DNA: duplicazione

Durante la fase S del ciclo cellulare, avviene la duplicazione del DNA, un processo fondamentale per la trasmissione del corredo genetico e quindi per il proseguimento della vita stessa; ciò che più dell'incredibile è che le informazioni relative questa autoriproduzione sono contenute nella molecola stessa! Data la notevole importanza, anche la difficoltà del processo lo è eccome: numerosi sono gli enzimi coinvolti e ancora oggi non si possiedono conoscenze del tutto complete. Comunque, le modalità generali con cui avviene tutto ciò sono piuttosto chiare.

• Innanzitutto, occorre precisare che l'autoriproduzione del DNA avviene da una specifica sequenza di nucleotidi, detta origine della duplicazione: la regione in cui essa avviene è detta bolla di duplicazione.
• La duplicazione del DNA non è statica: la descrizione sottostante si riferisce ad una situazione particolare ma il processo è continuo. 
• Il processo è, grossomodo, il seguente:

1. L'autoriproduzione inizia con l'intervento di un enzima mirato alla rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate dei due filamenti, separandoli: trattasi della DNA elicasi.
2. Intervento dell'enzima DNA topoisomerasi che limita l'azione della DNA elicasi (posizionandosi sul "polo" della bolla, la forcella di duplicazione) contemporaneo all'azione delle S.S.B.P. (Single Strand Binding Proteins) che impedisce la riformazione della doppia elica.
3. Intervento dell'enzima DNA primasi che inserisce una sequenza provvisoria composta da nucleotidi di RNA (il primer) in modo da comunicare un punto di partenza per la sintesi vera e propria.
4. Interviene una serie di enzimi definita nell'insieme DNA polimerasi III che è in grado di unire dei nucleotidi già presenti nella cellula (i deossiribonucleotidi trifosfato, siglati in dNTP) nella direzione 5'-3' mediante l'energia prodotta dalla sua azione separante i due gruppi fosfato eccedenti: il filamento che prosegue per quel verso è detto filamento guida, poichè il processo avviene senza rallentamenti.
5. Nel caso dell'antiparallelo, definito filamento in ritardo, la DNA primasi forma numerosi primer, costringendo la DNA polimerasi III ad agire a ritroso e in modo discontinuo (effettuando una sorta di riempimento tra i vari primer, i cosidetti frammenti di Okazaki).
6. I primer di RNA sono sostituiti da nucleotidi di DNA dall'enzima DNA polimerasi I.
7. Intervento dell'enzima DNA ligasi sul filamento in ritardo per renderne l'andamento continuo, mediante l'induzione dei legami covalenti mancanti o poco stabili tra i frammenti di nucleotidi.

• Durante questo processo che avviene in tempi molto brevi (considerate la quantità di informazioni da duplicare) avviene un costante controllo dell'andamento della duplicazione: esso è definito proofreading e consiste nel correggere eventuali errori compiuti. Questo procedimento è già intrinseco nella DNA polimerasi che identifica l'errato inserimento dei nucleotidi complementari; ovviamente, esistono molti altri enzimi protagonisti del proofreading.
• Il processo di proofreading è talmente preciso che in media si riscontrano solamente 1-2 errori al termine della duplicazione di circa 3 miliardi di informazioni: inoltre, per riparare questi errori che possono comunque risultare fatali, la cellula è solitamente in grado di ripararli, evitando così di incorrere ad una mutazione. 
• Esistono diversi altri metodi di proofreading, tra i quali (il più frequente e comune a procarioti ed eucarioti) la riparazione per escissione dei nucleotidi, che avviene grazie agli enzimi della "famiglia" Uvr, oltre che all'azione di DNA ligasi e DNA polimerasi.

DNA: struttura

DNA è la sigla che si è data ad una macromolecola nota come Acido DeossiriboNucleico. Oggigiorno, sappiamo che è proprio questo polimero formato da soli 4 unità (nucleotidi) ad avere il ruolo di materiale genetico e non le proteine, come si riteneva più probabile in origine.

• Il DNA è costituito da monomeri detti nucleotidi. Essi sono tutti composti da uno zucchero (il deossiribosio) legato ad un gruppo fosfato (in corrispondenza dell'atomo di carbonio numero 5) e ad una base azotata (in corrispondenza dell'atomo di carbonio numero 1): dato che i primi due composti rimangono fissi, esistono 4 diversi tipi di nucleotidi che differiscono tra loro solamente per il tipo di base azotata (ne esistono, infatti, di 4 tipi).
• Le basi azotate sono suddivise in due gruppi che, a prime analisi, differiscono per forma: trattasi delle purine (adenina e guanina), strutturate a due "anelli" (pentagonali), e delle pirimidine (timina e citosina), strutturate ad un solo "anello" (esagonale). 

Il DNA si presenta come una doppia elica lunga 2 metri erotti e spiralizzata. In particolare:

• Chiamiamo solco la distanza tra due spire del doppio filamento: si differenzia il solco maggiore ("spazio vuoto" dell'elica) dal solco minore ("spazio pieno" dell'elica).
• La distanza tra i due montanti della doppia elica (il diametro) misura 2 nm (nanometri).
• La distanza tra le basi di due nucleotidi misura 0,34 nm; inoltre, l'elica del DNA compie un giro completo ogni 10 basi azotate circa, quindi ad ogni 3,4 nm circa.

• I nucleotidi del singolo filamento sono legati tra loro tramite un legame covalente che avviene tra il deossiribosio del primo nucleotide e il gruppo fosfato del secondo; inoltre, si nota che da una parte il gruppo fosfato si lega al quinto atomo di carbonio dello zucchero, mentre dall'altra si lega al terzo atomo di carbonio del suo anello.
•  Tuttavia, se nel primo filamento un'estremità termina col gruppo fosfato, nel secondo filamento la stessa termina col gruppo ossidrilico: i due filamenti, quindi, proseguono in verso opposto e perciò sono definiti antiparalleli.
• I nucleotidi dei due diversi filamenti, invece, interagiscono per mezzo di legami a idrogeno che avvengono tra le basi azotate: si riscontra, inoltre, che le interazioni non sono casuali, bensì ogni purina è legata ad una pirimidina secondo le coppie adenina-timina (le uniche ad appaiarsi con due legami a idrogeno) e guanina-citosina (le uniche ad appaiarsi con tre legami a idrogeno).
• Ne consegue, allora, che le basi azotate sono complementari: infatti, ad una sequenza casuale di nucleotidi di un filamento, corrisponderà sempre una determinata sequenza di nucleotidi dall'altro.