Duplicazione semi conservativa del DNA

Già Watson e Crick, nel 1953, avevano ipotizzato una duplicazione del DNA di tipo semiconservativo, ma erano state formulate varie ipotesi circa il modo in cui la cellula duplica il proprio materiale genetico: Modello semiconservativo: da un filamento di DNA “vecchio” è possibile ricostruire (sintetizzare) un filamento di DNA nuovo. Modello conservativo: il doppio filamento di DNA viene mantenuto e si assiste alla sintesi di un’intera molecola “nuova”. Modello dispersivo: la sintesi del DNA crea molecole di DNA con frammenti “vecchi” mescolati con quelli “nuovi”. Bisogna aspettare qualche anno (1958) per capire che l’unica strada percorribile è quella del modello semiconservativo.

La duplicazione semiconservativa del DNA, a questo punto, prevede solo due momenti: Occorre aprire (despiralizzare) la doppia elica e rompere i legami ad idrogeno che tengono legate tra loro le basi. Questa operazione può avvenire solo tramite specifici enzimi. Una volta aperta la spirale e avendo ottenuto due filamenti singoli, le basi rimaste in ogni singolo filamento si uniscono alle basi complementari ricostruendo, così, il doppio filamento originario. Ovviamente occorre ripristinare anche i legami ad idrogeno fra le basi. Questi compiti (ripristinare le basi complementari e ripristinare i legami), vengono portati a termine dall’intervento dell’enzima DNA polimerasi.

La DNA polimerasi reinserisce le basi, nel nuovo filamento in crescita, a partire dall’estremità 3, dove un gruppo funzionale ossidrilico – OH si lega ad un atomo di carbonio. Per far avvenire questa reazione di legatura occorre una buona dose di energia. Questa viene presa dalla demolizione di una molecola di ATP.

Vediamo, adesso, come avviene, nei particolari, la duplicazione del DNA. La prima cosa che occorre è la interazione tra il filamento stampo ed un complesso proteico detto “complesso di duplicazione”. Per cominciare occorre despiralizzare i filamenti di DNA. Ciò che tiene insieme i filamenti sono solo dei legami deboli (legami covalenti ad idrogeno) e delle forze di van der Waals (forze dovute all’attrazione tra molecole). Questa despiralizzazione, e successiva separazione, è delegata ad un enzima detto DNA elicasi. L’energia viene presa dalla demolizione di una molecola di ATP. Subito dopo intervengono delle proteine leganti il singolo filamento per evitare che questo si possa ricomporre con il suo complemento e riformare la doppia elica. A questo punto entrambi i filamenti sono disponibili all’appaiamento con le basi complementari.

A seconda che si tratti di una molecola procariota o eucariota, la duplicazione comincia in modo completamente diverso: nelle cellule procariote (es. nei batteri) il doppio filamento elicoidale è anche avvolto a forma di cerchio ed è abbastanza breve; in questo caso la despiralizzazione porta ad ottenere la formazione di due filamenti circolari. Il filamento comincia ad essere diviso e preparato alla duplicazione, partendo da un unico punto detto origine della duplicazione o più semplicemente ori. Da quel punto il filamento si apre procedendo in direzione opposta formando un’apertura chiamata forcelle di duplicazione. La DNA polimerasi, autore della separazione dei filamenti, agisce a velocità diverse in base al tipo di cellula procariote. Es. nell’Escherichia Coli la velocità è maggiore: 1000 coppie di basi vengono duplicate al secondo, quindi per duplicare le sue 4,7 milioni basi occorreranno circa 20-40 minuti.

Nel caso di cellule eucariote la duplicazione avviene più lentamente: 50 basi al secondo e per una lunghezza di 80 mil. di basi. Nelle cellule eucariote il filamento a doppia elica è lineare. Per sopperire al troppo tempo che occorrerebbe per duplicare un così grosso numero di basi, si adotta il sistema di più ori distribuiti in vari punti del filamento. Recenti studi hanno dimostrato che in questi casi l’ori resta fermo, cioè non scorre lungo il filamento, ma bensì avviene il contrario, cioè il filamento scorre sotto l’ori.

