Il DNA: struttura e duplicazione

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1) In dieci righe: quello che ti serve se la verifica è domani
2) Non sono quattro cose diverse: DNA, cromatina, cromosoma, gene
3) A con T, G con C: le basi, i due legami e la regola di Chargaff
4) I due filamenti corrono in senso opposto: che cosa vogliono dire davvero 5' e 3'
5) Quando succede: la fase S — e la duplicazione passo passo
6) Filamento veloce e filamento lento: perché uno solo va a pezzi
7) "Semiconservativa": contarla invece di ripeterla
8) Quando la copia sbaglia: correzione di bozze, e da dove nasce un allele nuovo
9) Undici esercizi svolti sulla complementarietà
10) Gli errori da non fare (quelli veri, visti in verifica)
11) Domande frequenti
12) Conclusioni: tre guide, un percorso

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In dieci righe: quello che ti serve se la verifica è domani

Se sono le dieci e mezza di sera e domani hai il compito, leggi questo riquadro e poi salta al paragrafo che ti manca.

• Il DNA è fatto di nucleotidi, e ogni nucleotide ha tre pezzi: uno zucchero (il desossiribosio), un gruppo fosfato e una base azotata. È la domanda numero uno dei test.
• Le basi sono quattro: adenina (A), timina (T), citosina (C), guanina (G).
• Si appaiano sempre allo stesso modo: A con T, tenute da 2 legami a idrogeno, e G con C, tenute da 3. Il numero dei legami si chiede a crocette.
• La molecola è una doppia elica: scheletro di zucchero e fosfato ai lati, basi appaiate al centro. Una scala a pioli attorcigliata.
• I due filamenti sono antiparalleli: uno va da 5' verso 3' scendendo, l'altro da 5' verso 3' salendo.
• Il modello è del 1953, di James Watson e Francis Crick, sui dati ai raggi X di Rosalind Franklin e Raymond Gosling.
• Il DNA si copia una volta sola per ciclo cellulare, nella fase S dell'interfase. Non durante la mitosi.
• La copia è semiconservativa: ogni doppia elica figlia ha un filamento intero vecchio e un filamento intero nuovo. Mai "metà vecchia e metà nuova".
• Gli enzimi, in ordine: l'elicasi apre, la primasi mette l'innesco, la DNA polimerasi allunga (e allunga solo 5'→3'), la DNA ligasi salda.
• Da quell'unica regola — la polimerasi allunga solo l'estremità 3' — discende tutto il resto: filamento veloce continuo, filamento lento a pezzi, frammenti di Okazaki, ligasi.

La tabellina da fotografare

I dati geometrici vengono da StatPearls del NCBI e da Molecular Biology of the Cell di Alberts; le paia di basi dall'assemblaggio T2T-CHM13, il primo genoma umano senza buchi (Nurk e colleghi, Science, 2022). Il numero usato qui è quello della release v2.0, che al lavoro del 2022 aggiunge il cromosoma Y completato da Rhie e colleghi (Nature, 2023). E una precisazione che quasi nessuno fa: CHM13v2.0 mette insieme i 22 autosomi e la X della linea cellulare CHM13 con la Y di un secondo donatore, quindi è il catalogo completo delle sequenze umane, non il corredo di una persona sola, che ha o la X o la Y (circa 3,05 miliardi di paia di basi nella versione con la X).

Attenzione: qui NON si parla di trascrizione. Duplicare vuol dire fare una copia identica di tutto il DNA, in DNA, prima di dividersi. Trascrivere vuol dire copiare un solo gene in RNA per costruire una proteina, e succede in continuazione anche in una cellula che non si sta dividendo. Due processi diversi, in momenti diversi, con enzimi diversi. E se il tuo libro dice replicazione, è la stessa identica cosa.

Come usare questa guida

• In seconda ti servono i paragrafi 1, 2, 3, 5, 7, e del 4 le prime due parti — che cosa sono davvero 5' e 3', e l'antiparallelismo — perché senza quelle gli esercizi 1, 2 e 3 non si fanno, e nel paragrafo 5 il "sempre e solo 5'→3'" resta una sigla senza significato. Del 6 ti basta arrivare fino all'analogia della lavagna. Gli esercizi dall'1 al 7.
• In seconda puoi lasciar perdere due cose: la parte storica del paragrafo 4 (Franklin, la Foto 51, il Nobel), che è bella da leggere ma non si ripassa la sera prima; e il riquadro con i numeri dei frammenti, in fondo al paragrafo 6.
• In terza servono il 4 e il 6 per intero, l'8, e gli esercizi da 8 a 11.
• I riquadri Approfondimento — triennio sono, in generale, le parti che in seconda non ti chiedono.

Se stasera hai un'ora sola: paragrafo 4 fino in fondo a "L'immagine giusta", poi paragrafo 6 fino alla lavagna, poi gli esercizi 1, 2 e 3. Sono i due punti su cui si perde tutta la classe, e sono anche i due che, capiti una volta, non si scordano più.

Questa guida sta in mezzo alle altre due di scienze. In mitosi e meiosi hai visto quando il DNA raddoppia, guardando la cellula da fuori; nelle leggi di Mendel hai visto che cosa fanno gli alleli. Qui si apre la scatola e si guarda la scrittura.

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Non sono quattro cose diverse: DNA, cromatina, cromosoma, gene

Prima di qualunque definizione, la frase che risolve metà dei problemi:

DNA, cromatina e cromosoma non sono tre oggetti. Sono la stessa sostanza a tre ingrandimenti diversi.

La scala, dal piccolo al grande:

1) Nucleotide — il mattone singolo.
2) Filamento di DNA — tanti nucleotidi legati in fila.
3) Doppia elica — due filamenti appaiati e avvolti.
4) Cromatina — la doppia elica avvolta attorno a proteine chiamate istoni, come un filo attorno a tanti rocchetti.
5) Cromosoma — la stessa cromatina, compattata al massimo, quando la cellula si deve dividere.

E il gene? Il gene non è un gradino di questa scala: è un ritaglio, un tratto di quella sequenza con un inizio e una fine, in una posizione precisa che si chiama locus. Non è un oggetto appoggiato sopra il cromosoma, non è una pallina, non è una fascia colorata: è una porzione di testo.

L'analogia che useremo per tutta la guida

Tienine una sola, fino in fondo. Il DNA è un testo scritto: le lettere sono le basi A, T, C, G; il paragrafo è il gene, con un inizio, una fine e una pagina precisa; il volume rilegato è il cromosoma. La cromatina è quel volume aperto e in uso sulla scrivania, il cromosoma metafasico è lo stesso volume chiuso e messo in scatola per il trasloco.

