Il complesso processo di duplicazione del DNA e il ruolo degli enzimi

Funzione del DNA

Il DNA di una cellula contiene le informazioni che servono al suo funzionamento e alla sua regolazione.

Si tratta di una delle funzioni del DNA, legata alla necessità del nostro organismo di trasmettere il patrimonio genetico--> di fatto la sua trasmissione si ha attraverso la sua replicazione/duplicazione.

Duplicazione del DNA

Ogni volta che una cellula si divide per mitosi il suo DNA viene prima duplicato. Questa funzione avviene in un momento specifico del ciclo cellulare: la fase S= durante la fase di sintesi il DNA si duplica (non significa che da n diventa 2n -passaggio a diploide-, perché la cellula somatica stessa ha patrimonio 2n già dal momento in cui si forma lo zigote- n+n-)=il cromosoma costituito da un cromatidio—>diventa un cromosoma costituito da due cromatidi fratelli.

Questi cromatidi fratelli trasmettono ciascuno le stesse informazioni genetiche, che poi vengono trasmesse alle cellule figlie= entrambe le cellule figlie ricevono una copia identica del DNA.

Il DNA si duplica nei suoi geni (porzione di DNA che codifica, esprime un carattere, ovvero una proteina) e negli introni (Il DNA/genoma umano è formato da milioni di basi azotate, ma questa sequenza non è tutta codificante=ci sono parti del DNA che non portano alla formazione di una proteina-non sono geni- e ancora la loro funzione non è chiara).

Processo di duplicazione

La duplicazione è detta semiconservativa perché ogni filamento parentale di DNA (ottenuto dalla cellula madre che prima si era divisa) funziona da stampo per una nuova molecola=un filamento nuovo di DNA, che si va ad appaiare a formare un'elica-->si generano due molecole di DNA che contengono quindi un filamento vecchio parentale (conservato) e uno ex novo.

Nel momento in cui la duplicazione sarà poi avvenuta e quindi la cellula andrà in mitosi, le cellule figlie riceveranno patrimonio genetico formato da singoli cromatidi, portatore dei filamenti vecchi-parentali- e nuovi-originati dalla duplicazione-.

Origini di duplicazione

Prima che inizi la sintesi i filamenti di DNA (cromatidi) si separano e si forma una bolla di duplicazione. La bolla si forma, lungo il DNA, in corrispondenza di punti precisi detti origini di duplicazione. Nel genoma umano ci sono circa 10mila origini di duplicazione.

Il processo inizia contemporaneamente in più punti ed è così molto più rapido, all’incirca ci vuole un’ora affinché si duplichi. =se ci fosse un unico punto da cui parte la duplicazione, ci vorrebbero 800 ore affinché il DNA piano piano si duplichi.

Le bolle di duplicazioni diventano sempre più grandi fino a fondersi=ovvero si arriva alla situazione in cui i filamenti vengono separati e si ottengono due copie del DNA di partenza.

Le sue estremità sono dette forcelle di duplicazione=esse si muovono in direzioni opposte (un filamento si separa andando in direzione verso l’alto- 5’ 3’-, l’altro filamento in direzione verso il basso 3’5’) ampliando, la bolla-------> ciò si deve al fatto che si forma la bolla e che la DNA polimerasi agisce in una sola direzione.

Nel frattempo sui filamenti stampo non appaiati (si stanno separando) avviene la sintesi dei nuovi filamenti. Completati la sintesi il DNA si riavvolge ad elica.

Ruolo delle proteine ed enzimi

Il processo di duplicazione avviene grazie all’azione di numerosissime proteine ed enzimi. Queste si muovono lungo i filamenti e non viceversa (si muovono le proteine, il DNA sta fermo).

L’enzima elicasi svolge la doppia elica e rompe i legami ad idrogeno e le interazioni idrofobiche che tengono uniti i due filamenti di DNA. In questi punti si vengono a creare le forcelle delle bolle di duplicazione=questo perché sono punti deboli, e ce ne sono migliaia nel DNA: sono punti con elevate concentrazioni di sequenza di adenina e timina.

