Tre domande Biologia

� DNA

1. Che cos’è il DNA?

Il DNA, acido desossiribonucleico, è la molecola che contiene l’informazione

genetica della cellula, cioè l’insieme delle istruzioni necessarie per la struttura, il

funzionamento e la riproduzione dell’organismo. È formato da due filamenti

antiparalleli organizzati in una doppia elica ed è costituito da nucleotidi, ciascuno

composto da una base azotata (adenina, timina, citosina o guanina), uno

zucchero chiamato desossiribosio e un gruppo fosfato. La complementarità delle

basi, con adenina che si appaia alla timina e citosina alla guanina, permette la

duplicazione fedele del materiale genetico. Negli eucarioti il DNA è localizzato

principalmente nel nucleo, organizzato in cromatina.

2. In cosa consiste la replicazione del DNA?

La duplicazione del DNA, detta anche replicazione del DNA, è il processo

mediante il quale una cellula copia fedelmente il proprio materiale genetico

prima della divisione cellulare, in modo che ciascuna cellula figlia riceva un

genoma identico a quello della cellula madre. Questo processo avviene durante la

fase S del ciclo cellulare (fase di sintesi, in cui viene replicato il DNA).

La replicazione del DNA è definita semiconservativa, perché ciascuna delle due

molecole di DNA figlie è formata da un filamento parentale (cioè preesistente) e

un filamento neo-sintetizzato (cioè appena prodotto). Questo modello è stato

dimostrato sperimentalmente da Meselson e Stahl.

Il processo ha inizio in specifiche regioni del DNA chiamate origini di replicazione

(sequenze di DNA ricche in coppie di basi A-T, adenina-timina, più facili da

separare perché legate da due legami a idrogeno). Negli eucarioti (organismi con

nucleo vero, come le cellule umane), il DNA è molto lungo, quindi sono presenti

numerose origini di replicazione, che permettono di accelerare il processo.

A livello dell’origine di replicazione si forma una struttura chiamata bolla di

replicazione (zona in cui i due filamenti del DNA si separano), dalla quale si

dipartono due forcelle di replicazione (regioni a forma di Y dove avviene

attivamente la sintesi dei nuovi filamenti).

Il primo enzima coinvolto è la elicasi (enzima che utilizza energia derivante

dall’ATP per rompere i legami a idrogeno tra le basi azotate complementari), la

quale separa i due filamenti del DNA. Durante questa separazione si genera una

tensione meccanica nel DNA; per questo intervengono le topoisomerasi (enzimi

che tagliano temporaneamente uno o entrambi i filamenti del DNA per eliminare

il superavvolgimento e poi li richiudono).

I filamenti separati vengono stabilizzati dalle proteine leganti il singolo filamento,

dette SSB (Single Strand Binding proteins, proteine che impediscono ai filamenti

separati di riappaiarsi o di degradarsi).

La DNA polimerasi (enzima responsabile della sintesi del nuovo DNA) non è in

grado di iniziare la sintesi da sola, ma necessita di un’estremità 3’-OH libera. Per

questo è necessario un primer (breve tratto di RNA complementare al DNA

stampo), che viene sintetizzato dalla primasi (enzima che produce RNA primers).

La sintesi del DNA avviene sempre in direzione 5’ → 3’ (dal carbonio 5’ al

carbonio 3’ del desossiribosio). A causa dell’orientamento antiparallelo dei due

filamenti del DNA, la replicazione avviene in modo diverso sui due filamenti:

Il filamento guida (leading strand, filamento sintetizzato in modo continuo

 nella stessa direzione di avanzamento della forcella di replicazione).

Il filamento ritardato (lagging strand, filamento sintetizzato in modo

 discontinuo in direzione opposta alla forcella).

Sul filamento ritardato la sintesi avviene sotto forma di brevi segmenti chiamati

frammenti di Okazaki (brevi tratti di DNA sintetizzati separatamente). Ogni

frammento richiede un nuovo primer di RNA.

Successivamente, i primer di RNA vengono rimossi (negli eucarioti

principalmente dall’enzima RNasi H, che degrada l’RNA ibridato al DNA) e

sostituiti con DNA. Infine, l’enzima DNA ligasi (enzima che catalizza la formazione

del legame fosfodiesterico tra due nucleotidi adiacenti) unisce i frammenti di

Okazaki rendendo il filamento continuo.

Un problema particolare della replicazione riguarda le estremità dei cromosomi,

chiamate telomeri (regioni terminali costituite da sequenze ripetitive non

codificanti). Poiché l’ultimo primer del filamento ritardato non può essere

sostituito, ad ogni ciclo di replicazione i telomeri tendono ad accorciarsi. Questo

problema è risolto dall’enzima telomerasi, che è una trascrittasi inversa (enzima

che utilizza un RNA come stampo per sintetizzare DNA). La telomerasi è attiva

nelle cellule germinali, nelle cellule staminali e nelle cellule tumorali, ma è poco o

assente nelle cellule somatiche.

La replicazione del DNA è un processo altamente accurato grazie all’attività di

proofreading (correzione degli errori) della DNA polimerasi, che è in grado di

riconoscere e rimuovere nucleotidi inseriti in modo errato. Questo garantisce

un’elevata fedeltà nella trasmissione dell’informazione genetica.

In conclusione, la duplicazione del DNA è un processo complesso, coordinato e

finemente regolato, essenziale per la stabilità del genoma e per la continuità

della vita cellulare.

3. Cosa sono le origini di replicazione negli eucarioti?

Negli eucarioti, le origini di replicazione sono specifiche sequenze di DNA

riconosciute da complessi proteici iniziatori che permettono l’avvio della

replicazione. Poiché il genoma eucariotico è molto esteso, ogni cromosoma

possiede numerose origini di replicazione, da cui si formano due forche di

replicazione che procedono in direzioni opposte, rendendo il processo più rapido

ed efficiente.

4. Che cosa sono il primer e la primasi?

Il primer è un breve tratto di RNA complementare al filamento stampo che

fornisce un’estremità 3’ libera necessaria alla DNA polimerasi per iniziare la

sintesi. Il primer viene sintet