Cos’è la replicazione del DNA
Il DNA, abbreviazione di acido desossiribonucleico, è il materiale auto-replicante presente in quasi tutti gli organismi viventi come principale costituente dei cromosomi. È il vettore fondamentale dell’informazione genetica, presente praticamente in ogni cellula del tuo corpo.
Il DNA a doppia elica è composto da due filamenti asimmetrici. Ogni filamento è fatto di nucleotidi allineati uno dopo l’altro, e questi nucleotidi sono legati a quelli corrispondenti sull’altro filamento per creare una struttura a scala. Il DNA è composto da quattro nucleotidi – gli elementi costitutivi degli acidi nucleici – che sono composti da una base azotata, uno zucchero a cinque carboni (ribosio o desossiribosio) e almeno un gruppo fosfato.
Adenina (A), Timina (T), Guanina (G), e Citosina (C) sono chiamati nucleotidi. A e G sono chiamate purine, mentre T e C sono chiamate pirimidine. Secondo le regole di accoppiamento delle basi, la A si accoppia sempre con la T e la C si accoppia sempre con la G.
Prima che una cellula si duplichi o si divida, attraverso la mitosi o la meiosi, il DNA deve essere replicato per assicurare che ogni nuova cellula riceva il numero corretto di cromosomi. Questo processo avviene in tutti gli organismi viventi ed è la base dell’eredità biologica.
La replicazione del DNA avviene in diverse fasi che coinvolgono più proteine chiamate enzimi di replicazione, così come l’RNA. La replicazione del DNA è vitale per la crescita cellulare, la riparazione e la riproduzione negli organismi.
Fasi della replicazione del DNA
Ci sono tre passi principali nella replicazione del DNA: iniziazione, allungamento e terminazione.
Per adattarsi al nucleo di una cellula, il DNA è impacchettato in strutture strettamente arrotolate chiamate cromatina, che si allenta prima della replicazione, permettendo al macchinario di replicazione cellulare di accedere ai filamenti di DNA.
Prima che la replicazione del DNA possa iniziare, la struttura a doppia elica delle molecole di DNA deve essere “aperta”. L’elicasi, un enzima, è parte integrante di questo processo, rompendo i legami idrogeno che tengono insieme le basi complementari del DNA (A con T e C con G). La separazione crea una forma a ‘Y’ chiamata forcella di replicazione e i due singoli filamenti di DNA ora agiscono come modelli per creare nuovi filamenti di DNA.
In seguito, la proteina legante il DNA a singolo filamento (SSB Protein) si lega al DNA ora a singolo filamento, impedendo ai filamenti che si separano di unirsi nuovamente.
I due filamenti del DNA a doppia elica sono uniti da barre trasversali, attorcigliate intorno. Perché questo funzioni, ogni filamento di DNA corre in direzione opposta.
Uno dei filamenti è orientato nella direzione da 3′ a 5′ (verso la forcella di replicazione), questo è il filamento principale. L’altro filamento è orientato in direzione 5′ a 3′ (lontano dalla forcella di replicazione), questo è il filamento ritardatario.
Perché l’enzima che esegue la replicazione, la DNA polimerasi, funziona solo in direzione 5′ a 3′, questo significa che i filamenti figli sintetizzano attraverso metodi diversi, uno aggiungendo nucleotidi uno per uno nella direzione della forcella di replicazione, l’altro in grado di aggiungere nucleotidi solo in pezzi. Il primo filamento, che replica i nucleotidi uno per uno, è il filamento principale; l’altro filamento, che replica in pezzi, è il filamento ritardatario.
Le notazioni 5′ e 3′ significano “cinque primi” e “tre primi”, che indicano i numeri di carbonio nella spina dorsale dello zucchero del DNA. Questi numeri indicano l’orientamento chimico da un capo all’altro, con i numeri 5 e 3 che rappresentano rispettivamente il quinto e il terzo atomo di carbonio dell’anello di zucchero. Il carbonio 5′ ha un gruppo fosfato attaccato ad esso e il carbonio 3′ un gruppo idrossile (-OH). È questa asimmetria che dà a un filamento di DNA una “direzione”, permettendo un facile legame tra i nucleotidi dei filamenti opposti.
È importante notare che i due lati sono replicati attraverso due processi diversi al fine di ospitare la differenza direzionale.
| Filo conduttore | Filo ritardatario |
| Un breve pezzo di RNA chiamato primer, che è prodotto da un enzima chiamato primasi, si lega all’estremità del filo conduttore in direzione 5′ a 3′. Il primer funge da punto di partenza per la sintesi del DNA.
Gli enzimi chiamati DNA polimerasi generano nuove basi nucleotidiche complementari (la A, la C, la G e la T) e sono responsabili della creazione del nuovo filamento attraverso un processo chiamato elongazione. Nelle cellule eucariotiche, le polimerasi alfa, delta ed epsilon sono le polimerasi primarie coinvolte nella replicazione del DNA. Questo tipo di replicazione è chiamata “continua”. |
Il filamento in ritardo inizia il processo di replicazione legandosi con più primer RNA, generati dall’enzima primasi, in vari punti lungo il filamento in ritardo.
Frammenti di DNA, chiamati frammenti Okazaki, vengono aggiunti al filamento in ritardo tra i primer, sempre in direzione 5′ a 3′. Questo tipo di replicazione è chiamato “discontinuo”, poiché i frammenti Okazaki dovranno essere uniti in seguito. |
Dopo la formazione dei filamenti continui e discontinui, un enzima chiamato esonucleasi rimuove tutti i primer di RNA dai filamenti originali. I vuoti in cui si trovavano i primer vengono poi riempiti da altri nucleotidi complementari.
Un altro enzima “correggerà” i filamenti appena formati per assicurarsi che non ci siano errori.
L’enzima DNA ligasi unisce poi i frammenti di Okazaki insieme, formando un singolo filamento unificato.
Un tipo speciale di enzima DNA polimerasi chiamato telomerasi catalizza la sintesi delle sequenze telomeriche alle estremità del DNA. I telomeri sono regioni di sequenze nucleotidiche ripetitive ad ogni estremità di un cromatide, che proteggono l’estremità del cromosoma dal deterioramento o dalla fusione con i cromosomi vicini. Pensate ai tappi dei lacci delle scarpe. I telomeri sono anche un biomarcatore dell’invecchiamento, con i telomeri che si accorciano ad ogni divisione cellulare o, in altre parole, man mano che si avanza nell’età. Quando i telomeri di una cellula si accorciano, essa perde la sua capacità di funzionare normalmente. Fondamentalmente, i telomeri più corti ti rendono più suscettibile a una serie di malattie, come il cancro o le malattie cardiovascolari.
Finalmente, il filamento genitore e il suo filamento di DNA complementare si avvolgono nella nota forma a doppia elica. Il risultato sono due molecole di DNA costituite da una nuova e una vecchia catena di nucleotidi. Ognuna di queste due eliche figlie è una copia quasi esatta dell’elica madre (non è uguale al 100% a causa delle mutazioni).
Il genoma umano – cioè l’insieme completo dei geni presenti nel nucleo di una cellula – è composto da 3 miliardi di coppie di basi. Sorprendentemente, il nostro macchinario biologico impiega pochissimo tempo per copiare qualcosa di così lungo. Ogni cellula completa l’intero processo in appena un’ora!