Perché non si è evoluta una DNA polimerasi 3’5′?

La sintesi del legame nucleotidico è catalizzata dall’enzima DNA polimerasi. Il legame avviene tra il gruppo fosfato legato al carbonio 5’ di un nucleotide trifosfato libero e il gruppo ossidrilico del desossiribosio del nucleotide già incorporato nella catena di DNA (estremità 3’). Si parla di sintesi del DNA in direzione 5’-3’ in quanto la catena di DNA sembra accrescersi a partire dalla sua estremità 5’, con l’aggiunta di nuovi nucleotidi alla sua estremità 3’ 

http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=3088

La sintesi del legame porta alla scissione del nucleotide trifosfato, con liberazione di un pirofosfato [(PO4-2)2]; la liberazione di pirofosfato sprigiona energia, quindi la sintesi del legame nucleotidico è favorita energeticamente. I nuovi nucleotidi vengono inseriti grazie alla loro complementarietà con il filamento parentale usato come stampo; ciò permette di mantenere la giusta conformazione tridimensionale della doppia elica di DNA.

Per far avvenire la sintesi, la doppia elica di DNA viene svolta per piccole porzioni dall’enzima elicasi e il DNA a singolo filamento viene stabilizzato dal complesso proteico SSB (Single Strand Binding proteins), fintanto che rimane srotolato. Si forma così la forca di replicazione. La sintesi del nuovo filamento di DNA procede prima lungo il filamento che permette la direzione giusta di allungamento 5’-3’ del nuovo filamento – filamento guida, in inglese leading strand – ed è sintetizzato in un unico passaggio. Su questo lato la replicazione è più veloce.
Poi la sintesi procede sul filamento opposto – filamento copia, in inglese lagging strand – dove avviene più lentamente e apparentemente in senso opposto (3’-5’). In realtà vengono sintetizzati tanti frammentini in direzione 5’-3’, che successivamente vengono saldati insieme dall’enzima DNA ligasi. Per questo la replicazione del DNA si dice discontinua.

Schema della replicazione del DNA. In blu è il filamento di DNA parentale. Le frecce in rosso indicano la direzione di sintesi del nuovo filamento, e il numero romano circolettato l’ordine con cui vengono sintetizzati i frammentini del filamento copia.

Vedere anche l’animazione nel sito:
http://biotech-adventure.okstate.edu/low/basics/dna_replication/direction/animation/

Tutte le DNA polimerasi in tutti gli organismi sono capaci di sintetizzare DNA soltanto in direzione 5’-3’. Data la complessità del modello della replicazione del DNA ci si può giustamente chiedere perché non si sia evoluta una polimerasi in grado di sintetizzare in direzione opposta. La risposta sembra essere legata alla necessità di correggere gli errori di inserimento dei nucleotidi, una funzione svolta dalla stessa DNA polimerasi, e che si espleta nella direzione 3’-5’ del filamento neo-sintetizzato. Circa ogni diecimila nucleotidi inseriti si verifica un errore e viene inserito casualmente il nucleotide sbagliato, non complementare a quello del filamento parentale usato come stampo.

Ciò comporta una deformazione della struttura tridimensionale del DNA in quanto l’appaiamento con in nucleotide del filamento opposto non è perfetto; questo porta la DNA polimerasi a fermarsi e a tornare indietro per scindere il legame appena sintetizzato. Questa attività di “correzione di bozze” permettere di mantenere basso il livello di errori (mutazioni) inseriti nelle catene di DNA neo-formate a circa un nucleotide sbagliato su due milioni di nucleotidi inseriti.

Se la attività di sintesi avvenisse in senso 3’-5’ cioè contrario a quello normale, la nuova catena di DNA conterrebbe l’ultimo nucleotide trifosfato nella sua estremità 5’; nel caso in cui questo nucleotide fosse quello sbagliato, l’attività di correzione di bozze lo taglierebbe via. Però così facendo, verrebbe rimosso dalla fine della catena di DNA il gruppo trifosfato, che fornisce l’energia necessaria alla sintesi del legame nucleotidico successivo. Ciò bloccherebbe l’allungamento della catena di DNA. Inoltre, se esistesse una polimerasi capace di sintetizzare DNA in direzione 3’-5’, oltre a quella esistente, occorrerebbe tutto un sistema aggiuntivo di correzione di bozze; evidentemente il sistema esistente di replicazione e correzione è quello energeticamente più conveniente e più semplice da evolvere, perché riassume due funzioni vitali per la cellula in un unico sistema.

Sito in italiano di divulgazione sulle biotecnologie
http://www.molecularlab.it/index.asp

In inglese
http://www.idthink.net/biot/lag/
http://www.virtuallaboratory.net/Biofundamentals/lectureNotes/Topic3-7_NucleicAcids.htm