Replicazione

Replicazione

Copiare: Cool for DNA, Cool for Us

Quando alcuni compagni di Shmoop erano a scuola, i loro insegnanti li beccavano sempre a copiare. Ma i compagni dicevano ai loro insegnanti che era nel loro DNA copiare. Non si poteva discutere con questa logica, quindi non si sono mai messi nei guai. Che bella storiella.

Quale parallelo stiamo cercando di tracciare con questa storiella non così sottile e buffa? Il DNA copia continuamente, e deve farlo se vuole continuare a fare tutte quelle cellule. E, oh, come lo fa! La replicazione del DNA è la copia del DNA in modo che le cellule replicanti abbiano abbastanza DNA per le cellule figlie, o le nuove cellule derivate dalla cellula originale. La divisione cellulare, o la creazione di una cellula in due nuove cellule, avviene attraverso la mitosi per le cellule non sessuali, o quelle cellule non coinvolte nel… sesso, e la meiosi per le cellule sessuali, o quelle cellule che si sporcano più velocemente di Vinny e Pauly D in una notte brava al Karma.

È solo una fase: Mitosi o Meiosi

Anche se le cellule sono di tutte le forme e dimensioni, come una pubblicità della Benetton, ci sono fondamentalmente due tipi di cellule:

1. Cellule sessuali (no, non quelle cose di Amsterdam)
2. Cellule somatiche (cellule non sessuali, che non sono neanche quelle cose di Amsterdam)

Le cellule sessuali sono le cellule che producono la prole degli eucarioti che si riproducono sessualmente, e si dividono in:

1. Cellule sperma che contengono la metà maschile del DNA
2. Cellule uovo che contengono la metà femminile del DNA

Ci sono quattro fasi principali nel ciclo di vita della maggior parte delle cellule eucariotiche (escluse le cellule sessuali).

Queste sono chiamate

• fase Gap 1 (o G1)
• fase di sintesi (o “S”)
• fase Gap 2 (G2)
• mitosi

E no, il Gap non sponsorizza la mitosi. Le fasi G1, S e G2 sono normalmente chiamate “interfase”, soprattutto da chi studia la mitosi. Anche se, se li prendi da soli, li chiamano “fase noiosa”.

G1

G1 è la fase del ciclo vitale eucariotico dopo la mitosi e prima della sintesi del DNA, che è la fase S. Durante la mitosi, la maggior parte dell’attività non mitotica è stata spenta, e G1 è il periodo in cui tutto ricomincia. G1 è come un insonne impazzito che sveglia la cellula dicendo: “Ehi, ho tagliato coupon per tutta la notte, è ora di svegliarsi e giocare con me!”

Fase S

La fase S è la fase di replicazione del DNA del ciclo vitale. Ne parleremo più tardi, ma se non puoi aspettare, clicca avanti. Questa fase è quella in cui la cellula raddoppia la quantità di DNA per fare abbastanza DNA per le cellule figlie, e la cellula passa da 2n a 4n, dove n è il numero di serie di cromosomi, o ploidia. La maggior parte delle cellule somatiche sono 2n, o diploidi, mentre le cellule sessuali sono aploidi, il che significa che hanno la metà del DNA delle cellule somatiche (cellule regolari).

Fase G2

G2 è la fase Jan Brady del ciclo cellulare. Tutti parlano sempre di “Mitosi, Mitosi, Mitosi!” e nessuno si preoccupa del povero G2. È il periodo del ciclo cellulare in cui avviene una maggiore sintesi proteica e si formano i microtubuli, che sono importanti per la mitosi. “Tutto qui?” Chiedete? Sì. Non è poi così importante, ed è per questo che molte cellule saltano questo passaggio. Le cellule di rana lo saltano, così come molte cellule cancerose. Povero G2…

Mitosi

La mitosi è la fase del ciclo cellulare che è così importante che ha un ciclo proprio. La mitosi inizia dopo il G2, e comincia con la profase, ovvero la condensazione della cromatina in cromosomi e centrosomi che si muovono verso i poli opposti della cellula. Questa fase è seguita dalla prometafase, uno stadio intermedio tra la profase e la metafase, dove l’involucro nucleare si rompe e i cromosomi iniziano ad assemblarsi su microtubuli che collegano i centrosomi. La metafase è quella in cui tutti i cromosomi sono allineati al centro, seguita dall’anafase, dove i cromosomi si dividono a metà e i cromatidi figli si spostano verso il centrosoma più vicino. La telofase e la citochinesi sono le fasi finali della divisione cellulare e della ricomposizione del nucleo in due cellule figlie, rispettivamente.

Meosi

La meiosi è la fase M delle cellule sessuali. Inizia come la mitosi, e dopo la produzione delle prime due cellule figlie, continua un secondo ciclo di mitosi. Le 2n cellule figlie si dividono ulteriormente per produrre 4 cellule figlie, e un sacco di matrimoni sovrapposti, ognuno con n cromosomi.

