Complesso di duplicazione del DNA per cellule eucarioti e procarioti

Duplicazione semiconservativa del DNA

La duplicazione del DNA è detta “semiconservativa”: dai due filamenti di partenza (una doppia elica) se ne ottengono quattro in totale (due doppie eliche), di cui due sono i filamenti vecchi e due sono nuovi. Ogni doppia elica ottenuta sarà formata da un filamento vecchio e da uno nuovo, perciò è detta semiconservativa. Ogni filamento vecchio fa da stampo per la creazione di uno nuovo, sulla base del concetto di complementarietà delle basi azotate, a partire da una riserva di nucleotidi liberi disponibili che derivano dal cibo ingerito, vengono ricombinati e utilizzati dal nostro corpo.

Il filamento vecchio funge da stampo e il filamento nuovo che si ottiene è detto “filamento stampo”. Si ha così una molecola figlia di DNA.

Quali sono le differenze tra procarioti ed eucarioti?

La duplicazione del DNA si differenzia tra cellule procarioti e cellule eucarioti.

Procarioti: la duplicazione ha inizio in un solo punto della molecola di DNA (punto di origine), da cui poi si duplica tutto, proseguendo verso destra e verso sinistra.

Eucarioti: la duplicazione è contemporanea in più punti di origine. Si forma una bolla di duplicazione in cui i due filamenti della doppia elica iniziano a separarsi. Il punto dell’elica in cui inizia la separazione è detto forcella di duplicazione e assume una forma a y. Si forma una forcella ad ogni estremità, quindi a destra e sinistra della bolla, dove poi proseguirà la duplicazione. Le varie bolle diventano sempre più grandi, fino a fondersi. Unendosi il DNA si duplica e si ottengono due molecole figlie di DNA dalla molecola madre di partenza.

Enzimi coinvolti nella duplicazione

Per complesso di duplicazione si intende tutte le proteine e gli enzimi che entrano in gioco nella duplicazione del DNA.
Enzimi che si occupano della separazione della doppia elica:

Elicasi: apre la doppia elica e separa i due filamenti, creando la bolla di duplicazione.

SSB (single strand binding proteins): proteine destabilizzatrici dell’elica che ne impediscono la riformazione e unione dopo essere stata separata dalla elicasi. I due filamenti si unirebbero di nuovo a causa dei legami a idrogeno.

Toposimerasi: agisce al livello della forcella per impedire un super arrotolamento dei due filamenti, che rischierebbero la rottura.

Enzimi che si occupano della sintesi dei nuovi filamenti:

DNA-polimerasi (famiglia di enzimi): leggono il filamento di partenza (le basi azotate) e gli fanno arrivare le basi complementari, che vi si legano.

Primasi: inizia il lavoro che verrà poi proseguito dalle polimerasi (la polimerasi non è in grado di iniziare la duplicazione, ma solo di continuarla). Costruisce un piccolo segmento di RNA detto primer che dà inizio alla duplicazione e che in seguito verrà rimosso.

Polimerasi 1: rimuove il primer di RNA e lo sostituisce con un nucleotide di DNA.

Polimerasi 3: continua ad aggiungere nucleotidi (prosegue il lavoro soltanto iniziato dalla primasi) ed è in grado di correggere eventuali errori (1:100.000), disponendo della capacità di proof reading (correttore di bozze).

Direzione della duplicazione

La polimerasi, oltre a non essere in grado di dare inizio alla duplicazione, non è nemmeno in grado di attaccare nucleotidi al C5, ma li attacca solo al C3 del nucleotide precedente > la polimerasi è in grado di duplicare soltanto in una direzione, il filamento nella direzione opposta viene duplicato più lentamente e per frammenti, invece che in maniera continua.
La polimerasi 3 può aggiungere nucleotidi in direzione 3’ 5’ (rispetto al filamento di partenza), ma non in direzione 5’ 3’.

perciò la duplicazione avviene in due modi diversi. Il filamento veloce viene sintetizzato in modo continuo, l’altra copia del filamento parentale viene sintetizzato in modo discontinuo ed è detto filamento lento o ritardato > la primas sintetizza ogni volta un primer e da questo la dna polimerasi 3 sintetizza un tratto di DNA in direzione 5’ 3’, detto frammento di Okazaki. I vari frammenti vengono poi uniti a formare il filamento lento, mentre tutti i primer vengono sostituiti con nucleotidi di DNA dalla polimerasi 1.

Ligasi: salda i vari frammenti di Okazaki e filamenti nuovi per crearne uno unico.(basandosi sui filamenti di partenza) La polimerasi sintetizza nucleotidi in direzione 3’ 5’, ma non in direzione 5’ 3’. Per ovviare a questo suo limite la duplicazione prosegue comunque ma “in direzione opposta” (alla fine la duplicazione avviene nella direzione corretta, però i frammenti si dispongo orientati nel verso opposto, disponendosi l’uno in coda all’altro).

Seppure la DNA-polimerasi 1 si occupi di sostituire i primer, l’unico che non viene sostituito è l’ultimo, detto TELOMERO che, impossibile da sostituire, va perso. Un telomero va perso ad ogni duplicazione, perciò il numero di duplicazioni non è infinito, continua fino alla morte della cellula. I telomeri contengono un dna “speciale”, che non contiene geni, perciò la loro perdita non ha ripercussioni, ma le avrebbe se la cellula si riproducesse all’infinito, andando ad intaccare anche i geni. Fanno eccezione le cellule tumorali e embrionali, che riescono a riprodursi all’infinito contenendo un enzima detto telomerasi che è in grado ogni volta di ricostruire i telomeri.

Correzione degli errori e dimeri di timina

Come accennato, la polimerasi 3 ha la capacità di proof reading, ossia di individuare e correggere errori nel processo di duplicazione. Un errore relativamente frequente è la formazione di dimeri di timina, causati dall’energia dei raggi UV, che provocano la formazione di un doppio legame covalente tra le due timine, anziché due legami a idrogeno tra timina e adenina. A causa di questo doppio legame anomalo la doppia elica si storce, formando un’ansa. Interviene allora un enzima, la NUCLEASI a tagliare il filamento con il dimero, mentre la polimerasi 1 ricostruisce il filamento mancante e la ligasi salda i due filamenti. Questo meccanismo di riparazione è detto riparazione per scissione di base. Se ciò non avvenisse a causa di un malfunzionamento della polimerasi 1, i raggi UV causerebbero delle malattie cutanee.