Scoperta e struttura del DNA: contributi e meccanismi di duplicazione

Scoperta della struttura del DNA

Rosalind Franlin, nei primi anni '50, scoprì attraverso la cristallografia a raggi x la forma del DNA (anche chiamato acido deossiribonucleico). la cristallografia a raggi x produsse un'immagine diffranta del DNA, che suggerì alla biofisica inglese la struttura elicoidale del DNA. Anche Maurice Wilkins contribuì a questa importante scoperta grazie alla preparazione di campioni di DNA con fibre orientate in modo regolare. Dunque il DNA è un polimero costituito da nucleotidi, a loro volta formati da una molecola di zucchero ribosio, un gruppo fosfato e una base azotata (in tutto sono 4: le purine adenina e guanina e le pirimidine citosina e timina).

Contributi di Chargaff e Wilkins

il chimico Erwin Chargaff scoprì delle irregolarità nella struttura:

-la percentuale di nucleotidi è sempre uguale nel DNA di cellule provenienti da diversi tessuti dello stesso organismo

-la composizione del DNA non è influenzata da fattori esterni o dall'età

-il rapporto fra la percentuale delle purine A e G varia da una specie all'altra

-in tutte le specie la quantità di A è uguale alla quantità di T e la quantità di G è uguale a quella di C. Dunque, la quantità delle purine è uguale a quella delle pirimidine.

Modelli di Watson e Crick

watson e crick costruiscono modelli ridimensionali. i due scienziati, disponendo già delle informazioni fornite da Franklin e Chargatt, diedero una descrizione più esauriente e completa, affermando che la struttura del DNA è a doppia elica e che questo sia formato da due filamenti antipayalleli.

Caratteristiche fondamentali del DNA

le caratteristiche fondamentali del DNA sono:

-le catene complementari e antiparallele, dunque una in direzione 5'3' e l'altra nella direzione opposta 3'5'. ogni catena è formata da una sequenza di nucleotidi uniti mediante legami covalenti tra il gruppo fosfato legato al carbonio 5' di un nucleotide e l'ossigeno legato al carbonio in posizione 3' del nucleotide precedente. le due catene sono tenute insieme da legami ad idrogeno tra le basi, che sono rivolte verso l'interno; zuccheri e gruppi fosfati sono invece disposti verso l'esterno. l'appaiamento delle basi segue regole precise: A sempre con T, formando 2 legami ad idrogeno e C sempre con G, formando 3 legami ad idrogeno. questo schema prende il nome di complementarietà delle basi. i due filamenti sono quindi antipayalleli, cioè orientati in direzioni opposte. ogni catena presenta un'estremità, detta 5' e un gruppo fosfato (OPO). l'altra estremità, detta 3', presenta un gruppo ossidrile (OH). In una doppia catena l'estremità 5' corrisponde a quella 3'.

-i legami tra nucleotidi all'interno di ciascuna catena sono covalenti, mentre quelli che uniscono i filamenti appaiati sono ad idrogeno. i legami covalenti fra nucleotidi si formano per condensazione tra un gruppo ossidrile (OH) e uno del gruppo fosfato (OPO).

-l'elica ha diametro costante e avvolgimento destrogiro (verso dx). ha diametro costante perché AT e CG hanno la stessa lunghezza. l'avvolgimento crea un solco maggiore e uno minore.

Duplicazione del DNA

Duplicazione: Un requisito fondamentale che deve possedere il DNA è quello di aver la capacità di produrre copie esatte di sé stesso. la duplicazione del DNA avviene nella fase s del ciclo cellulare. nelle cellule somatiche, la duplicazione è seguita dalla mitosi, mentre nelle cellule gametiche, la duplicazione è seguita dalla meiosi. durante la duplicazione, i 2 filamenti si separano nel punto d'origine del processo. si forma una bolla di duplicazione che si propaga nelle 2 direzioni. la duplicazione viene quindi definita:

-bidirezionale, perché avviene in direzioni opposte rispetto al punto d'origine

-semiconservativa, perché al filamento vecchio si aggiunge un filamento nuovo

il meccanismo di duplicazione è molto rapido. la DNA polimerasi (protagonista del processo) è un enzima che catalizza l'effettiva sintesi del nuovo filamento e lavora in una sola direzione poiché aggiunge nucleotidi solo all'estremità 3' del filamento. quel'è la conseguenza? l'allungamento procede dunque in modo diverso sui 2 filamenti di DNA. L'estremità 3' procede in modo continuo, per questo viene chiamato filamento veloce. la sintesi dell'altro filamento, invece, procede in modo discontinuo e a ritrovo, operando su segmenti isolati. viene per questo motivo chiamato filamento lento. ciò accade perché il filamento lento punta nella direzione sbagliata, cioè la sua estremità 3' si allontana dal punto di apertura e dunque si forma uno spazio vuoto non duplicato. per risolvere il problema vengono prodotti frammenti di okazaki (sono brevi segmenti discontinui che sono sintetizzati per aggiunta di un nucleotide per volta all'estremità 3' del nuovo filamento).

Correzione degli errori nel DNA

Correzione errori: Il meccanismo di duplicazione è molto preciso, tuttavia non perfetto. la DNA polimerasi compie infatti molti errori, per la precisione avvengono circa 6000 mutazioni ogni volta che una cellula si divide. fortunatamente le cellule dispongono di 3 meccanismi di correzione:

-correzione di bozze --> si correggono gli errori a mano a mano che la DNA polimerasi li compie

-riparazione della anomalie di appaiamento --> esamina il DNA dopo esser stato duplicato e corregge eventuali errori

-riparazione per escissione --> rimuove le basi anomale con basi funzionali

Una volta che il DNA è stato duplicato, delle proteine esaminano ancora una volta la molecola appena formatasi, sostituendo per esempio le basi azotate appaiate male. durante la vita della cellula, questa è sempre sotto controllo grazie ad appositi enzimi, pronti a correggere errori.