo zucchero glucosio, che è una singola molecola formata da 6 atomi di carbonio cui sono legati O e H, quando migliaia di queste molecole si uniscono tra loro i forma l amido. Le subunità si collegano l una all altra quasi sempre con il medesimo tipo di legame, mediante reazioni dette di condensazione: un atomo di idrogeno di un gruppo funzionale e un ossidrile ( un gruppo -OH) condensano tra loro con un legame covalente per formare una molecola di acqua, contemporaneamente si legano le due subunità con i legami rimasti liberi dopo l abbandono dell idrogeno e dell ossidrile. La reazione opposta è l idrolisi, con essa l ossidrile e l idrogeno di una molecola d acqua scindono i legami fra le subunità e si legano ai legami rimasti liberi ricostituendo le due molecole intere. Le principali categorie di molecole organiche di importanza biologica sono: gli zuccheri, i grassi, le proteine e gli acidi nucleici. Zuccheri Sono detti anche glucidi o carboidrati e raggruppano composti con molecole di varie dimensioni e complessità. Alcuni sono zuccheri semplici, in quanto sono formati da una sola molecola, altri sono dei polimeri formati dalla condensazione di molti monomeri. Monosaccaridi Sono formati da una sola molecola. I più importanti sono molecole formate da 5 o 6 atomi di carbonio con un gruppo funzionale aldeidico o chetonico.

9 Esempio: Sciogliendosi in acqua la catena si chiude su se tessa formando un anello. Il glucosio può essere considerato il più importante dei monosaccaridi, esso viene sintetizzato dagli organismi autotrofi a partire da acqua, anidride carbonica ed energia (fotosintesi). Il glucosio viene poi trasformato in molti altri composti attraverso i metabolismi delle cellule vegetali, successivamente, attraverso la catena alimentare anche gli animali potranno avere a disposizione questi composti. Esso non è soltanto la molecola di partenza di molti composti, ma è anche la molecola energetica fondamentale dalla quale le cellule ricavano energia per tutte le loro attività: infatti nei legami covalenti degli atomi che lo costituiscono è immagazzinata energia che si rende disponibile in seguito alla demolizione del glucosio stesso. Disaccaridi Sono formati dalla condensazione di due molecole di monosaccaride.

10 Il più comune è il saccarosio, il comune zucchero da cucina. Il maltosio si forma dalla degradazione dell amido di cereali come orzo, malto, ecc. che vengono usati per la fabbricazione della birra. Il lattosio è il tipico zucchero del latte. Precisamente: SACCAROSIO = GLUCOSIO+FRUTTOSIO MALTOSIO = GLUCOSIO+GLUCOSIO LATTOSIO = GLUCOSIO+GALATTOSIO Polisaccaridi Sono formati dalla condensazione di molte subunità di monosaccaridi. I più importanti sono i polimeri del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio. H O H C OH 1 HO C H 2 H C OH 3 H C OH 4 H C OH 5 C 6 H 2 OH Il legame tra due molecole di glucosio può essere di due tipi a seconda della posizione degli ossidrili (-OH) interessati rispetto al piano della molecola: il legame si indica con la lettera α se entrambi gli ossidrili si trovano sotto il piano della molecola; se invece i due ossidrili si trovano uno sopra e l altro sotto il piano della molecola il legame viene detto β. Inoltre viene indicato il numero del carbonio interessato al legame.

11 L'amido. L'amido rappresenta la più importante sorgente alimentare per l'uomo nel mondo. Esso è contenuto negli organi di riserva delle piante (semi, tuberi); dalle stesse viene elaborato con la fotosintesi clorofilliana utilizzando l'acqua del terreno e l'anidride carbonica dell'aria. L'amido si presenta come una polvere bianca, inodore, insipida, insolubile in acqua fredda, con la quale dà una sospensione. In acqua calda, invece, i granuli si rigonfiano per assorbimento ed infine scoppiano dando una dispersione colloidale gelatinosa. È interessante notare che i granuli di amido di cereali diversi visti al microscopio appaiono con forme diversificate e caratteristiche delle varie specie cui appartengono. Questo fatto è utile nell'analisi delle frodi su farine e derivati. Le differenti forme dei granuli di amido derivano dal fatto che esso è costituito da due componenti: l'amilosio e l'amilopectina. Hanno composizione chimica identica, essendo entrambi formate da molecole di glucosio, tuttavia differiscono enormemente nella configurazione spaziale e nel numero dì molecole costituenti. L'amilosio è la frazione dell'amido che possiamo definire lineare: è formato da molecole di glucosio con legami α (1-4) distribuite nello spazio a guisa di spirale. La molecola dell'amilosio è anche la frazione più piccola essendo formata da meno di 500 molecole di glucosio (in media 300). È insolubile in acqua. L'amilopectina è la frazione ramificata dell'amido ed anche la più complessa in quanto le molecole di glucosio in una molecola di amilopectina possono essere anche qualche migliaio. Esse sono legate come nell'amilosio con legami α (1-4),tranne che nei punti delle ramificazioni ove avvengono legami