Ecco la frase che quasi nessuno scrive: cromatina e cromosoma non sono due cose, sono la stessa cosa in due momenti diversi del ciclo cellulare. In quali momenti sta tutto nella guida su mitosi e meiosi.

Il nucleotide, smontato

Un nucleotide è fatto di tre pezzi incastrati:

• uno zucchero a cinque atomi di carbonio, il desossiribosio (il nome ti serve, la formula no);
• un gruppo fosfato, la parte che aggancia un nucleotide al successivo;
• una base azotata, che è la lettera vera e propria: A, T, C oppure G.

Zucchero e fosfato, alternati, formano i montanti della scala; le basi sporgono all'interno e formano i pioli. Cambia solo la base: per questo il DNA è un testo e non un impasto, e l'informazione sta tutta nell'ordine delle lettere.

Il divieto che ti fa guadagnare mezzo voto all'orale

Non dire mai "il gene per gli occhi azzurri". Di': "il gene che contiene le istruzioni per una proteina, e quella proteina influenza il colore degli occhi". Il salto diretto gene → carattere, saltando la proteina, è l'errore più stabile che i professori sentano — e si corregge in tre parole.

Quanto DNA c'è, davvero

Una cellula umana diploide contiene poco più di sei miliardi di paia di basi: facciamo il conto sui due corredi del genoma di riferimento completo, 6.234.584.140, e ricorda che ogni paio occupa 0,34 nm lungo l'asse. Moltiplica:

6.234.584.140 × 0,34 nm = 2.119.758.607,6 nm = 2,12 metri.

Due metri e dodici di filo in una sola cellula, dentro un nucleo di circa 6 µm: un fattore di circa 350.000 fra la lunghezza del filo e la larghezza della scatola. Detto altrimenti, una pallina da tennis (6,7 cm) è circa 11.200 volte più grande di quel nucleo, e ingrandendo il DNA nella stessa proporzione quei 2,12 metri diventano quasi 24 chilometri di filo dentro la pallina.

Nota di onestà. Molte fonti divulgative dicono "circa 2 metri"; l'NHGRI scrive "6 piedi", cioè 1,83 m. Sono la stessa misura, stimata a partire da conteggi di paia di basi leggermente diversi e arrotondata in modi diversi: quello che conta è l'ordine di grandezza, un paio di metri di filo in una cellula sola.

E in tutto il corpo? Attenzione al numero che gira ovunque. Si legge dappertutto che il DNA di una persona coprirebbe 250 volte la distanza Terra-Sole andata e ritorno. È sbagliato: quel conto tratta tutte le cellule come se avessero il DNA, ma quasi il 90% sono globuli rossi, che il nucleo l'hanno espulso maturando, e piastrine, che non sono nemmeno cellule intere ma frammenti staccati da un'altra cellula, e un nucleo non l'hanno mai avuto. La conta viene da Sender, Fuchs e Milo (PLoS Biology, 2016): circa 3×10¹³ cellule in tutto, per l'84% eritrociti e per il 5% piastrine. Restano circa 4×10¹² cellule davvero nucleate, e vengono 8,5 miliardi di chilometri, cioè circa 28 andate e ritorno: sempre oltre Plutone, ma è il numero giusto.

La domanda-trappola che quasi nessuno azzecca

Un cromosoma duplicato, con i suoi due cromatidi fratelli, porta il DNA di quanti genitori?

Risposta: uno solo. In uno studio su CBE—Life Sciences Education (Newman e colleghi, 2012) il 96% degli studenti sapeva ripetere che rapporto c'è fra cromosoma e DNA, ma solo il 33% rispondeva bene a questa domanda. Sapere la definizione e saperla usare sono due cose diverse, e la seconda è quella che decide il voto.

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A con T, G con C: le basi, i due legami e la regola di Chargaff

Le quattro basi si dividono in due famiglie, e la divisione ha una conseguenza fisica:


L'appaiamento è sempre una grande con una piccola: A con T, G con C. Mai due purine, mai due pirimidine. Per questo la doppia elica ha un diametro costante: ogni piolo è largo uguale, perché è sempre una purina più una pirimidina.

E adesso la parola che userai da qui in avanti: due basi che si appaiano si dicono complementari, e due filamenti appaiati sono complementari l'uno dell'altro. Non è un sinonimo generico di "che stanno bene insieme": vuol dire una cosa precisa e fortissima, cioè che conosciuto un filamento, l'altro si ricava lettera per lettera, senza un solo margine di scelta. È su questo che sono costruiti gli esercizi del paragrafo 9, ed è anche il motivo per cui una cellula riesce a copiarsi: le basta tenere un filamento per riavere l'altro.


Attenzione: qui quasi tutti fanno un salto sbagliato. "Grande con piccola" spiega perché l'elica ha lo stesso diametro dappertutto, ma non dice chi si appaia con chi. Anche A con C sarebbe una purina più una pirimidina, eppure non capita mai.

Il motivo sta nei legami a idrogeno stessi. Su ogni base ci sono degli agganci, e ognuno di essi sa fare una cosa sola: o offrire un legame a idrogeno, o riceverlo. Una spina e una presa. Perché il piolo tenga, ogni aggancio di una base deve trovarsi davanti quello complementare dell'altra — e questo succede in due soli casi: gli agganci dell'adenina combaciano solo con quelli della timina (due coppie spina-presa, ed ecco i 2 legami della tabella qui sopra), quelli della guanina solo con quelli della citosina (tre coppie, ed ecco i 3). Se provi ad avvicinare A e C, si ritrovano faccia a faccia due agganci dello stesso tipo, che invece di legarsi si respingono: il piolo non tiene.

Quindi sono due regole in fila, non una. La dimensione fa sì che l'elica venga regolare; gli agganci decidono chi con chi. Se ti chiedono "perché A si appaia con T", la risposta che vale il punto pieno è la seconda — e i numeri 2 e 3 smettono di essere due cifre da mandare a memoria: sono quanti agganci combaciano.

Il cuore chimico, che va capito qui e non fra dieci paragrafi

Nel DNA ci sono due tipi di legame completamente diversi, e confonderli manda all'aria tutta la duplicazione.

• I montanti della scala — lo scheletro di zucchero e fosfato — sono tenuti da legami covalenti (al triennio, fosfodiesterici). Sono acciaio saldato: per separare i due filamenti quei legami non vengono mai aperti. Si staccano solo le calamite.
• I pioli — le coppie di basi al centro — sono tenuti da legami a idrogeno. Sono calamite: una per una si staccano con un dito.

