Topologia del DNA
La topologia del DNA studia la conformazione tridimensionale della doppia elica e le strutture spaziali di ordine superiore che essa può assumere. Durante la replicazione del DNA si presenta un intrinseco problema topologico che deve essere costantemente risolto per consentire la progressione del macchinario replicativo.
Il Problema Topologico nella Replicazione
Per consentire l’inizio e la progressione della replicazione, i due filamenti complementari di DNA devono essere separati, formando una bolla di replicazione. Lo srotolamento meccanico della doppia elica in un punto specifico provoca l’accumulo di tensioni torsionali a valle della forcella replicativa, che si traducono in superavvolgimenti positivi (sovravvolgimenti).
Questi superavvolgimenti creano un blocco meccanico insormontabile per l’avanzamento della DNA polimerasi e dell’elicasi, arrestando il processo replicativo se non vengono tempestivamente rimossi.
Superavvolgimenti Positivi e Negativi
L’andamento spaziale dei superavvolgimenti definisce il loro segno e le loro proprietà fisiologiche:
- Superavvolgimento Negativo (Levogiro): L’andamento dei superavvolgimenti è sinistrorso, cioè opposto rispetto al senso di avvolgimento destrorso tipico della doppia elica di DNA (B-DNA).
- Ruolo fisiologico: Introduce una tensione che tende a srotolare la doppia elica (ipoavvolgimento), facilitando la denaturazione locale dei filamenti e favorendo i processi di replicazione e trascrizione.
- In vivo: Sia nei procarioti che negli eucarioti, il DNA cellulare si trova fisiologicamente in uno stato di superavvolgimento negativo.
- Superavvolgimento Positivo (Destrorso): L’andamento dei superavvolgimenti è destrorso, nella stessa direzione dell’avvolgimento della doppia elica.
- Ruolo fisiologico: Compatta ulteriormente la doppia elica rendendola più difficile da separare. Si genera davanti alla forcella replicativa e agisce come un freno al processo.
Il Numero di Legame (Linking Number)
Il Numero di Legame (Linking Number, ) è un parametro topologico invariante del DNA circolare chiuso o di domini di DNA ancorati. Rappresenta il numero di volte che un filamento di DNA si avvolge attorno all’altro.
Dove:
- (Twist - Avvolgimento): Il numero di giri che i due filamenti compiono l’uno attorno all’altro per formare la doppia elica classica.
- (Writhe - Superavvolgimento): Il numero di volte che l’asse della doppia elica si incrocia su se stesso nello spazio tridimensionale (superelica).
Proprietà del Linking Number
- È sempre un numero intero.
- Per un DNA rilassato, è pari a: (dove rappresenta il numero medio di coppie di basi per giro d’elica).
- Conservazione topologica: Finché lo scheletro zucchero-fosfato dei filamenti rimane covalentemente integro, non può cambiare. Se si riduce aprendo la bolla di replicazione, deve aumentare di pari valore introducendo superavvolgimenti positivi per mantenere costante .
- Per modificare è indispensabile rompere temporaneamente i legami fosfodiesterici del DNA. Questa reazione è catalizzata dalle Topoisomerasi.
🔗 Collegamenti
- Replicazione del DNA — ⬆️ causa
- Topoisomerasi — ⬇️ conseguenza
- Struttura del DNA — 📋 fa parte di