Transcription
Nelle precedenti elezioni abbiamo parlato della replicazione del DNA e studiato di come questa avvenga secondo un meccanismo semi conservativo e attraverso il lavoro di una serie di enzimi. Andiamo adesso più a fondo. Parliamo di DNA polimerasi e facciamo un accenno ai fenomeni.
[Musica]
Abbiamo già visto come la DNA polimerasi sia l'enzima che, a partire dai primer di RNA prodotti dalle DNA primasi e usando uno dei due filamenti della doppia elica come stampo, allunga le catene polinucleotidiche aggiungendo nucleotidi all'estremità 3 primo. Specifichiamo prima di tutto, anche se non entreremo in questo dettaglio, che esistono molte DNA polimerasi diverse tra loro che assolvono a varie funzioni necessarie alla replicazione del DNA nelle cellule. La DNA polimerasi è fondamentale per assicurare la precisione del processo di replicazione.
Partiamo dal sito attivo, cioè la porzione dell'enzima direttamente implicata nella reazione di allungamento, quella in cui viene formato il legame fosfodiestere tra due nucleotidi. Pensate al sito attivo come ad una scatola di quelle con gli interni sagomati, quella del vostro smartphone, ad esempio, dove entra e si incastra perfettamente solo il vostro modello di telefono. Ecco, la sagomatura è il sito attivo. Le coppie di basi possono entrare e precisamente nel sito attivo della DNA polimerasi solo se si trovano spazialmente e geometricamente in posizione esatta. Mi spiego: nella lezione 50 abbiamo visto come i legami idrogeno tengano insieme le basi azotate, i pioli della scala della doppia elica. Riuscite a vedere come la geometria dei legami idrogeno tra guanina e citosina sia simile a quella dei legami idrogeno tra timina e adenina? Beh, il motivo di questa somiglianza sta nel fatto che la DNA polimerasi utilizza un unico sito attivo per catalizzare la giunta di tutti e quattro i nucleotidi. Il sito attivo deve perciò poter ospitare sia una coppia di basi azotate complementari, sia l'altra. Questa è una selezione che viene detta cinetica: le polimerasi aumentano di molto la velocità del processo solo in presenza del corretto substrato, una coppia di basi complementari.
Coppie di basi sbagliate possono perciò venire escluse dal sito attivo. E allora la DNA polimerasi non sbaglia mai? Sbaglia, o non ci sarebbero le mutazioni, uno dei fenomeni alla base dell'evoluzione. Sbaglia, però, molto poco e quando sbaglia, spesso può correggersi. Alcune DNA polimerasi hanno anche un'attività di lettura delle bozze, o proofreading. In pratica, dopo l'aggiunta di ogni nucleotide, la DNA polimerasi controlla di aver aggiunto il nucleotide corretto. Se è stato aggiunto un nucleotide non corretto, viene messo in pausa lo spostamento della DNA polimerasi nel punto in cui dovrebbe aggiungere il successivo nucleotide. Durante questa pausa, la DNA polimerasi usa la sua attività esonucleasica 3 primo 5 primo per rimuovere il nucleotide errato e poi ricomincia la replicazione a partire dal nucleotide appena eliminato.
Attività esonucleasica. Ma io nella scorsa lezione non vi avevo promesso che in questa avremmo parlato di nucleasi? Apriamo allora una piccola digressione. Le nucleasi sono enzimi capaci di idrolizzare, di rompere il legame fosfodiestere che unisce due nucleotidi in un acido nucleico. Esistono due tipologie di nucleasi: le esonucleasi, che dal greco "exō" (fuori) rompono legami fosfodiesterici, rimuovono nucleotidi a partire da un'estremità di una catena, e le endonucleasi, dal greco "endon" (dentro), che rompono legami fosfodiesterici all'interno di una molecola di acido nucleico, producono tagli interni. Alcune endonucleasi effettuano tagli in corrispondenza di specifiche sequenze nucleotidiche, vengono chiamati endonucleasi di restrizione e sono strumenti importantissimi nelle biotecnologie.
