Come si replica il DNA

Ogni volta che una cellula si divide, le cellule figlie devono ereditare le informazioni necessarie alla propria sopravvivenza e funzione. Perché ciò avvenga, la cellula madre deve raddoppiare il proprio patrimonio genetico: questo processo prende il nome di replicazione (o duplicazione) del DNA.

Uno stampo e molti enzimi

La struttura del DNA rende possibile la creazione di due copie identiche della molecola originaria. Infatti, se si separano i filamenti, ciascuno dei due può fungere da stampo per creare un nuovo filamento complementare. Con l’appaiamento del filamento che è servito da stampo con il l filamento di nuova sintesi si genera una nuova molecola di DNA del tutto identica a quella originaria. Il processo di duplicazione è detto semiconservativo perché ognuna delle due nuove molecole contiene un filamento “vecchio” e un filamento “nuovo”.

Alla sintesi del nuovo DNA collaborano diversi enzimi, proteine capaci di accelerare specifici processi biologici. Il primo passaggio della replicazione del DNA consiste nella separazione dei due filamenti tenuti insieme da particolari legami chimici (legami a idrogeno) tra le basi azotate.

Una elicasi taglia questi legami: possiamo immaginarla come la zip di una cerniera che, mentre scorre lungo il DNA, separa i filamenti. La topoisomerasi evita che il DNA che si apre si “attorcigli” su sé stesso. Nel punto in cui il DNA si è aperto, un enzima chiamato primasi, sintetizza una piccola catena di nucleotidi (primer) a cui si può agganciare l’enzima più importante nella sintesi del DNA, la DNA polimerasi. La DNA polimerasi scorre lungo il filamento stampo e promuove il legame del nucleotide corretto alla catena di nucleotidi nascente: se sullo stampo è presente un nucleotide contenente un’adenina, ad essere aggiunto al nuovo filamento sarà un nucleotide contenente una timina e così via. Il corretto appaiamento tra le basi garantisce che la sequenza dei nucleotidi nella nuova molecola di DNA corrisponda esattamente a quella originaria. La DNA polimerasi umana è in grado di procedere alla velocità di 50 nucleotidi al secondo e molte molecole di DNA polimerasi lavorano contemporaneamente in punti diversi del DNA.

Il processo è reso più complesso dal fatto che i legami chimici danno a ogni filamento di DNA una “direzione”. Per convenzione si dice che un filamento va in direzione 5’-3’ (cinque primo-tre primo), mentre l’altro va in direzione 3’-5’ (tre primo-cinque primo). I due filamenti, oltre che complementari, sono perciò detti antiparalleli.

Esempio:
5’-ATGTTTCGGAGCAGCGGGTTA-3’
3’-TACAAAGCCTCGTCGCCCAAT-5’

Poiché la DNA polimerasi lavora sempre in direzione 5’-3’, c’è un filamento lungo il quale la sintesi procede velocemente (filamento guida o leading strand), mentre lungo l’altro la sintesi si interrompe a intervalli regolari (filamento in ritardo o lagging strand). Sul filamento in ritardo, man mano che il DNA si apre, la DNA polimerasi sintetizza nuovo DNA, ma quando arriva in prossimità del restringimento di quella che viene chiamata forcella di replicazione, deve attendere l’aggiunta di un nuovo primer per potere proseguire. I frammenti così sintetizzati (frammenti di Okazaki) vengono poi uniti tra loro dalla DNA ligasi.

Errori di replicazione

Dato che la sequenza nucleotidica del DNA controlla i processi che avvengono all’interno di ogni cellula e nell’intero organismo, è di fondamentale importanza che quando il DNA viene duplicato non vengano introdotti errori.

La DNA polimerasi possiede la capacità di riconoscere i propri sbagli (ha un’attività di proofreading ossia di “correzione di bozze”). Se due nucleotidi vengono appaiati male, la DNA polimerasi rileva l’anomalia, taglia via il nucleotide scorretto e aggiunge quello giusto. La DNA polimerasi tuttavia non è infallibile, perciò, a maggiore garanzia dell’integrità del patrimonio genetico, esiste un sistema di riparo degli appaiamenti scorretti (in inglese mismatch repair, MMR) ulteriormente in grado di correggere errori introdotti durante la replicazione.

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