Analisi dettagliata del DNA: duplicazione, struttura e correzione errori

Mappa concettuale del DNA: cosa è, dove si trova e quali funzioni ricopre

L’acido desossiribonucleico, meglio noto con la sigla DNA, è una macromolecola biologica contenente il patrimonio genetico di molti esseri viventi, tra cui l’uomo.

Al suo interno sono presenti tutte le informazioni necessarie allo sviluppo del nostro organismo. In particolare, è la sede dei geni: frammenti di DNA da cui originano le proteine, indispensabili alla vita.
Il DNA e è contenuto all’interno del nucleo di ogni cellula.
Si presenta sottoforma di doppia elica. Difatti, è un acido nucleico costituito da due filamenti di nucleotidi orientati in direzioni opposte, uniti mediante legami che lo costringono ad assumere la tipica forma a spirale.
I filamenti che compongono il DNA sono formati dal succedersi di nucleotidi. Il nucleotide è l’unità strutturale degli acidi nucleici ed è costituito da tre elementi uniti tra loro:

• Un gruppo fosfato
• Uno zucchero formato da 5 atomi di carbonio (deossiribosio)
• Una base azotata (adenina, guanina, citosina o timina)

Ogni nucleotide è unito al successivo grazie a lega a legami fosfodiesterici, tra il gruppo fosfato di un nucleotide e il "carbonio 5" dello zucchero del nucleotide successivo.
I due filamenti interagiscono, invece, grazie all’appaiamento tra basi azotate. Tale legame è specifico: l’adenina si unisce solo alla timina e la citosina si unisce solo con la guanina.
Il DNA, infine, si organizza in strutture complesse, dette cromosomi.
Per ulteriori approfondimenti sul DNA vedi qua

Duplicazione del DNA: come avviene

Le molecole di DNA presenti all'interno del nucleo cellulare umano sono tutte uguali tra loro, garantendo l’ereditarietà biologica. Ciò è possibile grazie al processo di duplicazione che inizia con la fecondazione: a partire da una molecola di DNA originale vengono prodotte due copie identiche di DNA. La duplicazione segue un modello semi conservativo, perché ogni filamento duplicato possiede metà del filamento madre.
Il processo di duplicazione è condotto da specifici enzimi e consiste di tre fasi:

1. Inizio
2. Allungamento
3. Fine

L’inizio della duplicazione è controllato dalle proteine iniziatrici. Esse individuano diversi punti di origine della duplicazione (sequenze ricche di adenina e timina) e richiamano altre proteine, formando il complesso pre-replicazione. Tale complesso richiama a sua volta le proteine Elicasi. Prende inizio così la divisione dei due filamenti che compongono il DNA, formando la bolla di duplicazione con due filamenti stampo separati. La sintesi dei nuovi filamenti avverrà in due direzioni, a partire dal punto di origine della duplicazione.
Interviene ora l’enzima Primasi che crea una sequenza Primer (breve molecola di RNA) come innesco per iniziare la replicazione. La DNA polimerasi provvede poi all’allungamento, cioè l’aggiunta progressiva di nucleotidi complementari a quelli presenti nei due filamenti stampo (seguendo le regole di appaiamento): viene unito il gruppo fosfato del nuovo nucleotide con l’estremità 3' del filamento preesistente, mediante un legame fosfodiesterico.
La polimerasi può agire solamente in direzione 5'→ 3' della posizione degli atomi di carbonio dello zucchero. Ciò causa velocità di duplicazione diverse sui filamenti. Il filamento veloce necessita della creazione di un solo Primer e poi procede in modo continuo applicando i nucleotidi. Il filamento lento, invece, essendo contro la direzione 5'→ 3' necessita della creazione di più Primer e della duplicazione di un frammento alla volta. I vari filamenti separati, detti frammenti di Okazaki, vengono infine uniti dall’enzima DNA Ligasi. Ogni bolla presenta quindi in modo alternato due zone di duplicazione lenta e due di duplicazione veloce.
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Duplicazione del DNA e Telomerasi

Alla fine della duplicazione del DNA la rimozione dell'innesco terminale del filamento lento lascia un’estremità 5’ libera, che non può essere mai duplicata dalla DNA polimerasi (in quanto la polimerasi opera solo in presenza di un’estremità 3’). L'estremità 5' dei filamenti, dunque, non viene mai duplicata e ad ogni duplicazione i filamenti diventano leggermente più corti. Il problema è risolto dalla presenza di Telomeri alle estremità di ogni filamento. Sono sequenze ripetute molte volte che, non avendo importanza, possono essere rimossi senza danno. Nelle cellule germinali e del midollo osseo sono è presente la Telomerasi, un enzima in grado di aggiungere unità telomeriche.
Per ulteriori approfondimenti sulla Telomerasi vedi qua

Errori nella duplicazione del DNA

La duplicazione, per quanto veloce e precisa, presenta sempre qualche errore (circa uno su 100.000). Possono essere errori di appaiamento delle basi o modifiche per agenti esterni. È importante l'intervento riparatorio immediato (prima che avvenga una mutazione), per permettere a tutti i cromosomi somatici di un individuo di essere identici e trasmissibili alle generazioni successive.
Nella maggior parte dei casi l’errore viene corretto immediatamente dalla DNA Polimerasi. Tuttavia, in una piccola percentuale dei casi, l'errore sfugge e si rende necessario l’intervento di altri enzimi. In particolare, esistono tre metodi di correzione degli errori:

• Correzione di bozze
• Riparazione di errato appaiamento
• Escissione

La correzione di bozze viene effettuata dalla DNA polimerasi che, durante l’allungamento del filamento, esegue un controllo immediato e, in caso di errore, retrocede fino a raggiungere il nucleotide appaiato correttamente che affianca quello errato. Dopodiché, sostituisce il nucleotide sbagliato e procede con l’aggiunta di quello corretto.
La riparazione di errato appaiamento viene eseguita da un insieme di enzimi diversi (tra cui un’altra DNA polimerasi) una volta terminata la duplicazione. Delle esonucleasi aprono una bolla, tagliano in un solo punto il filamento e rimuovono il nucleotide errato e quelli adiacenti. Una DNA polimerasi provvede poi a riempire gli spazi con nuovi nucleotidi. Una ligasi unisce infine i due monconi.

L’escissione riguarda gli errori dovuti ad agenti esterni (come la formazione di dimeri di timina) e avviene nel corso della vita di una cellula. Una endonucleasi taglia il DNA (entrambi i filamenti, nel punto in cui è presente la base errata), poi una esonucleasi rimuove la parte errata. Una DNA polimerasi aggiunge ora i nucleotidi mancati e, infine, una ligasi provvede a unire le due parti.
Per ulteriori approfondimenti sulla correzione degli errori di duplicazione del DNA vedi qua