Meccanismo della sintesi del DNA

Del dottor Maho Yokoyama, Ph.D.Reviewed by Hannah Simmons, M.Sc.

Copiare la ricetta della vita

Il DNA, o acido desossiribonucleico, è la molecola biologica che contiene le informazioni necessarie per creare un organismo vivente. Quando la cellula si divide per diventare due, il DNA deve essere copiato in modo che entrambe le cellule contengano le informazioni genetiche necessarie. La sintesi, o la creazione di nuovi filamenti di DNA nelle cellule viventi è chiamata “replicazione del DNA”.

Replicazione del DNA. Image Credit: Designua /

Fare un nuovo filamento di DNA

Il DNA si trova come una doppia elica, dove due filamenti di DNA sono legati insieme in due eliche. Il processo di replicazione del DNA inizia quando i due filamenti di DNA si separano. Un enzima chiamato elicasi srotola e separa i legami tra i due filamenti di DNA, ed entrambi questi filamenti separati agiscono come modelli da cui viene fatto nuovo DNA.

Le polimerasi del DNA sono un gruppo di enzimi che fanno nuovo DNA. Ma, perché questo enzima funzioni, ha bisogno di un primer – una breve sequenza nucleotidica che è attaccata a uno dei singoli filamenti di DNA. Durante la replicazione del DNA, il primer è di solito una breve sequenza di acido ribonucleico (RNA), che viene poi degradata e sostituita dal DNA.

Il primer fornisce un gruppo idrossile 3′ su cui la DNA polimerasi aggiunge i precursori del DNA, i nucleotidi. Quando i nucleotidi vengono aggiunti all’estremità 3′ del primer o del nuovo filamento di DNA, si forma un legame tra il gruppo idrossile 3′ del primer/nuovo DNA e il gruppo fosfato 5′ del nucleotide.

Ci sono quattro tipi di nucleotidi di DNA, che hanno ciascuno basi azotate diverse: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Questi si trovano sempre in coppia, A-T e C-G. Questo si chiama “accoppiamento di basi Watson-Crick”, e quindi se il modello ha un nucleotide “A”, allora un nucleotide “T” sarà aggiunto al filamento di DNA in crescita. Se è un nucleotide “G”, allora un nucleotide “C” sarà aggiunto al filamento in crescita.

Direzionalità del DNA, e come influenza la sintesi del DNA

Il DNA ha direzionalità, con un filamento che va da 5′ a 3′ e l’altro che va da 3′ a 5′. Nel filamento 5′-3′, l’estremità 3′ è esposta durante la sintesi del nuovo DNA. Questo significa che la DNA polimerasi è in grado di creare nuovo DNA nella direzione del DNA modello.

Tuttavia, quando si tratta del supporto 3′-5′, questo lascerebbe l’estremità 5′ esposta; come fa la DNA polimerasi a gestire questo? Nel filamento 3′-5′, il nuovo DNA viene creato dalla DNA polimerasi che crea brevi frammenti 5′-3′, chiamati frammenti Okazaki. Poi un altro enzima, la DNA ligasi, collega i frammenti Okazaki insieme per formare il nuovo filamento di DNA 3′-5′.

Lettura di prova

A volte, si commettono errori quando si aggiungono nucleotidi sul filamento di DNA modello. Alcune DNA polimerasi hanno quella che viene chiamata “attività esonucleasica 3′-5′”. L’attività esonucleasica 3′-5′, lavorando contro la polimerasi o l’attività di sintesi, taglia via i nucleotidi che non corrispondono al template. Questo fornisce una correzione di bozze in modo che il nuovo filamento di DNA sia il più accurato possibile.

Come viene sfruttato in biologia molecolare?

Le proprietà della sintesi del DNA sono state usate in varie tecniche di biologia molecolare; reazione a catena della polimerasi (PCR) e sequenziamento del DNA.

Reazione a catena della polimerasi

PCR è una tecnica sviluppata negli anni 80 per amplificare una parte specifica di DNA. I primer del DNA sono progettati per coprire la regione di interesse. Il calore viene usato per separare i due filamenti di DNA, e la temperatura viene poi abbassata per permettere ai primer di attaccarsi al DNA. Una DNA polimerasi stabile al calore crea poi nuovi filamenti di DNA che corrispondono alla regione di interesse aggiungendo nucleotidi all’estremità 3′ dei primer.

Sequenziamento del DNA

Il sequenziamento del DNA consiste nel determinare l’ordine delle basi (A, C, G, T) presenti nel DNA. Il sequenziamento Sanger è una delle prime tecniche di sequenziamento del DNA, in cui la sintesi del DNA viene interrotta. Questo è reso possibile dalla rimozione del gruppo idrossile dall’estremità 3′ dei nucleotidi, quindi quando questi “nucleotidi dideossi” sono incorporati nel filamento di DNA la DNA polimerasi non può aggiungere il nucleotide successivo. Questi nucleotidi dideossi si mescolano con i nucleotidi, quindi si creano frammenti di varia lunghezza. Avendo dideossi-A, dideossi-C, dideossi-G e dideossi-T in reazioni separate, si può determinare l’ultimo nucleotide del frammento. Una volta separati per dimensione, la sequenza del DNA può essere determinata guardando quale sia l’ultimo nucleotide dei frammenti in base alla dimensione.

Anche se i moderni metodi di sequenziamento del DNA sono automatizzati e meno laboriosi del Sanger Sequencing, ce ne sono alcuni che si basano sul Sanger Sequencing; per esempio, diversi coloranti fluorescenti possono essere aggiunti ad ogni dideossi-nucleotide e le differenze rilevate da diversi colori di fluorescenza.

Altre letture

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• Che cosa è il DNA?
• Proprietà del DNA
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Scritto da

Dr. Maho Yokoyama

Dr. Maho Yokoyama è un ricercatore e scrittore scientifico. Ha ottenuto il suo dottorato di ricerca presso l’Università di Bath, Regno Unito, dopo una tesi nel campo della microbiologia, dove ha applicato la genomica funzionale allo Staphylococcus aureus . Durante i suoi studi di dottorato, Maho ha collaborato con altri accademici su diversi articoli e ha anche pubblicato alcuni dei suoi lavori in riviste scientifiche peer-reviewed. Ha anche presentato il suo lavoro in conferenze accademiche in tutto il mondo.

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