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

DNA polimerasi


Molecola del mese di marzo 2000
La DNA polimerasi è l'enzima che crea una copia fedele del DNA della cellula

Introduzione
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 I e indagini di polizia
Il nostro DNA è unico, molto più 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 traccia biologica sulla scena di un crimine, il DNA può essere estratto, 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 (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 e gli altri ingredienti necessari alla sintesi (primer di DNA e nucleotidi trifosfato). 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. Per questo viene usata la DNA polimerasi I di Thermus aquaticus un batterio che vive nelle acque termali calde. Questa polimerasi, mostrata nella figura qui sopra (file PDB 1tau), sopporta temperature fino a 90°C, e può essere usata durante tutti i passaggi di riscaldamento e raffreddamento della PCR.

Lontani parenti
Tutti gli organismi viventi possiedono una DNA polimerasi. Alcune, come quelle illustrate qui a fianco, 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, la DNA elicasi (mdm 12/2013) che svolge la doppia elica del DNA, la primasi che costruisce un primer di RNA, e la DNA polimerasi III che costruisce la nuova catena. Alcune hanno persino una proteina a forma di anello che stringe la DNA polimerasi III alla catena di DNA consentendole di lavorare più a lungo e più velocemente.
In una cellula spesso ci sono molte polimerasi diverse: la DNA polimerasi III, più complessa, compie la maggior parte della duplicazione del DNA quando la cellula si divide, la DNA polimerasi beta aiuta nella ripararazione e nella manutenzione quotidiana del DNA, la DNA polimerasi I, durante la duplicazione del DNA, elimina il primer di RNA e lo sostituisce con nuovi nucleotidi usando il DNA esistente come innesco.
Qui sotto sono illustrate tre semplici polimerasi, ognuna con un piccolo pezzo di DNA legato. In ciascuna figura, la catena di DNA stampo è magenta, la catena neo sintetizzata è verde e viene allungata verso il basso.
A sinistra vi è la DNA polimerasi I di Escherichia coli (file PDB 1kln) in una versione troncata.
A destra vi è la DNA polimerasi beta umana (file PDB 1zqa).
Più sotto vi è una DNA polimerasi virale (file PDB 1clq).
Questi tre enzimi sono piuttosto diversi per dimensioni e forma, ma tutti si avvolgono attorno al DNA e chiudono la parte terminale del DNA in una tasca nella quale viene compiuta la reazione di sintesi.


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Per avere un'idea della complessità dal conpito svolto dalla DNA polimerasi, guardate questa animazione che mostra l'attività di duplicazione del DNA svolto da un complesso enzimatico che contiene la DNA elicasi (azzurra) e due copie dalla DNA polimerasi III (viola), una che agisce in modo continuo sulla catena veloce, l'altra che agisce su corti segmenti di DNA di circa 500 nucleotidi (detti frammenti di Okazaki) piegati ad anello copiandoli in senso contrario all'avanzamento della forcella di replicazione.
Si vede inoltre la primasi (verde scuro) e la proteina ad anello (verde chiaro). (www.wehi.edu.au/wehi-tv/molecular-visualisations-dna) oppure (https://www.dnalc.org/resources)

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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 (file PDB 1kln) e l'enzima sulla destra proviene da Thermus aquaticus (file PDB 1tau). L'enzima di E. coli è stato studiato in una versione tronca: la parte mancante 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, 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, controlla che le basi appena aggiunte siano corrette. La DNA polimerasi di Thermus aquaticus non ha questa capacità di autocorrezione, forse il calore in cui vive compie la stessa funzione provocando l'allontanamento dei nucleotidi legati in modo errato.
In basso vi è il sito 5' esonucleasi che rimuove i primer dalla catena figlia del frammento che lo precede. I primer sono piccoli frammenti di RNA che sono usati per iniziare la duplicazione del DNA.

 

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