E allora perché la doppia elica non si sfascia da sola? Perché di calamite ce ne sono milioni, e insieme tengono benissimo: è la distinzione fra forza singola e forza collettiva, il punto che manca sempre.

L'elicasi stacca le calamite, non taglia l'acciaio. La doppia elica non viene rotta né spezzata: viene aperta. È progettata per essere aperta.

Attenzione a non irrigidire la frase. "L'apertura non tocca lo scheletro" non vuol dire "durante la duplicazione lo scheletro non lo tocca nessuno". Sul filamento nuovo lo scheletro viene costruito da zero dalla polimerasi e richiuso dalla ligasi; e la topoisomerasi lo taglia e risalda per scaricare la torsione davanti alla forcella (paragrafo 5). Sono lavori diversi dall'apertura, e in verifica si chiedono separatamente.

Da qui in avanti, lessico bloccato: mai "rompere il DNA", "spezzare la molecola", "tagliare"; sempre separare i due filamenti, aprire, staccare le coppie di basi. Il lessico approssimativo non descrive l'errore: è l'errore.

E dietro c'è una ragione di senso: se le due metà fossero saldate non si potrebbero separare per copiarle; se lo scheletro fosse debole, l'informazione si sfascerebbe da sola. Il DNA è fatto per essere solidissimo per il lungo e apribile per il traverso.

La regola di Chargaff

Erwin Chargaff, fra la fine degli anni Quaranta e i primi anni Cinquanta, misurò le quattro basi in campioni di specie diverse e trovò una regolarità che nessuno sapeva spiegare: in ogni DNA a doppio filamento %A = %T e %G = %C.

Sembra una curiosità da tabella. Non lo è: se l'adenina è tanta quanto la timina e la guanina quanta la citosina, vuol dire che stanno accoppiate a due a due. Chargaff aveva in mano la prova dell'appaiamento specifico senza saperlo; Watson e Crick, nel 1953, capirono che quei numeri erano un vincolo di costruzione.

Esercizietto da tre righe, di quelli che cadono davvero. Se in un campione di DNA a doppio filamento l'adenina è il 30%, quanto vale la guanina? Se A = 30% allora T = 30%; A più T fanno il 60%, quindi a G e C resta il 40%; e siccome sono uguali fra loro, G = 20% e C = 20%.

Il dettaglio che collega tutto

Le zone ricche di A e T sono tenute da soli due legami a idrogeno per coppia, quindi si aprono con meno fatica. Nei batteri e nel lievito è proprio lì che cade il punto in cui la duplicazione comincia, l'origine di replicazione: la cellula apre il libro dove la rilegatura è più debole. In organismi come noi il punto di partenza non è scelto solo dalla sequenza — contano anche come il DNA è impacchettato sugli istoni e le proteine che marcano il punto — ma il principio chimico resta lo stesso: 2 e 3 non sono due numeri da mandare a memoria, sono la misura di quanta fatica costa aprire.

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I due filamenti corrono in senso opposto: che cosa vogliono dire davvero 5' e 3'

La domanda vera che si fanno tutti non è "che cos'è l'antiparallelismo". È: perché quei due numeri?

Prima i numeri, poi la parola

Lo zucchero del nucleotide, il desossiribosio, ha cinque atomi di carbonio, numerati da 1 a 5. Si scrive 1', 2', 3', 4', 5' con l'apice solo per non confonderli con i numeri degli atomi della base: l'apice non è un simbolo misterioso, vuol dire "sto parlando dello zucchero, non della base".

Quando due nucleotidi si legano, il gruppo fosfato aggancia il carbonio 5' di uno zucchero al carbonio 3' del successivo. Sempre così, per tutta la fila.

Detto così sembrerebbe che le due punte siano uguali: ogni nucleotide ha un 5' e ha un 3'. Mettine tre in fila e guarda che cosa avanza (qui disegno solo lo scheletro, le basi sporgono di lato):

` fosfato-5'[zucchero]3'-fosfato-5'[zucchero]3'-fosfato-5'[zucchero]3'-OH `

Nel mezzo ogni fosfato lavora da tutte e due le parti: tiene il 3' di uno zucchero e il 5' di quello dopo, e così non resta scoperto né un 5' né un 3'. Alle punte no. In cima c'è un fosfato che tiene da un lato solo; in fondo c'è un 3' che non ha nessun fosfato da tenere e si ritrova con il suo -OH libero. Da una parte avanza fosfato, dall'altra avanza ossidrile.

Conseguenza: un filamento ha due estremità chimicamente diverse.

• Da una parte sporge un gruppo fosfato libero: è l'estremità 5'.
• Dall'altra sporge un ossidrile (-OH) libero: è l'estremità 3'.

Non è una convenzione. È chimica. 5' e 3' non sono "sinistra e destra" decise dal professore: sono i nomi di due atomi di carbonio diversi, e le due estremità sono davvero fatte di cose diverse.

L'immagine giusta

Un filamento non è uno spago, uguale da tutte e due le parti: è una fila di frecce tutte rivolte nello stesso verso. E i due filamenti della doppia elica sono due scale mobili affiancate: una sale e l'altra scende — non due strade parallele, che non renderebbero l'opposizione. Ecco che cosa vuol dire antiparallelo: non "storto", ma orientato in senso opposto.

Perché non possono correre nello stesso verso. Qui quasi tutte le pagine si fermano a dire che è così. Non è un capriccio della natura, e si capisce provando a disegnarli sbagliati: paralleli, tutti e due con il 5' a sinistra. Ogni base è attaccata al suo zucchero da un lato solo, e in una coppia A-T i due zuccheri devono stare uno di qua e uno di là del piolo, come due mani che si stringono da parti opposte del tavolo. Se i due filamenti vanno nello stesso verso i due zuccheri finiscono dalla stessa parte: le basi non si guardano in faccia e il piolo non si chiude. Antiparallelo non è una regola in più da imparare: è l'unico modo in cui i pioli entrano. (Sto semplificando la geometria; al triennio la vedrai fatta per bene, ma il verdetto non cambia.)

E adesso il disegno che vale mezz'ora di spiegazione. Le scale mobili servono a capire, ma in verifica le sequenze si scrivono in riga. Un tratto di doppia elica si scrive su due righe, una sopra l'altra:

` 5'-A T T G C C A T-3' 3'-T A A C G G T A-5' `

Guarda solo i quattro angoli: 5' in alto a sinistra, 5' in basso a destra. Le due estremità 5' non stanno mai dalla stessa parte, e lo stesso vale per le 3'. È tutto qui l'antiparallelismo, ed è tutto quello che ti serve per gli esercizi da 1 a 3: se copri la riga di sotto e la vuoi riscrivere partendo dal suo 5', devi leggerla da destra verso sinistra. Tieni a mente questo schema anche per l'esercizio 8, dove si parla di "filamento in alto" e "filamento in basso" dando per noto proprio questo disegno.