12 α (1-6). E avidissima di acqua nella quale forma geli a freddo. Studi recenti hanno evidenziato che le ramificazioni nell' amilopectina avvengono mediamente ogni 25 molecole di glucosio. Poiché la quantità reciproca dei due componenti dipende esclusivamente dal gene della pianta che sintetizza l'amido, ogni specie vegetale contiene amidi con diverse percentuali di amilosio e di amilopectina. Ciò conduce a forme di granuli diverse, come si è detto sopra, ed anche a caratteristiche fisiche leggermente differenti tra amido e amido, come l'aspetto, l'uniformità, il potere assorbente. Il glicogeno. Gli organismi viventi dispongono sovente di una quantità di glucosio superiore al suo fabbisogno, una parte di esso viene accantonata nel fegato e nei muscoli sotto forma di glicogeno. Per questa caratteristica di fungere da deposito, il glicogeno viene anche definito come amido animale. La molecola del glicogeno è costituita da un gran numero di molecole di glucosio con legame α (1-4). L'andamento strutturale della molecola è simile a quella dell'amilopectina, con la differenza nel numero delle ramificazioni. L'intervallo di ramificazione (cioè il numero di molecole di glucosio tra due ramificazioni consecutive) nel glicogeno ha un valore medio di 15. La cellulosa. Anche se formata dalla stessa unità-base (il glucosio), la cellulosa si differenzia nettamente dall'amido e dal glicogeno. Infatti, essa ha funzione strutturale o di sostegno nel mondo vegetale, costituendo le pareti delle cellule e le fibre vegetali. L'andamento strutturale della molecola della cellulosa somiglia a quello dell'amilosio, con la differenza insita nel tipo di legame. Infatti, nella molecola della cellulosa - costituita mediamente da unità di glucosio - si hanno legami β (14). La presenza di questo tipo di legame nella cellulosa costituisce un handicap per l'uomo (e per gli animali carnivori) in quanto il suo apparato digerente non è provvisto dell'enzima

13 (cellulasi) capace di compierne l'idrolisi cioè di digerirlo. Ciò porta alla mancata utilizzazione della cellulosa ai fini nutritivi (non essendo possibile l'estrazione del glucosio ai fini di un utilizzo energetico). Tuttavia in questi ultimi anni è stata riconosciuta l'importanza dell'assunzione di alimenti ricchi in cellulosa per la sua azione di stimolo sulla peristalsi intestinale. Lipidi Detti anche grassi. Di origine animale o vegetale sono insolubili in acqua perché sono formati da lunghe catene costituite da atomi di carbonio e idrogeno. Non sono polimeri. I lipidi sono divisi in diverse categorie a seconda della loro composizione; i più semplici sono gli acidi grassi, lunghe catene che ad una estremità hanno il gruppo funzionale carbossilico. Es.: COOH CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 Acido palmitico ( con 16 atomi di carbonio) COOH CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 Acido oleico (con 18 atomi di carbonio)

14 La condensazione di tre molecole di acidi grassi con il glicerolo, un alcool a tre atomi di carbonio, porta alla formazione dei trigliceridi, la classe dei lipidi più diffusa. Un grasso può essere saturo o insaturo, dipende dal numero di doppi legami presenti nell acido grasso: se non ci sono doppi legami sono saturi e sono generalmente solidi; se ci sono uno o più doppi legami sono insaturi e a temperatura ambiente sono liquidi perché la presenza di doppi legami causa il ripiegamento delle catene determinando un minor addensamento delle molecole lipidiche. In genere i grassi hanno funzione di riserva, quelli saturi negli animali e quelli insaturi nei semi ( esempio nelle olive). Nei fosfolipidi una molecola di acido grasso è sostituita da una di acido fosforico; la sua presenza conferisce alla molecola la caratteristica di essere amfipatica, di avere, cioè, una parte idrofila, la testa, formata da fosfato e glicerolo ( che ha affinità per l acqua) e una parte idrofoba, le catene di acido grasso, ( che respinge l acqua). Ciò rende i fosfolipidi importanti per le membrane biologiche infatti in un ambiente acquoso queste molecole si dispongono in un doppio strato in modo da avere le teste rivolte verso l ambiente acquoso e le code isolate nello spessore della membrana. Altri lipidi di notevole importanza biologica sono gli steroidi, esempio il colesterolo e alcuni ormoni.