Vediamo ora come agisce la DNA polimerasi Vediamo ora come agisce la DNA polimerasi. Questa allunga il filamento e lega le basi l’una all’altra in modo complementare ma dal nulla non si può formare niente. Allora la DNA polimerasi ricorre ad un filamento di partenza detto primer. Il primer prende origine da un breve filamento singolo di RNA. Occorre, comunque, che il primer di RNA sia complementare al filamento stampo di DNA. Un enzima chiamato primasi ricostruisce, a partire dal primer, base dopo base il DNA. Una volta terminata la duplicazione, il primer viene eliminato e sostituito dal DNA. La fase di duplicazione avviene a diverse velocità a causa della diversa direzione dei filamenti, infatti mentre un filamento viaggia nella direzione dell’ori, l’altro viaggia in direzione opposto, allontanandosi dall’ori. Ciò determina una duplicazione detta veloce (quella fatta sul filamento che viaggia verso l’ori), e una lenta, quella fatta sul filamento che, invece, si allontana dall’ori.

La duplicazione veloce avviene sempre in modo regolare, Quella lenta, invece, avviene in modo discontinuo cioè creando dei vuoti tra la sequenza delle basi. Questi vuoti vengono riempiti da frammenti di uguale lunghezza detti “frammenti di Okazaki”. Questi frammenti formano come dei rattoppi ma lasciano degli spazi tra le basi adiacenti. Allora interviene un enzima detto Ligasi che riempie tutti gli spazi rendendo il filamento completo ed omogeneo. Durante la duplicazione del filamento “lento”, a causa della soppressione del primer di RNA sostituito dal DNA, si formano dei prolungamenti di un solo filamento detti telomeri che presentano una sequenza ripetitiva TTAGG che si ripete 2500 volte. Con l’intervento di meccanismi di sistemazione, questi telomeri vengono troncati ma con questi vengono anche tagliati pezzi terminali del DNA che si accorcia, quindi, ad ogni duplicazione, di circa 50 – 200 basi ad ogni processo diduplicazione. Ciò comporta la morte della cellula dopo 20 – 30 duplicazioni.

Questo processo a carico dei telomeri non avviene, invece, ne nelle cellule staminali, ne nel 90% di quelle tumorali: cioè sono immortali grazie ad un enzima detto telomerasi. Gli studi sulle cellule tumorali, infatti, si stanno indirizzando proprio sulla inibizione della telomerasi allo scopo di impedire la duplicazione di queste e, quindi, la loro morte. Questi stessi studi potrebbero fermare anche l’invecchiamento cellulare in quanto, impedendo alla telomerasi di accorciare i telomeri, le cellule diverrebero immortali. Resta da capire se c’è qualche relazione tra invecchiamento dell’organismo e invecchiamento cellulare.

La correzione degli errori di duplicazione del DNA Abbiamo visto come il DNA può essere duplicato in maniera costante e fedele ma questo processo, anche se straordinariamente preciso, non è perfetto. La DNA polimerasi compie una quantità notevole di errori. A ciò dobbiamo aggiungere che il DNA delle cellule che non sono in divisione è soggetto a danni provocati da alterazioni chimiche naturali delle basi e da danni provocati da agenti ambientali.

Ecco come intervengono i meccanismi di riparazione: una correzione di bozze che corregge gli errori man mano che la DNA polimerasi li compie. Una riparazione delle anomalie di appaiamento. Viene rivista la sequenza delle basi stampo e quelle antagoniste, subito dopo la duplicazione e vengono corretti gli appaiamenti errati. Una riparazione per escissione, cioè vengono rimosse quelle basi anomale a causa di un agente chimico e vengono sostituite con basi funzionanti.