Veniamo ora all'attività principale della DNA polimerasi: creare legami fosfodiesterici tra due nucleotidi per allungare una catena polinucleotidica in direzione 5 primo 3 primo. Come avviene la reazione di polimerizzazione? Vi ricordate dell'ATP? Ne abbiamo parlato nella lezione 24. L'ATP, adenosina trifosfato, è un nucleotide in cui la base azotata è l'adenina e, soprattutto, in cui al carbonio 5 primo dello zucchero ribosio non è legato un solo gruppo fosfato, ma ne sono legati tre. Abbiamo detto allora che l'ATP è la principale molecola energetica cellulare, perché l'idrolisi del legame covalente tra il terzo e il secondo di questi gruppi fosfato è esotermica e rilascia energia.
La DNA polimerasi deve prendere nucleotidi liberi e aggiungerli a una catena polinucleotidica in formazione. Ecco, i nucleotidi liberi usati come ingredienti dalla DNA polimerasi sono trifosfati, hanno legato al carbonio 5 primo del desossiribosio tre gruppi fosfato. L'idrolisi del legame covalente tra il primo e il secondo dei tre gruppi fosfato presenti sul nuovo nucleotide è estremamente esotermica e l'energia che ne scaturisce permette la formazione del legame fosfodiestere tra il nucleotide nuovo e la catena in allungamento.
[Musica]
Analizziamo adesso alcune differenze nella replicazione del DNA tra organismi procarioti ed eucarioti. Nella maggior parte degli organismi procarioti, il DNA ha una sola origine di replicazione, mentre i cromosomi eucarioti presentano origini di replicazione multiple. E questo significa che la replicazione inizia da più siti sul cromosoma. Si originano perciò più bolle di replicazione che, quando si incontrano, si fondono. A cosa serve avere più origini di replicazione? La risposta è semplice: a replicare più velocemente tutto il DNA. Gli organismi procarioti, poi, hanno il DNA circolare, mentre gli organismi eucarioti hanno cromosomi lineari con estremità libere. E questo fa sorgere la necessità di parlare della replicazione delle estremità dei cromosomi eucarioti, soprattutto della replicazione delle estremità del filamento ritardato.
[Musica]
Torniamo alla replicazione del frammento ritardato e ai frammenti di Okazaki di cui abbiamo parlato nella scorsa lezione. La DNA polimerasi ha bisogno di partire da un primer di RNA. Questo viene poi degradato e sostituito da DNA, ma l'ultimo RNA primer, come si fa una volta che viene degradato a sostituirlo con DNA? La DNA polimerasi aggiunge nucleotidi in direzione 5 primo 3 primo e può farlo solo allungando una catena preesistente e quindi non si fa. Semplicemente, il cromosoma neoformato presenta un pezzetto di DNA a filamento singolo. Ad ogni divisione cellulare, il cromosoma si accorcia. Ma come il cromosoma si accorcia ad ogni replicazione? Vengono perse delle istruzioni? Com'è possibile? Beh, è possibile perché nelle estremità terminali dei cromosomi eucarioti non ci sono informazioni. I cromosomi eucarioti hanno infatti i telomeri: brevi e semplici sequenze di DNA non codificanti, non contenenti informazioni e perciò sacrificabili. Le sequenze dei telomeri sono ripetute per molte volte, cioè a disposizione molto DNA sacrificabile. Una cellula può dividersi molte volte prima che la perdita di pezzi di DNA alle estremità comporti una perdita di informazioni non sacrificabili.
I casi sono due: in alcune cellule, come quelle della linea germinale, ma anche nelle cellule di organismi unicellulari eucarioti o nelle cellule tumorali, esistono degli enzimi noti come telomerasi. Questi enzimi utilizzano un pezzo di RNA presente al loro interno come stampo per allungare il DNA telomerico, aggiungono DNA sacrificabile alle estremità. Nella maggior parte delle cellule somatiche eucariotiche, invece, l'attività telomerasica è molto ridotta. Queste cellule possono perciò dividersi un numero limitato di volte prima di morire. La progressiva perdita dei telomeri potrebbe contribuire all'invecchiamento cellulare e ai meccanismi di apoptosi, cioè alla morte programmata di una cellula.
Dalla prossima lezione cominceremo a parlare di espressione genica e quindi di come si passa da un gene a una proteina, del dogma centrale della biologia: la trascrizione da DNA a RNA messaggero e la traduzione da RNA messaggero a proteina. Nel frattempo, se vi sono stata d'aiuto, vi chiedo di mettere un bel mi piace al video e di fare, se non l'avete ancora fatto, l'iscrizione al canale per restare connessi con me e con la biologia. Alla prossima e buono studio.
[Musica]