In principio… le origini della replicazione del DNA

Se il DNA non si replicasse mai, la meiosi e la mitosi dimezzerebbero lentamente la dimensione del genoma fino alla morte di ogni cellula, che probabilmente non durerebbe a lungo. Pertanto, è importante che il DNA si duplichi per tenere conto delle cellule che si dividono durante la mitosi/meiosi. La replicazione del DNA è simile alla trascrizione dell’RNA.

Di seguito c’è una tabella di confronto tra i due:

	Replicazione del DNA	Trascrizione dell’RNA
Prodotto	DNA a doppioDNA a doppio filamento	mRNA
Enzima	DNA polimerasi	RNA polimerasi
Nucleotidi Aggiunto	Deossinucleotide trifosfati	Nucleotide trifosfati
Template Strand	Both	Both, ma trascrive solo dal filamento antisenso

Come si chiamano i siti dove inizia la replicazione? Origini. Avremmo voluto che lo chiamassero Star Wars Episodio I: La minaccia fantasma, ma quel nome era già stato preso.

Le origini sono diverse a seconda del tipo di DNA. La maggior parte delle cellule eucariotiche e alcuni batteri e virus hanno un DNA lineare, il che significa che c’è un inizio e una fine alla sequenza del DNA. Pertanto, le origini della replicazione sono l’estremità 5′ del DNA lineare. La maggior parte dei batteri e alcuni virus hanno un DNA circolare, il che significa che c’è una sequenza specifica a cui le proteine di replicazione del DNA si legano (il che è in qualche modo analogo alla trascrizione dell’RNA), e la replicazione inizia da questo sito.

La replicazione del DNA inizia con il legame di una proteina iniziatrice, come la dnaA nei batteri E. coli, o un complesso di proteine, come il complesso di riconoscimento delle origini nel lievito. La funzione degli iniziatori è quella di fare leva sui due filamenti di DNA in modo che la replicazione possa iniziare. Questa situazione non è diversa da un cric che solleva la vostra auto quando cambiate una gomma. (Perché tutti sappiamo come farlo, giusto?) Se non sapete come cambiare una gomma, allora chiamate una compagnia di rimorchio e chiedete loro come lo fanno. Dopo che ti hanno detto come, urla: “È esattamente come la replicazione del DNA!” riattacca il telefono, e poi prega di non aver mai più bisogno di cambiare un pneumatico.

Una volta che il DNA è stato staccato, i primer di RNA entrano, uno si lega ad ogni filamento di DNA, e poi la replicazione del DNA procede in direzione 5′ a 3′. È importante capire che ci sono due replicazioni da 5′ a 3′ che avvengono simultaneamente. Queste due replicazioni sono chiamate ciascuna forcella di replicazione. Da non confondere con il cucchiaio di duplicazione.

Passa la forcella di replicazione

Quando si divide il DNA, abbiamo un filamento che va da 5′ a 3′ guardando da sinistra a destra, che chiameremo il filamento “ritardatario” e un filamento complementare che va da 3′ a 5′ guardando da sinistra a destra, che chiameremo il filamento “principale”. Pertanto, quando aggiungiamo primer di RNA, un primer si lega al filamento principale e l’altro primer si lega al filamento ritardatario. Il primer che si lega al filamento principale è identico alla sequenza del filamento in ritardo, mentre il primer che si lega al filamento in ritardo è identico alla sequenza del filamento principale. Speriamo che la tua testa non sia ancora esplosa.

Pensa alla replicazione del DNA come alla tua mano destra e sinistra. Sono essenzialmente le stesse, ma hanno sottili differenze. La tua mano sinistra ha il pollice come quinto dito se conti da sinistra a destra, mentre la tua mano destra ha il pollice come primo dito. Vedete? Scusa se ti abbiamo fatto saltare la testa. Quindi, come le vostre mani, entrambi i filamenti di DNA si replicano allo stesso modo, ma c’è una sottile differenza. La replicazione del DNA funziona solo in una direzione da 5′ a 3′, quindi due molecole di DNA polimerasi legano i primer dell’RNA e iniziano a replicarsi in direzioni opposte. La replicazione del filamento principale guida il processo di replicazione perché il primer RNA guida la replicazione del filamento da 5′ a 3′.

“Ma Shmoop, come si replica il filamento ‘ritardatario’?” si potrebbe chiedere.

Come suggerisce il nome, la replicazione del DNA del filamento principale continua per un po’ di tempo fino a quando un nuovo primer RNA si inserisce, e una seconda DNA polimerasi si innesca da quel secondo primer RNA in ritardo e replica il DNA fino a quando colpisce il primo primer RNA, o il precedente tratto di DNA a doppio filamento. Lì, la DNA polimerasi cade, e la DNA ligasi unisce questi frammenti di DNA. Questo processo continua simultaneamente alla sintesi del filamento principale, così ci sono molti piccoli frammenti di DNA a doppio filamento replicanti sul filamento ritardatario. Questi sono chiamati frammenti Okazaki, dal nome del duo marito e moglie Reiji e Tsuneko Okazaki, che li hanno scoperti.

Abbiamo già finito?