Regola grafica ferrea, per tutta la guida e per tutti i tuoi compiti: ogni volta che scrivi una sequenza, scrivi le estremità. Mai ATTGCCAT. Sempre 5'-ATTGCCAT-3'. Le sequenze senza orientamento sono la scuola dell'errore, e in verifica il mezzo voto si perde lì.

Tienilo a mente: fra due paragrafi questo dettaglio presenta il conto.

Come si è scoperto: 1953, e la storia com'è andata davvero

Il modello non è nato da un'intuizione a occhi chiusi, ma da immagini di diffrazione ai raggi X più i numeri di Chargaff. I fatti documentati, in ordine:

• Maggio 1952: al King's College di Londra, Rosalind Franklin e il suo dottorando Raymond Gosling ottengono la Fotografia 51, una diffrazione di fibra di DNA nella forma B, quella idratata, con giorni di esposizione ai raggi X. Fu Franklin a capire che il DNA esiste in due forme, A e B, e a ottenere la B pulita: è quella la cui croce diffrattiva grida "elica".
• Fine gennaio 1953 (il 30, secondo il racconto di Watson): Maurice Wilkins mostra la Foto 51 a James Watson, senza che Franklin lo sappia. Qui non c'è un documento d'archivio: l'episodio lo raccontano i protagonisti stessi — Watson nel suo libro di memorie La doppia elica, Wilkins nella propria autobiografia, Gosling in più interviste. E la foto da sola non bastava a costruire il modello: quello che serviva davvero, le misure e la simmetria, stava nel rapporto qui sotto.
• I dati cristallografici di Franklin arrivano a Francis Crick con un rapporto MRC del dicembre 1952, passatogli dal suo supervisore Max Perutz. Ed è qui il punto tecnico che conta: è la simmetria del cristallo misurata da Franklin a implicare che i due filamenti sono antiparalleli. La storia sta qui perché è qui che ha prodotto il concetto.
• 25 aprile 1953: Nature pubblica tre articoli affiancati — Watson e Crick con il modello; Wilkins, Stokes e Wilson; Franklin e Gosling, questi ultimi due con l'evidenza sperimentale. Nel 1954, sui Proceedings of the Royal Society, Crick e Watson ammettono in nota che senza i dati ai raggi X del gruppo del King's — Franklin, Wilkins e i loro collaboratori — la formulazione della loro struttura sarebbe stata "molto improbabile, se non impossibile".

Le due leggende da non ripetere, entrambe smontate con documenti primari da Matthew Cobb e Nathaniel Comfort su Nature nel 2023:

1) Franklin non capiva i suoi dati. Falso. Nell'archivio Franklin al Churchill College di Cambridge c'è la bozza — mai pubblicata — di un articolo che la giornalista Joan Bruce preparò per Time nel 1953 consultandosi con Franklin, e che descrive il lavoro come condotto da due squadre: Franklin e Wilkins sul versante sperimentale, Watson e Crick su quello teorico, con Franklin che verifica il modello contro i propri dati. Non è il racconto di una vittima, è quello di una collaborazione fra pari.
2) Watson e Crick rubarono la foto. Falso, e il perché conta. Quella stampa Wilkins ce l'aveva legittimamente: gliel'aveva consegnata Gosling, il dottorando che l'aveva ottenuta lavorando con Franklin e la cui supervisione era tornata a Wilkins quando fu deciso che Franklin lasciasse il King's — Randall aveva disposto che il lavoro sul DNA restasse lì e che i dati passassero di mano. Nessun cassetto forzato, nessuna sottrazione; e anche il rapporto MRC del 1952 circolava per canali istituzionali normali. Quello che resta, e non va addolcito, è che a Franklin non fu chiesto niente: la sua foto fu mostrata a Watson senza avvisarla. Non fu un furto; ma resta — ed è un giudizio mio, non dei documenti — una cultura in cui i dati di una donna passavano di mano fra uomini senza che a nessuno venisse in mente di chiederle un parere.

Rosalind Franklin muore il 16 aprile 1958, di cancro ovarico, a 37 anni. Il Nobel per la Medicina 1962 va a Crick, Watson e Wilkins. Due precisazioni tecniche, perché in giro si legge di tutto. Il tetto dei tre vincitori è reale e vale tuttora: anche se Franklin fosse stata viva, qualcuno sarebbe dovuto uscire. Il divieto di premiare i defunti, invece, nel 1962 non c'era ancora: è entrato negli statuti della Fondazione Nobel solo nel 1974, e prima di allora un premio postumo era possibile — successe a Erik Axel Karlfeldt nel 1931 e a Dag Hammarskjöld nel 1961 — ma solo a una condizione stretta: la candidatura doveva essere già stata presentata per quell'anno, e la morte arrivare prima della decisione. Franklin era morta da quattro anni: nel 1962 non era candidabile in nessun caso. E c'è di più, da quando la regola dei cinquant'anni ha aperto le carte sigillate: negli archivi delle candidature il suo nome non compare mai. La conclusione onesta è un'altra: il problema non è il Nobel del 1962, è il mezzo secolo di racconti in cui il nome di Franklin è sparito dalla storia che aveva contribuito a scrivere. E con lei sparisce sempre Raymond Gosling, coautore della Foto 51 e del lavoro su Nature.

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Quando succede: la fase S — e la duplicazione passo passo

Nella guida su mitosi e meiosi hai letto una frase che sembra una contraddizione: nella fase S il numero dei cromosomi non cambia, ma i cromatidi raddoppiano. Non è una contraddizione, ed è esattamente quello che stiamo per raccontare, molecola per molecola. Prima, due precisazioni che valgono un punto in verifica:

• Il DNA non si duplica durante la mitosi. Quando la mitosi comincia, la duplicazione è finita da un pezzo.
• L'interfase non è una pausa. È la fase del lavoro più impegnativo della vita della cellula, e la S sta per Sintesi. Chi la chiama "fase di riposo" ha in testa la figura del libro, non la cellula.

