Replicazione del DNA

Le fasi del ciclo cellulare sono le fasi della vita di una cellula: la fase G1 rappresenta il marcato accrescimento della cellula, che sintetizza componenti strutturali ed enzimi per la duplicazione del DNA, poi segue la fase S in cui avviene la duplicazione del DNA e la sintesi di proteine cromosomiche, la successiva fase G2 prevede la sintesi di proteine necessarie per la mitosi mentre durante la fase M avviene la segregazione dei componenti citoplasmatici e del materiale nucleare in due cellule figlie.
La sequenza delle basi nelle due catene di DNA è complementare, la sequenza di nucleotidi di un’elica impone una sequenza complementare di nucleotidi nell’altra, poiché le coppie di nucleotidi si appaiano in modo complementare, ciascun filamento di DNA serve da stampo per la sintesi del filamento opposto.

In questo modo però non è possibile formare nuovi filamenti di DNA legati assieme, ma si avrà da una molecola di DNA due molecole originatesi per replicazione che avranno il filamento sintetizzato ex-novo legato al filamento stampo, appartenente alla vecchia molecola di DNA, quando si parla della replicazione del DNA si parla dunque di replicazione semiconservativa.

Esistono varie differenze tra procarioti ed eucarioti a causa della diversa organizzazione del DNA: per i procarioti ne esiste un’unica molecola circolare, mentre per gli eucarioti ogni cromosoma è costituito da una singola molecola lineare di DNA.

La replicazione del DNA richiede però un complesso molecolare molto importante, esistono infatti numerose proteine ed enzimi che lavorano insieme nel macchinario duplicativo: lo svolgimento della doppia elica di DNA avviene grazie a DNA-elicasi, che, camminando lungo l’elica, separano i 2 filamenti. Una volta separati, le proteine SSBP o proteine destabilizzanti dell’elica si legano ai singoli filamenti stabilizzandoli finchè non è avvenuta la copiatura, in modo che non possano tornarsi a legare assieme. Quando i due filamenti si separano, in un’altra regione della molecola si genera un superavvolgimento: le topoisomerasi tagliano il DNA e poi saldano le estremità in modo che siano liberi da superavvolgimenti e nodi che ostacolerebbero la replicazione.

La sintesi di DNA procede sempre in direzione 5’-3’, gli enzimi che catalizzano la polimerizzazione del DNA, le DNA-polimerasi, sono in grado di aggiungere nucleotidi solo al 3’-OH di una catena polinucleotidica in fase di sintesi. Vengono utilizzati come substrato i nucleotidi trifosfati: nella formazione del legame fosfodiesterico due gruppi fosfato vengono eliminati attraverso una reazione fortemente esoergonica, quindi la catena polinucleotidica si allunga sempre in direzione 5’-3’. La sintesi di DNA necessita però di un RNA primer: una DNA primasi sintetizza un piccolo tratto di RNA detto RNA primer nel punto di inizio della replicazione, che funziona da innesco per la sintesi di un nuovo filamento di DNA. Dopo pochi nucleotidi aggiunti, la DNA primasi viene spiazzata dalla DNA polimerasi, che aggiunge nucleotidi all’estremità 3’-OH. In seguito il primer di RNA verrà degradato e sostituito da nucleotidi di DNA.

La sintesi di DNA avviene però in modo continuo su un filamento e in maniera discontinua sull’altro: le DNA-polimerasi sono in grado di aggiungere nucleotidi solo al 3’-OH quindi la sintesi di DNA può procedere solamente in direzione 5’-3’, ma non nel verso opposto dell’altro filamento, che avrà una direzione 5′-3′. La duplicazione inizia in un punto preciso della molecola di DNA, l’origine della replicazione, ed entrambi i filamenti vengono replicati contemporaneamente all’interno di una figura a Y chiamata forca o forcella di replicazione. L’estremità 3’ di uno dei due filamenti si allunga sempre verso la forca di replicazione e la sua sintesi procede in modo continuo, si parla in questo caso di filamento guida o leading strand. L’estremità 3’ dell’altro filamento invece si allunga nella direzione opposta alla forca di replicazione e la sua sintesi procede in modo discontinuo, si parla di filamento in ritardo o lagging strand, in cui vengono prodotti dei frammenti di 100-2000 nucleotidi chiamati frammenti di Okazaki. Quando un frammento di Okazaki raggiunge quello sintetizzato precedentemente, il primer di quest’ultimo viene degradato e rimpiazzato da DNA, poi successivamente interviene la DNA ligasi che riunisce i vari frammenti.

La sintesi di DNA è BIDIREZIONALE, negli eucarioti quando i filamenti si separano, si formano due forcelle per cui il DNA viene replicato nelle due direzioni, in più punti d’origine, mentre nei procarioti invece c’è una sola origine della replicazione.

Negli eucarioti i cromosomi hanno estremità libere, che non vengono completamente replicate dalla DNA polimerasi, si parla cappucci terminali, chiamati TELOMERI, che non contengono sequenze codificanti, e che vengono allungati dalla telomerasi, per evitare che dopo numerose duplicazioni del DNA esso ne possa avere sempre meno fino a perderli del tutto. Con la vecchiaia però l’effetto della telomerasi diminuisce, come la lunghezza della sequenza dei telomeri, che quando diventano troppo corti vengono indotte altre proteine a mandare la cellula in apoptosi, la loro lunghezza determina dunque la vita della cellula. Le cellule tumorali trovano il modo di eludere il normale orologio biologico delle cellule normali, particolari mutazioni causano infatti un aumentata attività della telomerasi.