Il complesso processo di duplicazione del DNA e le sue implicazioni

Prima di dividersi - per scissione binaria, mitosi o meiosi - ogni cellula deve duplicare il suo intero-genoma, cioè tutto il materiale genetico in essa contenuto. Il genoma può essere organizzato in uno o più cromosomi, ossia singole molecole di DNA compattate da particolari proteine. Potremmo paragonare tutto questo materiale genetico cellulare a un insieme di libri di cucina (i cromosomi), che contengono ricette (i geni) per la sintesi di decine di migliaia di proteine. Durante la duplicazione del DNA, la cellula copia tutta questa informazione, lettera dopo lettera . Questa modalità di duplicazione, è definita semiconservativa, perché ogni nuova doppia elica di DNA conserva un filamento della molecola originale. Ricordiamo che il DNA è un acido nucleico a doppio filamento. Ognuno dei due filamenti della doppia elica è composto da nucleotidi uniti dai legami a idrogeno che si instaurano fra le basi azotate: adenina (A) si appaia alla sua base complementare, la timina (T); la citosina (C) si combina con la guanina (G).

Struttura e scoperta del DNA

Quando James Watson e Francis Crick riuscirono a individuare la struttura del DNA, si resero conto di avere scoperto anche la chiave per la sua duplicazione. Nell'articolo in cui descrissero la loro intuizione, affermarono: «Non è sfuggito alla nostra attenzione che gli appaiamenti specifici da noi postulati suggeriscono immediatamente un possibile meccanismo di copiatura del materiale genetico. I due ricercatori immaginavano che il DNA venisse srotolato in singoli filamenti, esponendo basi non appaiate che avrebbero attratto le loro basi complementari, guidando così la sintesi di due doppie eliche.

Processo di duplicazione del DNA

Il DNA non si duplica da solo: una schiera di enzimi copia l'intero genoma poco prima che la cellula si divida. Questi enzimi lavorano simultaneamente in centinaia di punti e origini di replicazione, su ciascuna molecola di DNA . È un processo equivalente a dividere i fogli di un documento da copiare su più fotocopiatrici, facendole funzionare tutte allo stesso tempo. Grazie a questa divisione del lavoro, copiare i miliardi di nucleotidi dei 46 cromosomi di una cellula umana richiede solo 8-10 ore.

Mutazioni e correzione degli errori

La duplicazione del DNA è molto accurata. Come per la correzione delle bozze di un libro, anche durante la sintesi delle nuove sequenze di nucleotidi esistono diversi sistemi di controllo che riducono la percentuale di errore a un nucleotide errato su un miliardo. Speciali enzimi riparatori assicurano l'accuratezza della duplicazione eliminando e sostituendo i nucleotidi non corretti. Nonostante i sistemi di controllo, però, a volte alcuni errori rimangono. Il risultato è una mutazione, ovvero un cambiamento nella sequenza del DNA della cellula.

Energia nella duplicazione del DNA

Per continuare con l'analogia del libro di cucina, una mutazione è equivalente a un refuso rimasto in una delle ricette. La duplicazione del DNA richiede un forte investimento di energia, dato che una grande molecola di acido nucleico conti ne molta più energia potenziale di quanto risieda nei singoli nucleotidi. L'energia è necessaria per sintetizzare i nucleotidi c per creare i legami covalenti che li assemblano nel nuovo filamento di DNA. Inoltre, molti degli enzimi che partecipano alla duplicazione del DNA richiedono energia sotto forma di ATP per catalizzare le loro reazioni.