Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

DNA Polimerasi


Molecola del Mese di Marzo 2000

Il Segreto della Vita
La DNA polimerasi ha un ruolo centrale nei processi della vita. Ha la grande responsabilità di duplicare le nostre informazioni genetiche. Ogni volta che una cellula si divide, la DNA polimerasi duplica tutto il DNA, e la cellula ne passa una copia a ciascuna cellula figlia. In questo modo, le informazioni genetiche vengono trasmesse di generazione in generazione. Il DNA che abbiamo ereditato rappresenta un collegamento vivente fra ogni nostra cellula e le prime cellule primordiali apparse sulla Terra, un collegamento passato attraverso miliardi di generazioni. Le informazioni contenute nel nostro DNA sono state modificate e migliorate attraverso i millenni, e rappresentano il nostro bene più prezioso che ci è stato donato dai nostri genitori alla nascita e che noi trasmetteremo ai nostri figli.

Accuratezza sorprendente
La DNA polimerasi è l'enzima più accurato. Crea ogni volta una copia esatta del DNA e fa meno di un errore ogni miliardo di basi. Questa accuratezza è molto migliore di quella con cui noi sappiamo trattare le informazioni nel nostro mondo: immaginate di leggere mille romanzi, e di trovare solamente un errore. L'eccellente corrispondenza tra citosina a guanina e tra adenina e timina, che rappresentano l'alfabeto del DNA, può spiegare molta della specificità necessaria per questa grande accuratezza. Ma la DNA polimerasi fa ancora di meglio. Dopo aver copiato ciascuna base, la controlla ancora una volta e la elimina se la base è sbagliata.



DNA Polimerasi e indagini di Polizia
Il nostro DNA è unico, più unico di qualsiasi impronta digitale. Il nostro DNA è una miscela di DNA materno e paterno, a parte forse qualche piccola differenza dovuta a mutazioni. Questa unicità è stata usata con successo come prova nei tribunali. Se viene trovata una goccia di sangue sulla scena di un crimine, il DNA può essere analizzato e comparato col DNA di un sospetto colpevole. Se risultano identici, il criminale è stato colto sul fatto.
Naturalmente, c'è troppo poco DNA in una goccia essiccata di sangue. E' qui che la DNA polimerasi entra nel mondo dei tribunali. Un piccolo campione di DNA viene moltiplicato usando la PCR (la reazione a catena della DNA polimerasi), creando un campione abbastanza grande da essere analizzato con facilità. Una piccola quantità di campione viene messa in una provetta e viene aggiunta la DNA polimerasi. Poi il campione viene scaldato per qualche istante, per separare le due catene di DNA. A questo punto la DNA polimerasi costruisce un nuova doppia elica da ciascuna catena. Poi queste due copie sono ancora scaldate e duplicate producendo quattro copie. Dopo molti passaggi, si è formata una grande quantità di catene di DNA identiche. La nostra DNA polimerasi, e quella della maggior parte degli organismi, non sono adatte per questo processo perchè sarebbero distrutte durante i passaggi di riscaldamento. Ma oggi viene usata la DNA polimerasi di Thermus aquaticus un batterio che vive nelle acque termali calde. Questa polimerasi, mostrata nella figura qui sopra, è perfettamente a suo agio a 70 gradi centigradi, e può essere usata durante tutti i passaggi di riscaldamento e raffreddamento della PCR. Questo enzima può essere trovato nell'archivio PDB 1tau.


Esplorando la Struttura
Queste semplici DNA polimerasi hanno approssimativamente la forma di una mano. Entrambe provengono dai batteri: l'enzima sulla sinistra proviene da Escherichia coli (codice PDB 1kln) e l'enzima sulla destra proviene da Thermus aquaticus (codice PDB 1tau). L'enzima di E. coli è stato studiato in una versione troncata: la parte mancante, che non è presente in questa struttura PDB, è mostrata con un contorno verde. Lo spazio tra le "dita" e il "pollice" avrebbe proprio le dimensioni adatte ad ospitare la doppia elica del DNA. Ma, sorprendentemente, nell'enzima attivo il DNA viene legato nel "palmo della mano" . In queste figure, la catena madre è di colore porpora e la catena figlia è verde. L'enzima contiene tre siti attivi diversi. Il sito polimerasi, vicino alla cima in queste figure, sintetizza la nuova catena aggiungendo i nucleotidi.
Il sito 5'-3' esonucleasi, vicino al centro nella DNA polimerasi di E. coli, corregge le nuove basi appena aggiunte. La DNA polimerasi di Thermus aquaticus non ha questa capacità di correzione, forse il calore in cui vive compie la stessa funzione.
Sul fondo vi è il sito 5' esonucleasi che in un secondo momento rimuove i primer, i piccoli frammenti di RNA che sono usati per iniziare la duplicazione del DNA.
Queste figure sono state create con Chime. Anche voi potete creare immagini simili cliccando sui codici PDB e scegliendo una delle opzioni nel menù "View Structure".

Lontani Parenti
Tutti gli organismi viventi possiedono una DNA polimerasi. Alcune, come quelle illustrate qui sopra, sono piuttosto semplici: un solo enzima compie tutto il lavoro. Quelle che abbiamo nelle nostre cellule sono più complesse, sono composte da più proteine separate che svolgono la doppia elica del DNA, costruiscono un primer di RNA, e costruiscono la nuova catena. Alcune hanno persino una proteina a forma di anello che stringe la DNA polimerasi alla catena di DNA. In una cellula spesso ci sono molte polimerasi diverse: quelle più complesse compiono la maggior parte della duplicazione del DNA quando la cellula si divide, quelle più semplici aiutano nella ripararazione e nella manutenzione quotidiana del DNA.

Qui sopra sono illustrate tre semplici polimerasi, ognuna con un piccolo pezzo di DNA legato. In ciascuna figura, la catena di DNA stampo è viola e la catena neo sintetizzata è verde. A sinistra in alto vi è la DNA polimerasi I di Escherichia coli, disponibile con il codice di accesso PDB 1kln. A destra in alto vi è la DNA polimerasi umana, dall'archivio PDB 1zqa. Più sotto vi è una DNA polimerasi virale, dall'archivio PDB 1clq. Questi tre enzimi sono piuttosto diversi per dimensioni e forma, ma si noti che tutti si avvolgono attorno al DNA e chiudono la parte terminale del DNA in una tasca nella quale viene compiuta la reazione di sintesi.