DNA, IL DEPOSITARIO DELL’INFORMAZIONE GENICA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è un acido nucleico formato da nucleotidi. Ogni nucleotide è composto da

• una molecola di zucchero pentoso (a cinque atomi di carbonio), detto desossiribosio;
• un gruppo fosfato
• una delle 4 basi azotate che sono a loro volta distinte in

• Purine, a doppio anello, “adenina e guanina”;
• Pirimidine, ad anello singolo, “citosina e timina”.

Le basi sono legate allo zucchero da un legame glicosidico (base+zucchero = NUCLEOSIDE).

Il legame tra i gruppi fosfato e gli zuccheri è detto legame fosfodiesterico o fosfodiestereo (base+zucchero+fosfato = NUCLEOTIDE).

Il DNA è composto da 2 catene (antiparallele = con orientamento opposto) avvolte l’una sull’altra a formare una doppia elica.

Ciascun gruppo fosfato è legato al carbonio 5' di un desossiribosio e al carbonio 3' del desossiribosio adiacente.

In ciascuna estremità delle catene, un filamento ha un 5'-P libero, mentre l'altro presenta un carbonio 3'-OH libero.

Le due catene sono tenute insieme esternamente da legami fosfodiesterei tra gruppi fosfato e zuccheri successivi (scheletro zucchero-fosfato), ed internamente dai legami a idrogeno fra coppie di basi in modo specifico:

• Adenina e Timina sono unite da 2 legami a idrogeno (A = T)
• Guanina e Citosina sono unite da 3 legami a idrogeno ( C ≡ G )

Le funzioni del DNA:

1. Trasmettere in modo fedele l’informazione genetica alle cellule-figlie attraverso mitosi e meiosi
2. Specificare tramite i geni quali proteine devono essere sintetizzate.

L’organizzazione del DNA è fondamentale

Il DNA è lungo circa a due metri, ma per entrare in un nucleo di alcuni mm di diametro viene fortemente compattato. Infatti, il DNA è organizzato in una struttura complessa composta da DNA e proteine basiche (dette istoni o proteine istoniche: H1, H3, H4, H2A e H2B), chiamata cromatina. Gli istoni sono carichi positivamente, mentre il DNA è carico negativamente e insieme formano strutture chiamate nucleosomi (costituito da otto istoni, uguali a due a due: gli istoni H2A, H2B, H3 ed H4, responsabili del ripiegamento del DNA).

I nucleosomi fungono da rocchetto che avvolge il DNA. Il nucleosoma rappresenta il primo livello di compattazione del DNA.  Al microscopio elettronico osserviamo la fibra a 11 nm o "filo di perle" per il suo aspetto. Poi si ha  il secondo livello, in cui la cromatina è maggiormente condensata, grazie a interazioni tra nucleosomi adiacenti e grazie agli istoni H1, formando la struttura detta fibra a 30 nm o solenoide.

Segue la fibra da 300 nm o fibra ad ansa, in cui la cromatina si ripiega ulteriormente su se stessa grazie alle proteine "scaffold", che formano delle anse. Poi vi è la fibra da 700 nm, in cui la cromatina si superavvolge, formando i singoli cromatidi. Infine, vi è la fibra da 1400 nm, è il livello di condensazione massimo, quello dei cromosomi metafasici.

Il più alto grado di condensazione si ha durante la metafase.

Durante l’interfase la cromatina è organizzata in:

•   eucromatina: non condensata durante l'interfase
•   eterocromatina, fortemente condensata durante tutto il ciclo cellulare. Possiamo distinguere due tipologie di eterocromatina:
• Eterocromatina costitutiva, formata soprattutto da sequenze ripetute e da pochi geni, localizzata a livello dei centromeri e dei telomeri;
• Eterocromatina facoltativa, composta da geni che vengono attivamente trascritti.

Duplicazione o Replicazione del DNA

La duplicazione del DNA avviene con un meccanismo definito semiconservativo, in quanto ogni filamento parentale fa da stampo per la sintesi di un nuovo filamento, complementare ad esso.

Da una molecola di DNA si formano due nuove molecole di DNA, uguali tra loro, ciascuna costituita da uno dei due filamenti di partenza (vecchio filamento) ed uno complementare di nuova formazione (nuovo filamento).