Una serie di proteine dette single strand binding proteins si legano ai filamenti per impedire che questi si riassocino fra di loro e si riformi la doppia elica= di fatto per la complementarietà tra i filamenti questi hanno la tendenza di attrarsi. Agiscono come dei divaricatori, per cui una volta iniziata la duplicazione vera e propria non servono più.

Sintesi dei nuovi filamenti

A questo punto può iniziare la copiatura che avviene contemporaneamente sui due filamenti separati=complementari e hanno orientamento opposto.

Il loro orientamento ha effetto sul meccanismo di duplicazione, diverso nei due casi.

Un gruppo di enzimi, detti nel complesso DNA polimerasi, è responsabile della sintesi (crea il polimero) dei nuovi filamenti. La DNA polimerasi, però, non è in grado di sintetizzare un filamento dal nulla, può solamente aggiungere nucleotidi ad un filamento preesistente: mette insieme acidi nucleici al filamento già esistente attraverso legami fosfodiesterici.

Ruolo della RNA primasi

Perciò è necessario l’intervento di un enzima specifico:

l’RNA primasi, che sintetizza un breve filamento di RNA (il fatto che si parli di RNA nel contesto del DNA non deve preoccupare, perché al posto della timina essa è sostituita dall’uracile) complementare allo stampo=questo frammento è detto primer---->Ad esso la DNA polimerasi aggiunge nucleotidi del nuovo filamento di DNA. Costituisce di fatto una sorta di iniziatore della sintesi del filamento ex novo.

L’ultimo nucleotide del primer, ad esempio adenina, ha sullo zucchero (ribosio) un gruppo ossidrile in posizione 3’, questo gruppo reagisce con il gruppo fosfato in posizione 5’ dello zucchero legato al nucleotide che viene aggiunto=>sii forma un legame fosfodiesterico. (si perde una molecola di H2O, e anche due atomi di fosforo legati tra loro e aggiunti dall’intervento dell’ATP). Risolve il problema che il desossiribosio non ha un gruppo ossidrile in posizione 3, solo un H=avere un Oh a disposizione è condizione necessaria affinché avvenga la duplicazione.

La reazione si ripete ogni volta che viene aggiunto un nucleotide e solo in una direzione.

Sintesi discontinua e frammenti di Okazaki

Poiché la DNA polimerasi può aggiungere nucleotidi in direzione 5’3’ ma non viceversa, la forcella di duplicazione è asimmetrica e i nuovi filamenti vengono assemblati in modo diverso=sono antiparalleli di fatto---> questo causa che un filamento, quello in direzione 3’5’, viene sintetizzato di maniera discontinua, quindi più lentamente.

Solamente uno dei filamenti, detto filamento guida o veloce, viene infatti sintetizzato in modo continuo. L’altro filamento parentale è replicato in modo discontinuo e la sua copia è detto filamento in ritardo/ lento-------->su questo stampo la primasi sintetizza ogni volta un primer, e da questo la DNA polimerasi sintetizza in direzione 5’3’ un tratto di DNA. Questi filamenti sono chiamati frammenti di Okazaki e negli eucarioti sono lunghi circa 100/200 nucleotidi.

Breve frammento di DNA sintetizzato attraverso la catalizzazione della DNA polimerasi da parte del filamento lento e da un primer di RNA--> questi frammenti vengono poi uniti a formare il filamento in ritardo.

Unione dei frammenti di DNA

I primer, che sono sequenze di RNA vengono sostituiti da sequenze identiche di DNA, sintetizzate da un enzima della classe delle DNA polimerasi--> l’RNA non può rimanere, poiché non viene trascritto/riconosciuto in seguito.

Una DNA ligasi, infine, unisce i frammenti di DNA neo sintetizzati, creando man mano un filamento di DNA unico. Agisce quando la polimerasi si ferma e le forcelle con i loro primer si incontrano---> può legare i nucleotidi.