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DNA polimerasi
Le DNA polimerasi sono un gruppo di enzimi che hanno la funzione di replicare il DNA estendendo un filamento già presente oppure sintetizzare un nuovo filamento totalmente de novo. Affinché l’enzima cominci a replicare il filamento di DNA è necessario che un primer, costituito da un breve frammento di RNA si leghi al DNA. La DNA polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi in direzione 5’ → 3’ catalizzando la formazione di legami fosfodiesterici. Questa reazione porta alla conseguente idrolisi del legame fosfato che fornisce l’energia necessaria per l’aggiunta del nuovo nucleotide.
Questa famiglia di enzimi è caratterizzata da un'alta specificità e accuratezza, alcune polimerasi riescono addirittura a correggere degli errori di accoppiamento di basi che non corrispondono tra loro.
DNA polimerasi nei procarioti
Gli organismi procarioti hanno 5 diverse DNA polimerasi: le DNA polimerasi 1-2-4-5 sono coinvolte nei processi di riparazione e correzione degli errori nella sequenza, mentre la DNA polimerasi 3 è quella responsabile della replicazione in direzione 5’ → 3’.
DNA polimerasi negli eucarioti
Anche gli eucarioti possiedono 5 tipi di DNA polimerasi:
- DNA polimerasi α (alfa), responsabile dell’allungamento dell’RNA primer,
- DNA polimerasi 𝛃 (beta), prevede alla correzione per escissione delle basi,
- DNA polimerasi 𝛄 (gamma), responsabile della replicazione del DNA mitocondriale,
- DNA polimerasi 𝛅 (delta) e 𝛆 (epsilon): principali enzimi della replicazione eucariota.
Le fasi della replicazione del DNA
Il processo biologico di duplicazione del DNA si divide in 3 principali fasi: inizio, allungamento e fine.
Inizio
In questa fase, le proteine iniziatrici avviano il processo di duplicazione legandosi a particolari punti del DNA da replicare detti “origine di replicazione”. Questi punti di “origine” sono caratterizzati dalla presenza di molte basi azotate adenina e timina (punti “A-T ricchi”) che sono più facili da dividere data la presenza di solo 2 legami a idrogeno. Una volta identificati i punti di origine si forma il complesso di pre-replicazione.
Allungamento
La fase di allungamento vede come protagonista l’azione delle DNA polimerasi. Quest’ultima però non può iniziare la replicazione del DNA se non riconosce sul DNA originale un gruppo 3’-OH.
Negli eucarioti la formazione di un estremità 3’-OH viene promossa da un complesso proteico, la DNA polimerasi α (alfa)/primasi che forma in direzione 5’ → 3’ brevi tratti di RNA (primer). In queste zone si formano dei tratti ibridi DNA/RNA. La DNA polimerasi 𝛆 (epsilon) può cominciare a sintetizzare il nuovo filamento in direzione 5’ → 3’. Quest’ultimo è detto filamento leader e viene sintetizzato in modo continuo.
Il suo complementare invece è chiamato filamento ritardato poiché non può essere sintetizzato in modo continuo. Come definito nel paragrafo 1, le polimerasi sintetizzano in direzione 5’ → 3’, per questo il filamento ritardato verrà sintetizzato in modo discontinuo siccome nessun enzima può replicarlo in direzione 3’ → 5’ come teoricamente si potrebbe pensare.
La sua replicazione verrà effettuata a partire dai primer che si susseguono per brevi tratti, dalle polimerasi in direzione 5’ → 3’, formando dei brevi frammenti chiamati frammenti di Okazaki. Quando durante la replicazione le DNA polimerasi incontrano il 5’ di un frammento di Okazaki precedentemente formato, interrompono la sintesi e si staccano, andando a cercare un altro primer per iniziare una nuova sintesi sul filamento ritardato.
Tutti i frammenti discontinui presenti sul frammento ritardato vengono uniti dall’enzima DNA ligasi, mentre l'RNA primer presenti in vari punti sui filamenti, vengono degradati dagli enzimi endonucleasi.
Fine
Durante il processo di duplicazione del DNA, quest’ultimo si ripiega formando una conformazione chiamata forcella di replicazione. Quest’ultima si forma perché l’enzima elicasi rompe i legami ad idrogeno che tengono uniti i due filamenti del DNA. Con la rottura di questi legami, il risultato sono due filamenti utilizzati come modello per i quelli in crescita (principale e ritardato). Le DNA polimerasi infatti aggiungeranno i nucleotidi complementari a quelli presenti sui due filamenti originali separati dall’elicasi.
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