15 Proteine Le proteine sono i principali componenti organici delle cellule; esse sono dei polimeri costituiti dalla condensazione di circa 20 tipi diversi di monomeri detti aminoacidi (abbreviazione: a.a.). Un a.a. ha due gruppi funzionali, come dice il nome: un gruppo amminico e un gruppo carbossilico. COOH H 2 N C H R I gruppi variabili dei diversi tipi di aminoacidi Gli a.a. si legano fra loro con una reazione di condensazione che porta alla formazione di un legame covalente detto peptidico. L unione di 2 a.a. forma un dipeptide, di 3 un tripeptide, numerosi a.a. formano un polipeptide. Nelle proteine si riconoscono 4 livelli di organizzazione. La struttura primaria è la sequenza dei diversi a.a.

16 È una catena lineare e non ha funzioni se non raggiunge i successivi livelli di organizzazione. Struttura primaria La struttura secondaria è rappresentata dall avvolgimento o ripiegamento della catena primaria;ciò è dovuto allo stabilirsi di legami idrogeno fra i gruppi laterali dei vari a.a. Per esempio la cheratina dei capelli è avvolta ad elica, mentre la seta è ripiegata come un foglietto a ventaglio. Struttura secondaria Con la struttura terziaria la proteina assume una forma tridimensionale ed è funzionante. Struttura terziaria Come sempio si riporta la struttura dell insulina

17 Molte proteine hanno anche una struttura quaternaria che consiste nell assemblaggio di più molecole di polipeptide; la più nota è l emoglobina formata da 4 catene, uguali a due a due e tenute insieme da un gruppo eme. Struttura quaternaria La grande diversità di strutture possibili per le proteine è alla base delle molteplici funzioni che queste svolgono negli organismi, come per esempio la funzione enzimatica che controlla lo svolgersi delle innumerevoli reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo cellulare. Altre proteine hanno funzioni strutturali formando l impalcatura delle cellule. Altre vengono usate come riserva di energia e materiali (albumina e caseina), altre come trasportatrici ( emoglobina),altre ancora per il movimento ( proteine muscolari); anche molti ormoni sono di natura proteica. I responsabili delle strutture secondaria, terziaria e quaternaria sono legami idrogeni che possono rompersi facilmente, per esempio per effetto della temperatura o di un ambiente acido, determinando la cosiddetta denaturazione della proteina che la rende non funzionante. Acidi nucleici Essi sono responsabili di tutte le caratteristiche dei sistemi viventi: controllano le attività cellulari attraverso la sintesi delle proteine e permettono la trasmissione dei caratteri ereditari. Sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi. Ci sono due tipi di acidi nucleici: il DNA e l RNA i cui nucleotidi differiscono per poco. Ogni nucleotide è formato da una base azotata, uno zucchero e un gruppo fosfato. Le basi azotate sono cinque: adenina, timida, guanina, citosina nel DNA, mentre nell RNA a

18 posto dell adenina troviamo l uracile. Lo zucchero è un pentoso, il ribosio nell RNA e il desossiribosio nel DNA. La molecola del DNA è una doppia elica formata da due filamenti appaiati. Ogni filamento è formato dalla sequenza di nucleotidi che si risultano legati dal fosforo di un nucleotide con lo zucchero del nucleotide successivo: così si forma uno scheletro invariabile, formato dalla ripetizione alternata di uno zucchero e di un gruppo fosfato, a cui sono legate le basi in modo estremamente variabile a determinare la sequenza di basi responsabile della diversità dei geni ( un gene è un pezzo di DNA che contiene le informazioni per un carattere). Infine due filamenti si accoppiano attraverso legami idrogeno fra le basi di un filamento e quelle di un altro: il legame non è, però, casuale, ma le basi si uniscono a coppie l adenina di un filamento con la timida dell altro e la citosina con la guanina, questo perché le molecole sono complementari. Si forma così una specie di scala a pioli che si avvolge su se stessa ottenendo la conformazione a spirale. La molecola dell RNA differisce per non essere doppia e per avere l uracile a posto della timida e il ribosio a posto del desossiribosio. Una delle caratteristiche più importanti della molecola del DNA è la sua capacità di autoduplicarsi: i legami idrogeni che tengono uniti i due filamenti si rompono facilmente e ogni filamento può fungere da stampo per la sintesi un altro filamento ad esso complementare.

19 Le due molecole di nuova sintesi sono uguali tra di loro e alla molecola madre che non esiste più. Ogni molecola figlia è formata da un filamento vecchio e da uno di nuova sintesi: la duplicazione è semiconservativa.