Il meccanismo, in ordine

1) Si apre una bolla. In punti precisi chiamati origini di replicazione i due filamenti si separano, e l'apertura si allarga nei due versi opposti formando una bolla. Alle due punte della bolla, dove il DNA già aperto incontra il DNA ancora chiuso, la molecola ha la forma di una Y: quel punto è la forcella di replicazione. Fissa bene che cos'è, perché è la parola che tornerà da qui alla fine della guida: la forcella non è un enzima, e non è un pezzo di DNA che viaggia lungo la molecola — è un confine, il confine fra aperto e chiuso. Quindi "la forcella avanza" non vuol dire che un oggetto corre lungo il DNA come un treno sui binari: vuol dire che l'elicasi apre un altro po' e il confine si sposta più in là, allargando la bolla.
2) L'elicasi separa i filamenti. Stacca le coppie di basi, cioè rompe i legami a idrogeno. Non tocca lo scheletro.

Una parola che da qui in poi userai cento volte: stampo. Il filamento vecchio, quello che viene letto, si chiama stampo. Il filamento nuovo è quello che si costruisce sopra di lui, lettera per lettera. E subito la cosa che sblocca metà degli esercizi: quando l'elicasi apre, i due filamenti vecchi diventano due stampi distinti, uno per lato della forcella, e su ciascuno cresce un filamento nuovo diverso. Non c'è uno stampo solo copiato due volte: sono due letture parallele, una per parte. Perciò quando un esercizio ti dice "su questo stampo", ti sta indicando uno dei due filamenti vecchi — mai quello che si sta costruendo.

3) La primasi mette l'innesco. Un pezzetto corto di RNA, il primer (in italiano innesco), appaiato allo stampo.
4) La DNA polimerasi allunga. Aggiunge nucleotidi complementari alla base dello stampo formando legami fosfodiesterici, e lavora sempre e solo 5'→3'.
5) La ligasi salda. Chiude i buchi fra un pezzo e l'altro del filamento nuovo, anche lei con legami fosfodiesterici.

La tabella degli enzimi

Se trovi scritto "girasi", non è un sinonimo. La girasi è la topoisomerasi dei batteri, l'unica che sa anche avvitare il DNA al contrario spendendo energia. Nelle tue cellule quel nome non si usa: ci sono la topoisomerasi I e la topoisomerasi II. Stesso mestiere, nomi diversi, organismi diversi.

E la colonna che nessuno mette, che cosa succede se manca: senza elicasi i filamenti restano appaiati e non c'è stampo da leggere; senza primasi la polimerasi non ha da dove partire; senza DNA polimerasi non si costruisce niente; senza ligasi il filamento lento resta una fila di pezzi staccati.

La domanda che nessun'altra guida ti risponde: perché mettere un innesco se poi va tolto? > Perché la DNA polimerasi sa allungare, non sa iniziare: per attaccare un nucleotide le serve un 3'-OH libero già presente, e su uno stampo nudo non c'è. La primasi il primo pezzo lo sa mettere, solo che lavora in RNA. Poi l'innesco viene rimosso e sostituito con DNA. > Sì, qui compare dell'RNA, ed è l'unica volta. Non è trascrizione: non è la copia di un gene, non serve a costruire proteine, ed è temporaneo. (Sto semplificando: la rimozione dell'innesco coinvolge altri enzimi ancora, e al biennio non te li chiedono.)

La cerniera che non è una cerniera sola

L'immagine della cerniera lampo funziona per il primo passo: i pioli si staccano a uno a uno, in fila. Ma va disinnescata subito, perché produce un'idea sbagliata, cioè che il DNA si apra tutto da un capo all'altro e che solo dopo cominci la copia. Non è così, per due motivi.

Primo: le cerniere sono tante. Prendiamo per prudenza un solo genoma di riferimento, 3.117.292.070 paia di basi (la cellula ne copia due, quindi il conto vero raddoppia), e una forcella umana che avanza a circa 50 nucleotidi al secondo.

3.117.292.070 ÷ 50 = 62.345.841 secondi, che diviso 86.400 secondi in un giorno fa circa 722 giorni: quasi due anni per una sola divisione. La fase S, invece, dura circa 8 ore: il conto sbaglia di un fattore di oltre duemila, a meno che le forcelle non siano tantissime.

Quante? Otto ore sono 8 × 3.600 = 28.800 secondi. In tutto quel tempo una sola forcella copia 50 × 28.800 = 1.440.000 paia di basi. Per coprirlo tutto: 3.117.292.070 ÷ 1.440.000 = almeno 2.165 forcelle attive senza sosta, cioè almeno un migliaio di origini, dato che ogni origine ne genera due. E siccome le origini partono a ondate ne servono molte di più: nel genoma umano se ne contano decine di migliaia di potenziali, spaziate ogni 30.000-300.000 paia di basi.

Secondo: apertura e copia sono simultanee. L'elicasi non finisce il suo lavoro prima che la polimerasi cominci: si aprono pochi nucleotidi alla volta e la copia segue immediatamente, subito dietro. Il DNA non resta mai a lungo spalancato e indifeso.

Perché siamo dieci volte più lenti dei batteri. Una forcella batterica corre a 500-1.000 nucleotidi al secondo, la nostra a 50, e il motivo quasi nessuna guida italiana lo dà: il DNA batterico è nudo, il nostro è avvolto sugli istoni. I nucleosomi, spaziati ogni circa 200 paia di basi, sono ostacoli che la polimerasi deve continuamente scavalcare. Siamo più lenti perché siamo più impacchettati.

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Filamento veloce e filamento lento: perché uno solo va a pezzi

Ricordi che i due filamenti corrono in senso opposto? Adesso quel dettaglio presenta il conto.

La regola unica, senza eccezioni

La DNA polimerasi aggiunge nucleotidi sempre e solo all'estremità 3'. Quindi il filamento nuovo cresce sempre e solo in direzione 5'→3'. Su tutti e due i filamenti. Senza nessuna eccezione. Se in un esercizio ti sembra che vada al contrario, hai guardato la freccia sbagliata.

Il perché chimico, in una riga: la polimerasi sa fare una sola saldatura, attaccare un nucleotide nuovo su un ossidrile 3' libero. Non è un capriccio, è l'unica reazione che quell'enzima sa catalizzare — e senza questa riga la regola sembra arbitraria e si dimentica.

La deduzione, nell'ordine obbligato

Non imparare la conclusione: costruiscila. Cinque passi, nessuno saltabile.