La replicazione del DNA termina nei batteri e nei virus con genomi circolari quando le due forchette di replicazione si incontrano sul lato opposto del cromosoma dall’origine della replicazione, in un magnifico gioco del pollo. La coraggiosa proteina terminatrice della replicazione interviene e mette in pausa la replicazione del DNA in modo che non si scontrino tra loro. Tuttavia, il meccanismo di terminazione porta a due cromosomi circolari incastrati l’uno all’altro come gli anelli di un mago. Gli enzimi topoisomerasi, come la DNA girasi e la topoisomerasi IV, che sono responsabili della scalfittura del DNA, tagliano temporaneamente un cromosoma in modo che l’altro possa passare. Ecco che roviniamo i trucchi di magia per tutti.

Animazione dell’accorciamento dei cromosomi lineari

I cromosomi lineari hanno un’altra serie di problemi perché con questi non si arriva mai alla completa replicazione del cromosoma completo. Ogni passo di replicazione accorcia il DNA un po’ di più. I batteri e i virus con cromosomi lineari aggirano questo problema o

• iniziando la replicazione al centro del cromosoma, o

• promuovendo la replicazione con una proteina invece di una sequenza primer di RNA.

Gli eucarioti non sono in grado di fare nessuna delle due cose, tuttavia, e hanno evoluto sequenze di terminazione chiamate telomeri che aggirano il problema dell’accorciamento del DNA.

Le estremità del DNA lineare eucariotico sono chiamate telomeri, e sebbene si accorcino regolarmente ad ogni ciclo di replicazione, enzimi chiamati telomerasi risolvono il problema dell’accorciamento del DNA. I telomeri sono altamente ripetitivi, e le telomerasi aggiungono brevi sequenze per allungare l’estremità del DNA in modo che non diventino troppo corti e che parti importanti della sequenza del DNA non vadano perse. Le telomerasi sono trascrittasi inverse, o enzimi (si capisce dalla -ase) che convertono l’RNA in DNA. Vedi la sezione “Spiderman e altri esempi di DNA ricombinante” per saperne di più.

Le telomerasi prendono una breve sequenza di RNA, la convertono in una sequenza di DNA a doppio filamento e la attaccano alla fine del DNA. C’è una lunghezza minima che i telomeri devono mantenere, e se la sequenza di DNA è più corta della lunghezza minima, chiamata limite di Hayflick, la cellula muore. Le telomerasi assicurano che la cellula possa continuare a replicarsi e a dividersi indefinitamente. E l’iperattività delle telomerasi è comunemente collegata al cancro, poiché le cellule diventano immortali, come The Highlander.

Whoops, sono stati fatti degli errori: Correzione e riparazione

Stai probabilmente pensando: “La DNA polimerasi pensa di essere così grande perché replica tutto il DNA del mio corpo in modo che io possa sopravvivere e continuare a subire mitosi e meiosi”. OK, siamo sicuri che la maggior parte di voi non sta pensando questo, ma stiamo al gioco della manciata di persone che lo pensa.

In realtà, la DNA polimerasi non è così grande! Fa errori come te o Shmoop – anche se i nostri errori sono per lo più il prodotto di troppe bevande energetiche di 5 ore mescolate a Twinkies fritti. Tuttavia, la DNA polimerasi deve correggere questi errori, mentre noi di Shmoop andiamo in un coma indotto dallo zucchero.

A volte, nella fretta della replicazione del DNA, viene aggiunta alla sequenza una base sbagliata che non si accoppia correttamente al filamento modello. Di conseguenza, otteniamo strane coppie di basi G-T o A-G. Ricordiamo tutti che le coppie normali sono G-C e A-T (Eh? Cos’è?). Queste coppie errate non sono buone per noi perché significa che i nostri geni sono mutati, e noi diventiamo mutanti. Poche mutazioni portano a cose fantastiche come il teletrasporto o la visione laser… o qualsiasi cosa uscita da X-Men. Shucks.

Grandi eucarioti come noi che si replicano lentamente e vivono a lungo non vogliono che accadano molte mutazioni. Perché? Ogni mutazione che influisce sulla nostra crescita è di solito… non buona… e ci farà male. Faccia triste.

Tuttavia, gli organismi più piccoli, come i batteri, i virus e persino le mosche, hanno cicli di vita brevi, dell’ordine dei giorni e, talvolta, delle ore. Si replicano come pazzi, dove ogni nuova generazione avrà 100s-1000s più individui della generazione precedente. Pertanto, le mutazioni nei loro casi possono essere più vantaggiose. A volte, vorranno sfuggire ai pesticidi, agli antibiotici o ai farmaci progettati per trattarli/ucciderli, motivo per cui è così difficile fare un farmaco che ci impedisca di ammalarci. Batteri e virus continuano a mutare e replicarsi. E, come abbiamo già notato, c’è poco controllo degli errori nelle loro polimerasi.

Brain Snack

Ecco un bel video di come funziona la replicazione del DNA.

Puoi individuare le DNA polimerasi? Sono le sfere multicolori, una per il filamento principale e una per il filamento ritardatario. Le polimerasi del filamento ritardatario sono quelle che entrano e poi escono quando il doppio filamento è completato.