Concetti Chiave
- La duplicazione del DNA è semiconservativa, richiedendo nucleotidi trifosfati, un DNA preesistente, un complesso di duplicazione, primer e proteine per il processo.
- Il complesso di duplicazione catalizza le reazioni necessarie, con l'enzima elicasi che separa i filamenti e le proteine SSB che prevengono la riassociazione.
- Le forcelle di duplicazione si formano all'origine della duplicazione, permettendo al DNA di duplicarsi in entrambe le direzioni, con una velocità di 50 basi al secondo negli esseri umani.
- Le DNA polimerasi allungano i filamenti aggiungendo nucleotidi all'estremità 3', sintetizzando il filamento veloce in modo continuo e il filamento lento tramite frammenti di Okazaki.
- I telomeri, sequenze ripetitive alle estremità dei cromosomi, proteggono dall'accorciamento durante la duplicazione; la telomerasi li mantiene in alcune cellule, importante per la ricerca su cancro e invecchiamento.
Indice
Sintesi del DNA
Come ipotizzato da Watson e Crick, Kornberg dimostrò che era possibile sintetizzare nuovo DNA con le stesse basi di quello di partenza. Usò i 4 nucleotidi desossiribonucleosidi trifosfati (dXTP), l’enzima polimerasi e il DNA stampo.
Non si sapeva ancora, però, se il modello di duplicazione fosse conservativo o semiconservativo (venne accertato nel 1958 ).
La duplicazione semiconservativa ha bisogno di: nucleosidi trifosfato (per la costruzione della nota molecola), DNA preesistente, del complesso di duplicazione, primer (innesco che indica il punto di partenza), proteine.
Fasi della duplicazione
Fase 1: degli enzimi despiralizzano la doppia elica e rompono i legami ad idrogeno tra le basi.
Fase 2: I nucleotidi si uniscono ai nuovi filamenti, aggiungendosi alle estremità 3’, seguendo i principi di complementarietà. L’enzima DNA polimerasi catalizza i legami fosfodiesterici.
Ruolo del complesso di duplicazione
Il filamento stampo di DNA interagisce con il complesso di duplicazione, che ha la funzione di catalizzare le reazioni e contiene le proteine necessarie.
La denaturazione dei filamenti avviene innanzitutto grazie all’enzima DNA elicasi. Successivamente le proteine leganti il singolo filamento (SSB) si legano ai filamenti svolti per impedire che si riassocino.
Il complesso di duplicazione si lega alla sequenza di basi del DNA detta origine della duplicazione (ori).
Mentre scorre attraverso il complesso (che rimane fermo) i DNA si svolge in due forcelle di duplicazione, duplicandosi in entrambe le direzioni. I due filamenti singoli agiranno da stampo.
Funzionamento delle polimerasi
Nell’uomo le polimerasi lavorano ad un ritmo di 50 basi/secondo, rallentate anche dalla lunghezza dei cromosomi (80 milioni di basi).
Gli enzimi della classe DNA polimerasi sono grandi molecole con forma di una “mano semiaperta”.
• Possono allungare un filamento legandovi in modo covalente i nuovi nucleotidi. Per farlo hanno necessità di un filamento di avvio, il primer, ovvero un breve filamento di RNA sintetizzato dall’enzima primasi. Una volta terminata la duplicazione sarà sostituito da DNA.
• Lavorano in un’unica direzione, aggiungendo nucleotidi all’estremità 3’. Il filamento che inizia così è sintetizzato in modo continuo (filamento veloce), l’altro invece (filamento lento) è sintetizzato a ritroso secondo brevi segmenti discontinui detti frammenti di Okazaki, che vengono poi uniti dal legame formato dall’enzima DNA ligasi.
Telomeri e telomerasi
Quando si forma un nuovo cromosoma per duplicazione, questo presenta alle estremità un pezzo di filamento singolo. I meccanismi che lo eliminano tagliano via anche una parte del doppio filamento, accorciando il cromosoma.
In molti eucarioti le estremità dei cromosomi presentano i telomeri, sequenze ripetitive che le mantengono stabili.
Il telomero umano è TTAGGG, è ripetuto 2500 volte e si esaurisce in 20/30 divisioni, portando la morte della cellula.
Esistono però cellule (staminali e produttrici di gameti) che grazie all’enzima telomerasi conservano il loro DNA telomerico. Per questo lo studio delle telomerasi è importante per la lotta contro cancro e invecchiamento cellulare.
Meccanismi di riparazione del DNA
È necessaria una replicazione fedele per il funzionamento delle cellule, ma il DNA può subire alterazioni dovute a varie cause, che hanno portato le cellule ad avere tre meccanismi di riparazione:
• La DNA polimerasi umana compie un errore ogni 10ˆ6 basi duplicate, avviene quindi una correzione di bozze che corregge gli errori durante il processo. Il tasso di errore cala a uno ogni 10ˆ9 basi.
• Dopo la duplicazione avviene la riparazione delle anomalie di appaiamento, che corregge eventuali appaiamenti errati.
• Se sono presenti basi anomale causate da agenti chimici e fattori esterni, la riparazione per scissione le sostituisce, anche durante il corso della vita della cellula.
Domande da interrogazione
- Qual è il modello di duplicazione del DNA confermato nel 1958?
- Quali sono le due fasi principali della duplicazione del DNA?
- Qual è la funzione del complesso di duplicazione nel processo di duplicazione del DNA?
- Come lavorano gli enzimi della classe DNA polimerasi durante la duplicazione del DNA?
- Qual è il ruolo dei telomeri nella duplicazione del DNA e perché sono importanti?
Il modello di duplicazione del DNA confermato nel 1958 è quello semiconservativo.
Le due fasi principali della duplicazione del DNA sono: 1) despiralizzazione della doppia elica e rottura dei legami a idrogeno, 2) unione dei nucleotidi ai nuovi filamenti seguendo i principi di complementarietà.
Il complesso di duplicazione catalizza le reazioni necessarie e contiene le proteine essenziali per la duplicazione del DNA, interagendo con il filamento stampo.
Gli enzimi della classe DNA polimerasi allungano un filamento legando nuovi nucleotidi all'estremità 3', lavorando in un'unica direzione e richiedendo un primer per iniziare.
I telomeri proteggono le estremità dei cromosomi dall'accorciamento durante la duplicazione, e sono importanti per la stabilità cellulare e la lotta contro il cancro e l'invecchiamento.
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