La duplicazione nei procarioti inizia in punto preciso della molecola del DNA chiamato origine della replicazione (Ori), mentre negli Eucarioti vi sono più punti di inizio della replicazione. Nel punto di origine della replicazione, entrambi i filamenti vengono replicati contemporaneamente all’interno di una figura a Y chiamata forca di replicazione.

La duplicazione del DNA parte da una forcella di replicazione a livello della quale si inserisce un enzima, la DNA Elicasi, che rompe i legami a idrogeno e fa svolgere la doppia elica. In tal modo si rendono liberi i due filamenti di DNA (separazione dei due filamenti). Alcune proteine, dette destabilizzatrici, si legano ai singoli filamenti di DNA per evitare che si riformi l'elica. Nel momento in cui i filamenti si separano in un’altra zona del DNA si crea un super-avvolgimento (come nel filo del vecchio telefono di casa). A questo punto intervengono gli enzimi topoisomerasi, che rimuovono nodi o eccessivi avvolgimenti che interromperebbero la replicazione, tagliando e risaldando i filamenti.

ciascun filamento servirà da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare (replicazione semiconservativa ).

Ad occuparsi della sintesi del DNA è l’enzima DNA polimerasi (DNA pol) il quale però, non è in grado di iniziare la sintesi di un filamento "da zero", ma può soltanto aggiungere nuovi nucleotidi su un 3’-OH (gruppo ossidrilico) di un nucleotide precedente. Per questo motivo è necessario un “innesco” (primer in inglese), composto di RNA e sintetizzato da l’enzima RNA  primasi.

Sul filamento principale, a partire dall’estremità 3′, interviene dapprima l’enzima RNA primasi che sintetizza un corto frammento di RNA che offrirà il 3’-OH su cui legare i nucleotidi. Poi, l’enzima DNA polimerasi determina la formazione di legame fosfodiesterico usando desossinucleotidi trifosfati (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) seguendo l’appaiamento complementare delle basi dei nucleotidi del filamento stampo e quindi sfruttando i legami ad idrogeno specifici A=T, C≡G. L’eliminazione del pirofosfato (PPi) fornisce l’energia necessaria per la formazione del legame fosfodiesterico. Il nuovo filamento, detto filamento guida o leader o veloce, polimerizza rapidamente e con continuità nella direzione 5′-3′.

Sul filamento secondario o lento o lagging interviene prima la RNA primasi che determina la sintesi di un corto frammento di RNA, poi si inserisce la DNA polimerasi che determina la sintesi del DNA ma, man mano che la bolla si allarga il filamento offrirà sempre lo stampo nella direzione opposta all’avanzamento della forca di replicazione e all’attività della DNA pol, per cui occorrerà che intervenga nuovamente la RNA primasi a sintetizzare RNA e poi la DNA pol potrà riprendere il suo lavoro. Pertanto, verranno sintetizzati piccoli tratti di DNA detti frammenti di Okazaki, in quanto la duplicazione del DNA sul filamento secondario avviene in modo discontinuo. Successivamente, vengono rimossi i frammenti di RNA-innesco e e gli spazi vuoti rimanenti vengono riempiti con nuovo DNA poi, ad opera dell’enzima DNA Ligasi, i vari frammenti di DNA vengono uniti tra di loro, per cui il risultato finale è in ogni caso quello di una nuova molecola di DNA uguale a quella formata sul filamento principale ed a quella di partenza.

Nei Procarioti, il DNA è circolare, per cui alla fine della duplicazione si ottengono due anelli concatenati, che poi verranno tagliati e ricuciti singolarmente. Invece, il DNA degli Eucarioti è lineare e, dato che l’enzima DNA polimerasi non è in grado di iniziare la sintesi di un filamento "da zero", ma necessita di un innesco a RNA che gli offra il 3’-OH, si ha che ad ogni generazione vengono persi pezzi di DNA terminali (telomeri), per cui le cellule col tempo invecchiano e muoiono. Nelle cellule tumorali, vi è la telomerasi, un enzima costituito da RNA e proteine ( = ribonucleoproteina), capace di aggiungere sequenze ripetitive di DNA non codificante ai telomeri, riallungandoli.