1) La polimerasi sa fare una cosa sola: attaccare un nucleotide a un 3'-OH libero. Quindi il filamento nuovo cresce solo 5'→3'.
2) Il filamento nuovo è appaiato allo stampo, e due filamenti appaiati sono antiparalleli. Quindi, mentre il nuovo cresce da 5' verso 3', la polimerasi percorre lo stampo nel verso opposto, dal 3' verso il 5'. Rileggi questa riga due volte: è il perno di tutto il paragrafo. La polimerasi non sceglie da che parte andare — glielo impone lo stampo.
3) Alla forcella gli stampi sono due e sono antiparalleli fra loro: quindi, guardandoli verso l'apertura, uno si legge 3'→5' e l'altro 5'→3'. Sul primo — quello che verso la forcella si legge 3'→5', cioè quello che ha il 5' dalla parte dell'apertura — camminare 3'→5' vuol dire andare verso la forcella: la polimerasi le va dietro e scrive di filato. È il filamento veloce. Sull'altro camminare 3'→5' vuol dire allontanarsi dall'apertura: ogni volta che l'elicasi apre un altro tratto, quel tratto compare alla polimerasi alle spalle, e per copiarlo bisogna tornare indietro fino alla forcella e ricominciare da capo. È il filamento lento, e viene fuori a spezzoni.
4) Quegli spezzoni sono i frammenti di Okazaki, dal nome di Reiji e Tsuneko Okazaki, che li individuarono alla fine degli anni Sessanta.
5) La ligasi li salda in un filamento unico.

Se arrivi al punto 3 da solo, su questo argomento non sbagli più. E se il punto 3 non ti torna, non è colpa tua: torna al punto 2, perché è lì che si inceppa tutto. (Da qui esce anche la regola rapida che userai nell'esercizio 8: lo stampo del filamento lento è quello che, andando verso la forcella, si legge 5'→3'.)

Le due frecce, che sono due e non una

Qui nasce l'errore più diffuso di tutta la biologia scolastica, e nasce da una parola usata male: "direzione". Nel resto della guida non la troverai mai da sola, perché ci sono due frecce diverse:

• il verso di apertura: dove sta andando la forcella;
• il verso di costruzione: dove sta crescendo il filamento nuovo.

Sul filamento veloce puntano dalla stessa parte, sul lento in senso opposto. Tutto qui. E adesso il riquadro più importante del paragrafo:

IL FILAMENTO LENTO NON VIENE SINTETIZZATO IN DIREZIONE 3'→5'. > Molte pagine italiane scrivono esattamente questo, ed è fuorviante. Ogni singolo frammento di Okazaki è costruito 5'→3', come tutto il resto del DNA di questo pianeta. È la forcella che avanza dalla parte opposta, e per questo la sintesi deve ripartire da capo a ogni giro. Non esistono due polimerasi, una che va avanti e una che va indietro: la polimerasi è una sola e la regola è una sola.

L'analogia che regge

Immagina qualcuno che sa scrivere alla lavagna solo da sinistra a destra, mentre la lavagna scorre. Se scorre nel verso che gli conviene, scrive di filato senza staccare il gesso: è il filamento veloce. Se scorre al contrario, ogni volta gli compare spazio nuovo alle spalle, e deve tornare indietro, scrivere un pezzo da sinistra a destra, tornare ancora indietro, scriverne un altro: è il filamento lento.

Il punto: non ha mai scritto da destra a sinistra. Ha solo dovuto ricominciare tante volte.

La riga delle equivalenze

Ogni libro usa parole diverse: questa tabella ti evita venti minuti di panico serale perché su Google trovi un nome e sul tuo libro un altro.


Il nome più onesto è discontinuo, perché "lento" fa credere che l'enzima sia più lento e non è vero: la sintesi dei due filamenti è quasi contemporanea, e la polimerasi lavora alla stessa velocità da tutte e due le parti.

Approfondimento — triennio: i numeri dei frammenti

• Nei procarioti i frammenti di Okazaki sono lunghi 1.000-2.000 nucleotidi.
• Negli eucarioti sono lunghi 100-200 nucleotidi, cioè dieci volte meno.

Indovina perché. Sempre gli istoni: i nucleosomi sono spaziati ogni circa 200 paia di basi, e il frammento di Okazaki eucariotico è lungo all'incirca quanto il tratto che va da un nucleosoma al successivo: non è una coincidenza al nucleotide, ma è la spiegazione più accreditata della differenza con i procarioti. Nella tua fase S il filamento lento viene costruito a decine di milioni di pezzetti, tutti da ricucire con la ligasi.

Sugli inneschi: sul filamento veloce ne basta uno per forcella, perché poi la polimerasi tira dritto; sul lento ne serve uno per ogni frammento.

Se sei in seconda, questi numeri di solito non te li chiedono: puoi passare oltre senza sensi di colpa. Torna qui in terza, che è quando servono.

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"Semiconservativa": contarla invece di ripeterla

C'è una glossa che gira su tutti i siti italiani ed è tossica: "semi vuol dire metà, quindi metà è conservata". Presa alla lettera costruisce il modello sbagliato, cioè una figlia metà vecchia e metà nuova, a pezzi alternati o divisa a metà in lunghezza. Si scrive sempre e solo così:

Ogni doppia elica figlia è fatta di un filamento intero vecchio e un filamento intero nuovo.

Intero. Non tagliato, non a chiazze.

Contala, non descriverla

Nessun filamento vecchio è stato distrutto o tagliato: ciascuno dei due si è semplicemente trovato un partner nuovo. E c'è di più: l'abbiamo già dimostrata due paragrafi fa senza dirlo. Se i due filamenti si separano e ciascuno fa da stampo, ogni molecola figlia ne eredita per forza uno vecchio. La semiconservatività non è un termine da imparare: è una conseguenza inevitabile di come funziona la copia.

I due modelli sbagliati, nominati per ucciderli

Prima del 1958 c'erano tre modelli plausibili in gara.


Il conservativo è l'intuizione spontanea della fotocopia, cioè l'originale che rimane originale; il dispersivo nasce proprio dalla glossa "metà e metà".

L'esperimento che ne ha uccisi due

Matthew Meselson e Franklin Stahl, PNAS, 1958. Il disegno è di una semplicità che disarma:

1) Batteri Escherichia coli cresciuti per molte generazioni in terreno con azoto pesante ¹⁵N: tutto il loro DNA è "pesante".
2) Trasferiti di colpo in terreno con azoto normale ¹⁴N: da lì in poi ogni filamento nuovo sarà "leggero".
3) A ogni generazione si preleva un campione e si separa il DNA per densità, con una centrifugazione in gradiente di cloruro di cesio.

• Dopo una generazione: una sola banda, di densità intermedia. Il conservativo muore sul colpo: avrebbe dovuto dare due bande, una pesante e una leggera, mai una intermedia.
• Dopo due generazioni: due bande, metà intermedia e metà leggera. Muore anche il dispersivo, che una banda tutta leggera non potrebbe mai produrla.

