Introduzione alla replicazione del Dna

Replicazione dna La struttura a doppia elica complementare del DNA è alla base della proprietà fondamentale di questa molecola, in quanto portatrice dell’informazione biologica ereditaria.

di Arturo Falaschi

La molecola del DNA consiste in una doppia elica, derivante dall’appaiamento specifico di due lunghi polimeri dei monomeri fondamentali, le cosiddette “basi” del DNA, che sono quattro, solitamente rappresentate con le lettere A, T, C e G. Le due eliche avvolte l’una sull’altra sono complementari, in quanto le basi si appaiano secondo delle regole molto precise (dettate dalle proprietà chimiche e fisiche del DNA), grazie a cui ogni A si apppaia ad un T, ogni G ad un C, e viceversa. Il genoma deglli organismi viventi, ossia la struttura che porta l’informazione biologica ereditaria, quella che codifica le proprietà di tutte le molecole che assicurano la sopravvivenza e la proliferazione di questi organismi, è formato, com’è noto, di DNA. In particolare, il genoma umano consiste di 46 molecole di DNA, ciascuna impacchettata in un corpicciolo visibile al microscopio ottico, detto cromosoma. Ognuna di queste molecole consiste di una doppia elica del diametro di due milionesimi di millimetro e lunga in media, se totalmente estesa, una quarantina di millimetri. In altre parole, il genoma umano porta tutta la sua informazione in due metri di DNA. La sequenza complessiva del genoma umano è di poco più di sei miliardi di coppie di basi.

La struttura a doppia elica complementare del DNA è alla base della proprietà fondamentale di questa molecola, in quanto portatrice dell’informazione biologica ereditaria: la sequenza di sei miliardi di coppie di basi deve essere trasmessa ad ogni generazione (dell’organismo o di una singola cellula) con assoluta precisione, dato che ogni singolo errore (anche una sola base sbagliata su sei miliardi) può portare a mutazioni dannose, anche incompatibili con la vita. Il processo di duplicazione del DNA ha luogo una volta per ogni divisione cellulare, ed è molto preciso, introducendo, ad ogni divisione cellulare, meno di un errore per miliardo di basi; esso si basa proprio sulle proprietà di complementarità della doppia elica: i legami che tengono appaiate le due eliche sono deboli e possono venir agevolmente aperti da appositi apparati multimolecolari, così che le basi espongono nell’ambiente intracellulare le funzioni che permettono di appaiarsi, seguendo le regole fisico-chimiche di appaiamento sopra dette, a singoli precursori monomerici del DNA contenenti ciascuno una delle quattro basi. Polimerizzando i momonomeri, da una doppia elica si formamo due identiche e, da una copia singola del genoma, si formano due copie che verranno trasmesse alle due cellule derivanti dal processo di duplicazione cellulare. Appare quindi evidente che il processo di duplicazione cellulare e quello di duplicazione del DNA devono essere accuratamente coordinati tra loro, altrimenti ad ogni divisione cellulare si potrebbe avere perdita o eccesso di patrimonio genetico nelle cellule figlie rispetto a quella di partenza, con conseguenze rapidamente incompatibili con la vita. Infatti, il processo di duplicazione del DNA, in tutti gli organismi, è finemente regolato evitando tali aberrazioni.

L’importanza cruciale della regolazione della duplicazione del DNA è duplice: innanzitutto, al fine di assicurare lo svolgimento di quel processo estremamente complesso che porta dall’uovo fecondato (che è una cellula con una singola copia del genoma) all’organismo adulto. Questo passa attraverso molti miliardi di eventi di duplicazione del genoma che devono essere finemente regolati per assicurare la formazione armoniosa dei diversi organi: in altre parole, ci deve essere proliferazione di un certo lignaggio cellulare e poi arresto, quando l’organo è formato. D’altra parte, la perdita di questa regolazione, nelle cellule dell’organismo adulto, può portare alla proliferazione cellulare incontrollata tipica dei tumori.

Negli organismi multicellulari, e in particolare nella specie umana, la regolazione della replicazione del genoma avviene attraverso l’attivazione, e successiva disattivazione, di particolari sequenze di DNA presenti nel genoma, dette “origini di replicazione”, su cui, al momento opportuno di ogni ciclo di duplicazione cellulare, si forma uno specifico complesso muti-proteico, che fa partire la duplicazione del DNA in due direzioni opposte lungo la molecola lineare. Nel genoma umano sono presenti circa 30.000 origini di replicazione, che vengono attivate una sola volta ad ogni ciclo cellulare; le molteplici ondate di duplicazione che partono dalle diverse origini si fondono fino a completare, una sola volta, la duplicazione del genoma, cui seguirà la divisione cellulare. Dopo che ogni origine è stata attivata ed ha innescato la duplicazione bi-direzionale del DNA adiacente, essa viene disattivata, grazie alla ristrutturazione del complesso multi-proteico ad essa specificamente legato, impedendo ogni riattivazione del processo fino a che le cellule figlie non si siano divise e non siano ancora assicurate le condizioni per permettere una nuova divisione cellulare.