La duplicazione del DNA è il processo chimico che permette di trasmettere le informazioni genetiche da una cellula madre a due cellule figlie. Per capire come avviene questo processo, dobbiamo prima conoscere la composizione chimica del DNA.
Il DNA è una molecola formata da due catene di nucleotidi, che sono le unità fondamentali del DNA. Ogni nucleotide è composto da tre elementi: una base azotata, uno zucchero (il desossiribosio) e un gruppo fosfato. Le basi azotate sono quattro: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). Le due catene di nucleotidi si legano tra loro tramite legami a idrogeno che si stabiliscono tra le basi azotate complementari: A si lega con T e G si lega con C. In questo modo, le due catene formano una struttura a doppia elica, che ricorda una scala a chiocciola.
Il DNA si trova nel nucleo delle cellule eucariotiche, dove è organizzato in strutture chiamate cromosomi. I cromosomi sono formati da una lunga molecola di DNA avvolta attorno a delle proteine chiamate istoni. Ogni cromosoma contiene un certo numero di geni, che sono le porzioni di DNA che codificano per le proteine. Il numero e la forma dei cromosomi variano a seconda delle specie: per esempio, l’uomo ha 46 cromosomi, di cui 23 ereditati dal padre e 23 dalla madre.
Prima che una cellula si divida, deve duplicare il suo DNA in modo da avere due copie identiche di ogni cromosoma. Questo processo avviene durante la fase S del ciclo cellulare e coinvolge diversi enzimi. Il primo passo è l’apertura della doppia elica del DNA in due filamenti singoli, grazie all’azione di un enzima chiamato elicasi. Questo crea una forcella di replicazione, dove si attivano altri enzimi chiamati polimerasi. Le polimerasi aggiungono nuovi nucleotidi ai filamenti singoli, seguendo la regola della complementarità: A si accoppia con T e G con C. In questo modo, si formano due nuove doppie eliche di DNA, ognuna composta da un filamento vecchio e uno nuovo. Questo tipo di replicazione si chiama semiconservativa, perché conserva metà della molecola originale.
La duplicazione del DNA è un processo molto accurato, ma possono verificarsi degli errori o delle mutazioni. Alcune mutazioni sono casuali e non hanno effetti sulle caratteristiche dell’organismo, altre invece possono causare malattie o alterazioni genetiche. Per questo motivo, esistono dei meccanismi di riparazione del DNA che correggono gli errori prima che vengano trasmessi alle cellule figlie.
Conseguenza delle mutazioni quando si duplica il DNA
Le mutazioni sono cambiamenti permanenti del DNA che possono avere effetti diversi sull’organismo. Esistono tre tipi principali di mutazioni: geniche, cromosomiche e genomiche.
Le mutazioni geniche sono quelle che interessano la sequenza di basi del DNA in un singolo gene. Possono essere causate da errori nella replicazione del DNA o da agenti mutageni esterni, come radiazioni o sostanze chimiche. Le mutazioni geniche possono essere di diverso tipo:
- Sostituzione: una base viene sostituita da un’altra, ad esempio A diventa G.
- Inserzione: una o più basi vengono aggiunte alla sequenza, ad esempio AT diventa ATT.
- Delezione: una o più basi vengono rimosse dalla sequenza, ad esempio AT diventa A.
Le mutazioni geniche possono alterare il codice genetico e quindi la sintesi delle proteine. A seconda dell’effetto che hanno sulle proteine, le mutazioni geniche possono essere:
- Missenso: se la sostituzione di una base cambia l’amminoacido codificato, ad esempio UAC diventa UGC e codifica per cisteina invece che per tirosina.
- Nonsenso: se la sostituzione di una base introduce un codone di stop prematuro, ad esempio UAC diventa UAG e interrompe la traduzione della proteina.
- Silente: se la sostituzione di una base non cambia l’amminoacido codificato, grazie alla ridondanza del codice genetico, ad esempio UAC diventa UAU e codifica sempre per tirosina.
- Frameshift: se l’inserzione o la delezione di una o più basi altera la cornice di lettura del codone, provocando un cambiamento di tutti gli amminoacidi successivi, ad esempio AUG CCA GUA diventa AUG CAG UAC.
Le mutazioni cromosomiche sono quelle che interessano porzioni più o meno ampie dei cromosomi, che sono le strutture formate da DNA e proteine che contengono i geni. Possono essere causate da errori nella divisione cellulare (mitosi o meiosi) o da rotture e ricongiunzioni anomale dei cromosomi. Le mutazioni cromosomiche possono essere di diverso tipo:
- Delezione: una parte di un cromosoma viene persa, ad esempio il braccio corto del cromosoma 5.
- Duplicazione: una parte di un cromosoma viene ripetuta, ad esempio il braccio lungo del cromosoma 21.
- Inversione: una parte di un cromosoma viene invertita, ad esempio il segmento ABCD diventa DCBA.
- Traslocazione: una parte di un cromosoma si attacca a un altro cromosoma non omologo, ad esempio il segmento ABC del cromosoma 9 si attacca al cromosoma 22.
Le mutazioni cromosomiche possono alterare il numero e la funzione dei geni presenti sui cromosomi e quindi causare malattie genetiche o anomalie dello sviluppo.
Le mutazioni genomiche sono quelle che interessano il numero totale dei cromosomi presenti in una cellula. Possono essere causate da errori nella distribuzione dei cromosomi durante la meiosi, che produce i gameti (cellule sessuali). Le mutazioni genomiche possono essere di diverso tipo:
Le aneuploidie sono mutazioni che comportano la perdita o il guadagno di uno o più cromosomi rispetto al numero normale della specie (2n). Le aneuploidie possono essere causate da errori nella segregazione dei cromosomi durante la meiosi o da eventi di non-disgiunzione durante la mitosi. Le aneuploidie possono interessare sia i cromosomi autosomici che i cromosomi sessuali. Un esempio molto frequente di aneuploidie nell’uomo è la sindrome di Down, dove i soggetti affetti hanno un cromosoma in più nella coppia 21 con un totale di 47 cromosomi invece di 46. La conseguenza di ciò sembra essere dovuta principalmente all’età avanzata della madre dove la riproduzione cellulare produce cellule uovo con due cromosomi 21 invece di uno che legandosi al cromosoma del partner formano tre cromosomi 21.
Le poliploidie sono mutazioni che comportano il raddoppio o il moltiplicarsi del numero di cromosomi della specie (3n, 4n, ecc.). Le poliploidie possono essere causate da eventi di endoreduplicazione durante la mitosi o da fenomeni di ibridazione tra specie diverse. Le poliploidie sono più frequenti nelle piante che negli animali e possono conferire vantaggi adattativi come una maggiore resistenza agli stress ambientali o una maggiore fertilità.