Concetti Chiave
- La sintesi del DNA avviene attraverso l'uso di nucleotidi desossiribonucleosidi trifosfati e l'enzima polimerasi, con un modello di duplicazione semiconservativo accertato nel 1958.
- La duplicazione del DNA si svolge in due fasi principali: despiralizzazione della doppia elica e unione dei nucleotidi ai nuovi filamenti seguendo i principi di complementarietà.
- Il complesso di duplicazione interagisce con il filamento stampo e catalizza le reazioni necessarie, impedendo riassociazioni indesiderate grazie a proteine leganti il singolo filamento.
- Le DNA polimerasi aggiungono nucleotidi all'estremità 3' in un'unica direzione e richiedono un primer per iniziare, generando filamenti continui e discontinui.
- I telomeri, sequenze ripetitive alle estremità dei cromosomi, proteggono il DNA dall'accorciamento e sono cruciali per la stabilità cellulare e la ricerca contro il cancro e l'invecchiamento.
Sintesi del DNA
Come ipotizzato da Watson e Crick, Kornberg dimostrò che era possibile sintetizzare nuovo DNA con le stesse basi di quello di partenza. Usò i 4 nucleotidi desossiribonucleosidi trifosfati (dXTP), l’enzima polimerasi e il DNA stampo.
Non si sapeva ancora, però, se il modello di duplicazione fosse conservativo o semiconservativo (venne accertato nel 1958 ).
La duplicazione semiconservativa ha bisogno di: nucleosidi trifosfato (per la costruzione della nota molecola), DNA preesistente, del complesso di duplicazione, primer (innesco che indica il punto di partenza), proteine.
Fasi della duplicazione
Fase 1: degli enzimi despiralizzano la doppia elica e rompono i legami ad idrogeno tra le basi.
Fase 2: I nucleotidi si uniscono ai nuovi filamenti, aggiungendosi alle estremità 3’, seguendo i principi di complementarietà. L’enzima DNA polimerasi catalizza i legami fosfodiesterici.
Ruolo del complesso di duplicazione
Il filamento stampo di DNA interagisce con il complesso di duplicazione, che ha la funzione di catalizzare le reazioni e contiene le proteine necessarie.
La denaturazione dei filamenti avviene innanzitutto grazie all’enzima DNA elicasi. Successivamente le proteine leganti il singolo filamento (SSB) si legano ai filamenti svolti per impedire che si riassocino.
Il complesso di duplicazione si lega alla sequenza di basi del DNA detta origine della duplicazione (ori).
Mentre scorre attraverso il complesso (che rimane fermo) i DNA si svolge in due forcelle di duplicazione, duplicandosi in entrambe le direzioni. I due filamenti singoli agiranno da stampo.
Funzionamento delle polimerasi
Nell’uomo le polimerasi lavorano ad un ritmo di 50 basi/secondo, rallentate anche dalla lunghezza dei cromosomi (80 milioni di basi).
Gli enzimi della classe DNA polimerasi sono grandi molecole con forma di una “mano semiaperta”.
• Possono allungare un filamento legandovi in modo covalente i nuovi nucleotidi. Per farlo hanno necessità di un filamento di avvio, il primer, ovvero un breve filamento di RNA sintetizzato dall’enzima primasi. Una volta terminata la duplicazione sarà sostituito da DNA.
• Lavorano in un’unica direzione, aggiungendo nucleotidi all’estremità 3’. Il filamento che inizia così è sintetizzato in modo continuo (filamento veloce), l’altro invece (filamento lento) è sintetizzato a ritroso secondo brevi segmenti discontinui detti frammenti di Okazaki, che vengono poi uniti dal legame formato dall’enzima DNA ligasi.
Telomeri e telomerasi
Quando si forma un nuovo cromosoma per duplicazione, questo presenta alle estremità un pezzo di filamento singolo. I meccanismi che lo eliminano tagliano via anche una parte del doppio filamento, accorciando il cromosoma.
In molti eucarioti le estremità dei cromosomi presentano i telomeri, sequenze ripetitive che le mantengono stabili.
Il telomero umano è TTAGGG, è ripetuto 2500 volte e si esaurisce in 20/30 divisioni, portando la morte della cellula.
Esistono però cellule (staminali e produttrici di gameti) che grazie all’enzima telomerasi conservano il loro DNA telomerico. Per questo lo studio delle telomerasi è importante per la lotta contro cancro e invecchiamento cellulare.
Meccanismi di riparazione del DNA
È necessaria una replicazione fedele per il funzionamento delle cellule, ma il DNA può subire alterazioni dovute a varie cause, che hanno portato le cellule ad avere tre meccanismi di riparazione:
• La DNA polimerasi umana compie un errore ogni 10ˆ6 basi duplicate, avviene quindi una correzione di bozze che corregge gli errori durante il processo. Il tasso di errore cala a uno ogni 10ˆ9 basi.
• Dopo la duplicazione avviene la riparazione delle anomalie di appaiamento, che corregge eventuali appaiamenti errati.
• Se sono presenti basi anomale causate da agenti chimici e fattori esterni, la riparazione per scissione le sostituisce, anche durante il corso della vita della cellula.
Domande da interrogazione
- Qual è il modello di duplicazione del DNA dimostrato da Kornberg?
- Quali sono le fasi principali della duplicazione del DNA?
- Qual è il ruolo del complesso di duplicazione?
- Come funzionano le polimerasi durante la duplicazione del DNA?
- Qual è l'importanza dei telomeri e della telomerasi?
Kornberg ha dimostrato che la duplicazione del DNA è semiconservativa, utilizzando nucleotidi desossiribonucleosidi trifosfati e l'enzima polimerasi per sintetizzare nuovo DNA (come indicato nel testo).
La duplicazione del DNA avviene in due fasi principali: la despiralizzazione della doppia elica e la successiva unione dei nucleotidi ai nuovi filamenti, catalizzata dall'enzima DNA polimerasi (come descritto nel testo).
Il complesso di duplicazione catalizza le reazioni necessarie per la duplicazione del DNA e interagisce con il filamento stampo, garantendo che il processo avvenga correttamente (secondo quanto riportato nel testo).
Le polimerasi lavorano aggiungendo nucleotidi all'estremità 3' del filamento, con un ritmo di 50 basi/secondo, e necessitano di un primer per iniziare la sintesi, formando filamenti continui e discontinui (come spiegato nel testo).
I telomeri stabilizzano le estremità dei cromosomi e si accorciano con le divisioni cellulari; le cellule staminali e produttrici di gameti utilizzano la telomerasi per mantenere il DNA telomerico, rendendo questo studio cruciale per la ricerca sul cancro e l'invecchiamento (come evidenziato nel testo).
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