Resta in piedi solo il semiconservativo, cioè il "possibile meccanismo di copiatura" che Watson e Crick avevano insinuato in una riga cinque anni prima.

Questo esperimento è stato definito "il più bello della biologia": la frase è di John Cairns, raccolta da Horace Judson in The Eighth Day of Creation (1979) e ripresa da Frederic L. Holmes nel sottotitolo del suo libro (Yale University Press, 2001). Il dettaglio delizioso: anni dopo Cairns telefonò tutto eccitato dicendo di aver appena letto i lavori di Mendel e che quelli erano gli esperimenti più belli della biologia; quando gli fecero notare che aveva detto la stessa cosa di Meselson e Stahl, rispose: "Ah sì? Allora mi sbagliavo". L'uomo che coniò quella frase esitò fra i piselli e il DNA: sono la stessa cosa vista da due altezze diverse.

Chiusura del primo ponte: ecco i cromatidi fratelli

Alla fine della fase S hai due doppie eliche identiche, unite al centromero: sono esattamente i due cromatidi fratelli di cui parla la guida su mitosi e meiosi. E le tre stranezze si spiegano tutte insieme:

• Perché il numero dei cromosomi non cambia. Un cromosoma con due cromatidi fratelli resta un cromosoma, tenuto insieme al centromero: a raddoppiare è il DNA, non il conteggio.
• Perché i due cromatidi sono identici. Perché la copia è semiconservativa e per di più corretta di bozze: stesso testo, due volte.
• Perché si chiamano fratelli e non omologhi. I fratelli sono le due copie prodotte da questa duplicazione: stesso genitore, testo identico. Gli omologhi sono la coppia materno più paterno: stessi geni, ma non per forza gli stessi alleli.

Che cosa succede loro dopo, quando in anafase si separano davvero, è raccontato nell'altra guida. Perché sono identici, si vede solo qui.

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Quando la copia sbaglia: correzione di bozze, e da dove nasce un allele nuovo

Copiare sei miliardi di lettere senza sbagliare mai è impossibile, e la cellula non ci prova nemmeno: sbaglia e poi corregge, con due sistemi in fila.

• La correzione di bozze (proofreading): è la DNA polimerasi stessa, in corsa. Quando aggancia un nucleotide sbagliato se ne accorge, torna indietro, lo elimina e lo rimpiazza, grazie a un'attività apposta, un'esonucleasi 3'→5'.
• La riparazione dell'errato appaiamento (mismatch repair): entra in gioco dopo, con enzimi diversi, e ripassa il lavoro cercando gli errori sfuggiti al primo controllo.

I tre numeri in cascata

Fonti: Bębenek e Ziuzia-Graczyk, Current Genetics, 2018, per il tasso grezzo e il guadagno del proofreading; Alberts, Molecular Biology of the Cell, per il mismatch repair e il valore finale. Tradotto su una singola divisione cellulare umana, cioè sulle 6.234.584.140 paia di basi che la cellula si ritrova a copiare:


Da oltre sessantamila a sei. È il numero da ricordare.

Dichiarazione di onestà. I libri danno cifre diverse: qualcuno scrive 1 errore ogni 10⁷, qualcun altro ogni 10⁹, e la letteratura specialistica dà un intervallo fra 10⁸ e 10¹⁰. Se il tuo libro scrive un numero diverso usa il suo: conta l'ordine di grandezza, ed è comunque "un errore ogni centinaia di milioni".

Sempre da Alberts: quando la cellula sintetizza RNA e quando traduce l'RNA in proteina sbaglia circa 1 volta su 10.000, cioè centomila volte più spesso di quando copia il DNA. Il tuo corpo copia l'archivio molto meglio di come legge le proprie istruzioni — ed è ragionevole: un errore in una proteina rovina una proteina, un errore nel DNA lo tramandi.

Approfondimento — triennio: perché la polimerasi va in un solo verso

La polimerasi costruisce solo 5'→3' perché altrimenti non potrebbe correggersi. Il nucleotide che entra porta con sé il gruppo trifosfato che alimenta la reazione: l'energia sta sul mattone nuovo, non sulla catena, e l'estremità in crescita resta un semplice 3'-OH. Se la sintesi andasse in 3'→5', il trifosfato attivante starebbe invece sull'estremità della catena: per rimuovere un nucleotide sbagliato l'enzima dovrebbe distruggere proprio il gruppo che fornisce l'energia per ripartire, e la catena resterebbe morta. Andando 5'→3', invece, l'energia arriva ogni volta col nucleotide nuovo: tagliare via l'ultimo pezzo sbagliato non costa niente.

L'asimmetria della forcella non è un difetto di progettazione: è il prezzo della correzione di bozze. Il filamento lento esiste perché il DNA si autocorregge.

Il secondo ponte: che cos'è un allele, per davvero

Nelle leggi di Mendel hai usato le lettere: P per il fiore violetto, p per il bianco. Ma che cosa sono, quelle lettere?

• Un gene è un tratto di DNA, una sequenza di basi, in una posizione precisa di un cromosoma: il locus.
• Un allele non è un'entità separata: è una delle scritture possibili di quello stesso tratto, nello stesso locus.

Guardalo con le lettere invece che con le parole. Sul cromosoma ereditato dalla madre, nel locus del colore del fiore, c'è scritto 5'-...GGTACC...-3'; sull'omologo ereditato dal padre, nello stesso identico posto, c'è scritto 5'-...GGTGCC...-3'.

Una lettera diversa su sei. Quella lettera cambia una proteina, la proteina cambia il pigmento, il pigmento cambia il fenotipo. Non sono due geni e non sono due oggetti: sono due versioni dello stesso paragrafo, nello stesso punto del volume.

E adesso il pezzo che nessun'altra pagina italiana mette: la duplicazione copia fedelmente l'allele che c'è. Non lo modifica, non lo mescola, non lo media. Ecco perché i caratteri si trasmettono interi di generazione in generazione, ed ecco perché il quadrato di Punnett funziona. La P e la p sui bordi del quadrato sono due sequenze reali di DNA, che Mendel ha contato senza mai vederle.

E da dove viene un allele nuovo?

Da un errore di copiatura sfuggito alla correzione. Non c'è un'altra strada, e nell'uomo si può misurare: Jónsson e colleghi, su Nature nel 2017, hanno sequenziato 1.548 trii islandesi (padre, madre, figlio) e contato le mutazioni presenti nel figlio e assenti in entrambi i genitori: 108.778 in tutto, cioè in media circa 70 mutazioni nuove per ogni figlio — sostituzioni di una singola lettera e piccole inserzioni o delezioni contate insieme. E l'età dei genitori pesa: il contributo del padre cresce di 1,51 mutazioni per ogni anno della sua età, quello della madre di 0,37. Occhio a "in media", che qui ha un significato tecnico preciso: se non ti è chiaro, guarda la guida su media, moda e mediana.

