In un vecchio articolo Introduzione alle biomolecole abbiamo parlato brevemente dei nucleotidi e del DNA, in questo articolo vedremo la replicazione, il processo con cui il DNA viene replicato.
Il DNA (acido deossiribonucleico) nelle cellule eucariote si trova nel nucleo cellulare Il nucleo cellulare e va a formare la cromatina, un composto di DNA e proteine. Il DNA costituisce i geni, cioè il materiale ereditario della cellula che contiene le istruzioni per sintetizzare le proteine e l’RNA necessario all’organismo.
Nella chimica degli acidi nucleici gli atomi di carbonio dello zucchero e della base azotata sono numerati. Essendo lo zucchero un pentoso, gli atomi di carbonio che lo costituiscono sono cinque e vengono indicati col simbolo “primo”. Così la base azotata è unita al carbonio 1′ dello zucchero mentre il fosfato al carbonio 3′. Il carbonio 3′ di uno zucchero è legato al gruppo fosfato in posizione 5′ dello zucchero adiacente, costituendo un legame 3′,5′ fosfodiesterico.
I nucleotidi sono legati tra loro per formare uno scheletro zucchero-fosfato, questo scheletro forma una catena polinucleotidica. Lo scheletro zucchero-fosfato delle due catene forma l’impalcatura esterna dell’elica mentre all’interno le basi azotate si appaiano tra loro in maniera complementare; il numero di purine è uguale al numero di piramidine. La purina adenina si appaia con la piramidina timina e la purina guanina si appaia con la piramidina citosina, questa eguaglianza è nota come regola di Chargaff.
Il DNA è composto da due catene polinucleotidiche avvolte tra loro a formare una doppia elica dove le due catene hanno direzione opposte e vengono definite antiparallele, per cui un filamento ha direzione 5′,3′ e l’altro 3′,5′.
Il processo di replicazione
Con la replicazione il DNA di una cellula viene replicato e l’informazione genetica viene trasmessa ai discendenti. Ciascuna delle due catene polinucleotidiche offre lo stampo per la produzione di una copia del filamento complementare. Il processo di replicazione ha inizio contemporaneamente in molti punti chiamati origini della replicazione, dove piccoli segmenti della doppia elica si svolgono. Questo meccanismo di replicazione viene definito semiconservativo in quanto le nuove molecole sono costituite da un filamento parentale ed uno complementare di nuova sintesi.
Il processo di replicazione avviene grazie al lavoro combinato di svariati enzimi:
- DNA elicasi
- topoisomerasi
- DNA polimersai
- DNA primasi
- DNA ligasi
Il ruolo degli enzimi
Le DNA elicasi sono enzimi che svolgono l’elica in corrispondenza dell’origine di replicazione rompendo i legami ad idrogeno e separando i due filamenti. Una volta che i filamenti si sono separati ha inizio la replicazione a livello della giunzione tra i filamenti separati, una struttura a forma di Y detta forca di replicazione. Dopo la separazione ai singoli filamenti di DNA si legano delle proteine che evitano che si riformi la doppia elica finché non è avvenuta la copiatura.
Nel momento in cui i filamenti di DNA si separano, in un’altra regione della molecola si genera un superavvolgimento, l’enzima topoisomerasi opera dei tagli nel DNA e poi salda il filamento in modo che sia libera da superavvolgimenti che impedirebbero la replicazione. Gli enzimi che catalizzano il legame tra i nucleotidi del DNA stampo e quello nuovo si chiamano DNA polimerasi; poiché essi sono in grado di aggiungere nucleotidi solo al terminale 3’di una catena preesistente, l’inizio della sintesi richiede un primer di RNA. L’RNA primer è sintetizzato dall’enzima DNA primasi, dopo pochi nucleotidi interviene la DNA polimerasi che aggiunge le subunità all’estremità 3′ del primer RNA. Successivamente il premier viene degradato da enzimi specifici e sostituito da DNA.
La sintesi avviene solo in direzione 5′ → 3′ per cui l’estremità 3′ di uno dei nuovi filamenti si allunga sempre verso la forca di replicazione e la sintesi avviene in modo continuo, questo filamento è chiamato filamento guida (leading). Un’altra molecola di DNA polimerasi aggiunge nucleotidi all’altro filamento, chiamato filamento in ritardo (lagging) che si allunga nella direzione opposta all’avanzamento della forca di replicazione. La sintesi di questo filamento avviene in modo discontinuo altrimenti la DNA polimerasi dovrebbe allontanarsi troppo dalla forca di replicazione. Per questo motivo sul filamento “lagging” possono essere sintetizzati solo piccoli frammenti chiamati frammenti di Okazaki. Quando un frammento di Okazaki neosintetizzato raggiunge quello precedentemente sintetizzato , il suo premier viene degradato e rimpiazzato da DNA da parte della DNA polimerasi. Infine un enzima chiamato DNA ligasi riunisce i frammenti con un legame fosfodiesterico tra l’estremità 3′ di uno e quella 5′ dell’altro.
Errori di replicazione
La replicazione del DNA si verifica una volta in ogni generazione cellulare ed è importante che il processo sia svolto perfettamente per evitare la comparsa di mutazioni. L’appaiamento delle basi è molto preciso, tuttavia non è impossibile che si verifichino errori. Normalmente questi errori non sono un problema in quanto si sono evoluti dei meccanismi che ne assicurano la correzione. Questo lavoro è opera della DNA polimerasi, se trova un errore di appaiamento l’enzima rimuove il nucleotide errato ed inserisce quello corretto. Anche se alcune mutazioni restano non corrette sono comunque molto infrequenti, dell’ordine di un errore ogni 1010 coppie di basi. Quando restano degli errori la cellula utilizza altri meccanismi di riparazione dove speciali enzimi riconoscono i nucleotidi errati e li rimuovono, successivamente le DNA polimerasi inseriscono i nucleotidi corretti.
Radiazioni e sostanze chimiche presenti nell’ambiente sono causa di mutazioni deleterie. Le cellule solitamente riescono a correggerle impiegando diversi enzimi. La riparazione per escissione nucleotidica è un tipo di riparazione utilizzato per riparare lesioni causate da radiazioni ultraviolette e sostanze chimiche. Questo processo richiede tre enzimi:
- nucleasi che escinde il DNA danneggiato;
- DNA polimerasi che aggiunge i nucleotidi corretti;
- DNA ligasi che salda le rotture nello scheletro zucchero-fosfato.
Individui che hanno difetti ereditari di enzimi del sistema di riparazione sviluppano tumori in quanto l’organismo è incapace di rimediare a questi errori.