DNA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è una struttura a doppia elica destrogira costituita da una sequenza di amminoacidi che codificano il codice genetico dei viventi. Il legame fosfodiesterico si crea tra gruppo fosfato di un nucleotide e il gruppo ossidrilico del nucleotide successivo, mentre le basi azotate degli amminoacidi di due filamenti antiparalleli (i quali hanno estremità libere 3' e 5' e rispettivamente gruppo libero ossidrilico e fosfato), formano legami intermolecolari a idrogeno, che richiedono pertanto meno energia rispetto ai legami covalenti per essere rotti, consentendo così un'agevole apertura della doppia elica DNA per effettuarne la duplicazione.

Il processo di replicazione del DNA è definita «semi-conservativo», in quanto a partire da ciascun filamento si ottiene una nuova doppia elica in cui un filamento poli-nucleotidico è quello originale e l'altro è di nuova formazione.

La duplicazione ha le seguenti fasi:

1. Inizio dall'origine di duplicazione
2. Formazione della bolla di duplicazione
3. Sintesi
4. Cessazione della duplicazione

La duplicazione non inizia in un punto qualsiasi del DNA, ma da una specifica sequenza nucleotidica. Il cromosoma batterico, ad esempio, ha un singolo cromosoma circolare e una singola origine di duplicazione. I cromosomi degli eucarioti, che sono lineari, hanno più origine di replicazione. In corrispondenza di una sequenza nucleotidica, in risposta a messaggi chimici, intervengono enzimi (es. elicasi) che facilitano lo svolgimento della doppia elica. In seguito, delle proteine (SSB) stabilizzano i singoli filamenti.

Lo svolgimento di un tratto dell'elica porta ad avere due filamenti separati con una struttura chiamata “bolla di duplicazione” con una forcella di duplicazione. La duplicazione prosegue in modo bidirezionale. La sintesi prosegue solo in direzione 5'3' del nuovo filamento; poiché i due filamenti originali sono antiparalleli, nei due segmenti avviene in modo opposto l'uno rispetto all'altro.

Per agire, le DNA-polimerasi possono iniziare la duplicazione legando un poli-nucleotide a una sequenza oligo-nucleotidica già esistente chiamata primer; la sintesi di questi viene catalizzata dall'enzima primasi che è in realtà un'RNA-polimerasi. I primer, usati per permettere l'avvio della sintesi del DNA, sono pertanto oligo-ribonucleotidi (frammenti di RNA).

Un'altra importante funzione della DNA-polimerasi è il proofreading: rilettura del DNA, rimozione degli errori di trascrizione e sostituzione dei primer con tratti di DNA.

Nel segmento 3'5', detto «filamento guida», la duplicazione avviene in modo lineare e continuo (il nuovo segmento ha il verso 5'3' concorde al verso di svolgimento dell'elica e dell'apertura della forcella), il filamento 5'3' (ritardato) viene duplicato a tratti, detti frammenti di Okazaki, ciascuno dei quali è costruito in direzione 5'3'; complessivamente la replicazione discontinua deve avvenire a mano a mano che l'elica viene svolta in verso 3'5', pertanto i frammenti sintetizzati in verso 5'3' vengono uniti nella fase di proofreading dalla DNA-polimerasi.

Nel corso dell'evoluzione le estremità dei cromosomi sono diventate sequenze ripetute non codificanti, dette «telomeri»: da un punto di vista evolutivo è un vantaggio, in quanto ogni volta sono rimossi piccoli tratti di DNA non codificante. Il processo di invecchiamento è tuttavia legato all'accorciamento dei telomeri. A un certo punto deve essere intaccata una parte di DNA codificante.