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Duplicazione del DNA ed errori

La struttura del DNA è fondamentale per la sua funzione, soprattutto per la duplicazione. I due filamenti dell'elica vengono divisi e un gruppo di enzimi abbina i corretti nucleotidi per la sequenza di duplicazione. La duplicazione segue quindi un modello semi conservativo, perché ogni filamento duplicato possiede metà del filamento madre.

Il processo è incredibilmente veloce e accurato, inizia in numerosi punti di apertura del DNA, chiamati punti di origine della duplicazione. Il DNA viene aperto da un enzima chiamato Elicasi e la duplicazione procede in due direzioni, all'apertura di una bolla di duplicazione, il processo può avvenire in varie zone simultaneamente. I nucleotidi corretti sono abbinati da un enzima, la DNA Polimerasi, essa non è in grado di iniziare la sintesi, può soltanto allungare un filamento esistente. A causa di ciò, un altro enzima, la Primasi, sintetizza una breve molecola di RNA, detta Primer, che costituisce l'innesco per la DNA Polimerasi, e verrà sostituita alla fine della duplicazione. Le DNA Polimerasi possono copiare solamente in direzione 5'→ 3' della posizione degli atomi di carbonio degli zuccheri. Con l'aggiunta di un nucleotide viene formato un nuovo legame covalente tra il gruppo fosfato del nuovo nucleotide e l'estremità 3' del filamento preesistente. Il gruppo fosfato viene smontato per formare una riserva di energia, utilizzata nell'assemblaggio del nucleotide.

A causa della direzione obbligatoria della DNA Polimerasi, la duplicazione procede su due filamenti di stampo, un filamento veloce e uno lento.
Il filamento veloce necessita della creazione di un solo Primer, come innesco per la DNA Polimerasi, e poi procede in modo continuo applicando i nucleotidi.
Il filamento lento, invece, essendo contro la direzione 5'→ 3' necessita della duplicazione di un frammento alla volta e della creazione di più Primer. I vari filamenti separati, detti frammenti di Okazaki, vengono infine uniti da un enzima detto DNA Ligasi. Ogni bolla presenta quindi in modo alternato due zone di duplicazione lenta e due di duplicazione veloce.

La duplicazione, per quanto veloce e precisa, presenta sempre qualche errore, generalmente uno su 100.000. Nella maggior parte dei casi viene immediatamente corretto dalla DNA Polimerasi, ma in una piccola percentuale dei casi, l'errore sfugge, e intervengono altri enzimi per la correzione, tra cui altre DNA Polimerasi e DNA Ligasi. Le modifiche del DNA possono anche essere dovute all'azione di agenti fisici esterni, per questo è importante l'intervento degli enzimi prima che avvenga una mutazione, per permettere a tutti i cromosomi somatici di un individuo di essere identici e trasmissibili alle generazioni successive.

Un'altra conseguenza della direzione obbligatoria della DNA Polimerasi è che l' estremità 5' dei filamenti non viene mai duplicata, ad ogni duplicazione i filamenti di DNA diventano così leggermente più corti. Il problema è risolto da un ampio tratto di DNA, detto Telomero, presente alle estremità di ogni filamento. La sua sequenza non ha alcun significato, ma la sua funzione è quella di essere rimosso piano piano, in modo da non compromettere l'informazione contenuta nel DNA. Esiste un enzima, la Telomerasi, che ripristina la lunghezza originaria del Telomero durante il passaggio da una generazione all'altra che agisce nelle cellule germinali.

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