Concetti Chiave
- La replicazione del DNA è un processo semiconservativo ad altissima precisione, con un tasso di errore finale di 1 su 10¹⁰ nucleotidi aggiunti.
- Enzimi chiave come la DNA polimerasi, l'elicasi e la DNA ligasi sono essenziali per la corretta separazione e unione dei filamenti di DNA durante la replicazione.
- La replicazione del DNA è asimmetrica: il filamento guida viene sintetizzato in modo continuo, mentre il filamento ritardato avviene in modo discontinuo tramite frammenti di Okazaki.
- Negli eucarioti, la presenza di origini multiple di replicazione accelera il processo di duplicazione del DNA.
- La telomerasi allunga le estremità dei cromosomi per compensare l'incapacità della DNA polimerasi di completare il filamento ritardato, ma spesso non riesce a mantenere il passo con la replicazione cellulare.
Precisione della replicazione del DNA
La replicazione del DNA è un processo semiconservativo ad altissima fedeltà. La precisione è garantita da tre passaggi sequenziali che portano il tasso di errore finale a 1 su 10¹⁰ nucleotidi aggiunti:
1. La DNA polimerasi seleziona il deossiribonucleoside trifosfato corretto da un punto di vista della complementarietà. Errore: 1 su 10⁵.
2. Correzione delle bozze (Proofreading 3' → 5'): Un'attività esonucleasica della polimerasi rimuove i nucleotidi mal appaiati al terminale 3'-OH. Errore: 1 su 10².
3. Riparazione dei mismatch: Interviene dopo la sintesi, correggendo gli errori sfuggiti alla polimerasi. Errore: 1 su 10³.
Enzimi chiave nella replicazione
Ci sono alcuni enzimi importanti:
• Elicasi: Utilizza l'idrolisi di ATP per separare i filamenti.
• Proteine SSB (Single-Strand Binding): si legano al singolo filamento per evitare che si richiuda.
• DNA Primasi: Sintetizza brevi primer di RNA (circa 10 nt) che forniscono l'estremità 3'-OH necessaria alla polimerasi.
• DNA Ligasi: Sigilla i "nicks" (interruzioni) tra i frammenti. Utilizza ATP per creare il legame fosfodiesterico tra l'estremità 3'-OH e quella 5'-fosfato.
• Topoisomerasi I: Crea una rottura a singolo filamento reversibile che permette lo srotolamento del DNA. Non richiede ATP.
• Topoisomerasi II: Crea una rottura a doppio filamento per districare le eliche. Richiede ATP.
• PCNA: tiene la polimerasi legata al DNA aumentandone la processività.
• Caricatore della pinza: complesso proteico che usa ATP per caricare la pinza sul DNA.
Asimmetria e origini multiple
A causa dell'andamento antiparallelo dei filamenti, la replicazione è asimmetrica.
• Filamento Leader (Guida): Sintetizzato in modo continuo in direzione 5' → 3'.
• Filamento Ritardato (Lagging): Sintetizzato in modo discontinuo tramite i frammenti di Okazaki. Ogni frammento richiede un nuovo primer di RNA.
Negli eucarioti abbiamo origini di replicazione multiple per velocizzare il processo.
In ogni origine di replicazione si forma il complesso prereplicativo (pre-RC), formato da:
- ORC: riconosce i punti di origine della replicazione sul DNA.
- Cdc6 e Cdt1: proteine che aiutano a caricare l’elicasi MCM sul DNA.
Quando il DNA è pronto ad essere duplicato le chinasi CDK e DDK l’elicasi MCM, che così si attiva ed apre il doppio filamento di DNA e permette alla DNA polimerasi di iniziare la replicazione.
Il sistema è progettato per evitare duplicazioni multiple dello stesso segmento di DNA poiché non si può riformare il pre-RC su quella stessa origine fino al ciclo successivo.
Ruolo della telomerasi
Poiché la DNA polimerasi richiede un primer, l'estremità finale del filamento ritardato non può essere completata. Per questo motivo esiste la Telomerasi: enzima con attività di trascrittasi inversa che contiene uno stampo di RNA interno ed allunga le estremità dei cromosomi con una sequenza ripetuta, ma nella maggior parte dei casi non riescono a stare al passo con la replicazione della cellula, per cui si ha accorciamento dei telomeri.
Le estremità telomeriche si ripiegano per proteggere il DNA dai sistemi di riparazione che lo scambierebbero per un danno e in più sono protette dal complesso sheltrin.
Domande da interrogazione
- Qual è il tasso di errore nella replicazione del DNA e come viene garantita la sua precisione?
- Quali sono gli enzimi chiave coinvolti nella replicazione del DNA?
- In che modo l'asimmetria dei filamenti influisce sulla replicazione del DNA?
- Come vengono gestite le origini multiple di replicazione negli eucarioti?
- Qual è il ruolo della telomerasi nella replicazione del DNA?
La replicazione del DNA ha un tasso di errore finale di 1 su 10¹⁰ nucleotidi aggiunti, garantito da tre passaggi: selezione del nucleotido corretto da parte della DNA polimerasi, correzione delle bozze e riparazione dei mismatch.
Gli enzimi chiave includono l'elicasi, le proteine SSB, la DNA primasi, la DNA ligasi, le topoisomerasi I e II, il PCNA e il caricatore della pinza, ognuno con funzioni specifiche per facilitare il processo di replicazione.
La replicazione è asimmetrica a causa dell'andamento antiparallelo dei filamenti, con il filamento guida sintetizzato in modo continuo e il filamento ritardato in modo discontinuo tramite frammenti di Okazaki.
Negli eucarioti, le origini di replicazione multiple accelerano il processo, formando un complesso prereplicativo (pre-RC) che attiva l'elicasi MCM per iniziare la replicazione, evitando duplicazioni multiple dello stesso segmento di DNA.
La telomerasi allunga le estremità dei cromosomi con sequenze ripetute, compensando l'incapacità della DNA polimerasi di completare il filamento ritardato, ma spesso non riesce a mantenere il passo con la replicazione cellulare, portando all'accorciamento dei telomeri.
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