Quelle settanta mutazioni sono alleli nuovi: nessuno dei due genitori li aveva. La maggior parte non ha alcun effetto, alcune sono dannose, pochissime utili.

La conclusione che tiene insieme tutta la sezione di scienze: la variabilità su cui lavora Mendel è il residuo dell'imperfezione della DNA polimerasi. Se la copia fosse perfetta al 100% esisterebbe un solo allele per ogni gene, non ci sarebbe niente da mettere nel quadrato di Punnett e non ci sarebbe evoluzione. "La polimerasi non sbaglia mai" è falso, e per fortuna.

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Undici esercizi svolti sulla complementarietà

Gli esercizi che cadono davvero, con lo svolgimento e non solo la risposta. I primi sette bastano in seconda.

Esercizio 1 — il complementare, con le estremità

Testo. Scrivi il filamento complementare di 5'-ATTGCCAT-3', indicando le estremità.

Svolgimento. Si sostituisce lettera per lettera tenendo l'ordine: A→T, T→A, T→A, G→C, C→G, C→G, A→T, T→A, e vengono le lettere T A A C G G T A. Poi il punto che decide l'esercizio: siccome i filamenti sono antiparalleli, se quello di partenza va da 5' a 3' da sinistra a destra, il complementare va da 3' a 5'.

Risposta. 3'-TAACGGTA-5'. Metà della classe scrive invece 5'-TAACGGTA-3': lettere giuste, orientamento sbagliato, zero punti.

Esercizio 2 — lo stesso, nel verso convenzionale

Testo. Riscrivi la risposta dell'esercizio 1 da 5' a 3', come si scrivono di solito le sequenze.

Svolgimento. Si legge 3'-TAACGGTA-5' dall'altro capo: T-A-A-C-G-G-T-A al contrario dà A-T-G-G-C-A-A-T.

Risposta. 5'-ATGGCAAT-3', che è lo stesso identico filamento dell'esercizio 1: cambia solo da che parte lo leggi.

Esercizio 3 — un secondo complementare

Testo. Scrivi il complementare di 5'-CGGCACT-3', prima nel verso in cui si appaia, poi in quello convenzionale.

Svolgimento. C→G, G→C, G→C, C→G, A→T, C→G, T→A: vengono le lettere G C C G T G A, e nel verso di appaiamento vanno da 3' a 5'. Ribaltate: G-C-C-G-T-G-A al contrario dà A-G-T-G-C-C-G.

Risposta. Appaiato 3'-GCCGTGA-5', in verso convenzionale 5'-AGTGCCG-3'.

Esercizio 4 — conta i legami a idrogeno

Testo. Quanti legami a idrogeno tengono insieme il tratto di doppia elica che contiene 5'-GGCTAA-3'?

Svolgimento. Prima il punto che decide l'esercizio: i legami a idrogeno non stanno dentro un filamento, stanno fra le due basi di una coppia. La sequenza ha 6 basi, quindi il tratto di doppia elica ha 6 coppie, e le 6 basi dell'altro filamento sono già dentro quel conto, una per coppia. Non si raddoppia niente: chi risponde 30 ha contato ogni piolo due volte.

Adesso conta i pioli uno per uno. G e C valgono 3, A e T valgono 2: G(3) + G(3) + C(3) + T(2) + A(2) + A(2).

Risposta. 3 + 3 + 3 + 2 + 2 + 2 = 15 legami a idrogeno.

Esercizio 5 — Chargaff con le percentuali

Testo. In un campione di DNA a doppio filamento l'adenina è il 30% delle basi. Quanto vale la guanina?

Svolgimento. %A = %T, quindi T = 30%. A più T fanno il 60%, a G più C resta il 40%, e siccome %G = %C quel 40% si divide a metà.

Risposta. G = 20%, e anche C = 20%.

Esercizio 6 — Chargaff con i numeri

Testo. In un frammento a doppio filamento ci sono 4.000 basi in tutto, di cui 1.200 adenine. Quante guanine?

Svolgimento. Se le adenine sono 1.200 anche le timine sono 1.200: insieme 2.400. Restano 4.000 − 2.400 = 1.600 da dividere in parti uguali fra G e C.

Risposta. 800 guanine, e 800 citosine.

Esercizio 7 — purine, pirimidine e legami

Testo. Dato 5'-GATTACAGGTC-3', di' quante purine e quante pirimidine contiene, e quanti legami a idrogeno lo legano al suo complementare.

Svolgimento. Purine sono A e G, pirimidine C e T. Scorri la sequenza segnandole una per una: G, A, T, T, A, C, A, G, G, T, C — purine G, A, A, A, G, G, sei; pirimidine T, T, C, T, C, cinque. Sei più cinque fa undici, cioè tutte le basi: se non torna, ne hai saltata una.

Per i legami si potrebbe procedere come nell'esercizio 4, base per base. Ma lì gli addendi erano sei, qui sono undici, e undici numeri sommati in fila sono il punto esatto in cui si sbaglia. Conviene raggruppare. Le G e le C sono cinque — G, C, G, G, C — e valgono 3 ciascuna: 5 × 3 = 15. Le A e le T sono sei — A, T, T, A, A, T — e valgono 2 ciascuna: 6 × 2 = 12. In tutto 15 + 12 = 27. Stesso controllo di prima: 5 più 6 fa 11, non è avanzata né sparita nessuna lettera.

Il complementare qui non è richiesto, ma è due righe e si ricava come negli esercizi 1 e 2: si sostituisce lettera per lettera (G→C, A→T, T→A, T→A, A→T, C→G, A→T, G→C, G→C, T→A, C→G) e, siccome i filamenti sono antiparalleli, quello che viene si appaia da 3' a 5'; poi lo si ribalta per scriverlo nel verso convenzionale.

Risposta. 6 purine e 5 pirimidine, 11 basi in tutto. Legami a idrogeno: 27. Il complementare è 3'-CTAATGTCCAG-5', cioè 5'-GACCTGTAATC-3' nel verso convenzionale.

Esercizio 8 — quale dei due è il filamento lento

Testo. Una forcella avanza verso destra. Lo stampo in alto, letto da sinistra a destra, ha 5' a sinistra e 3' a destra. Su questo stampo il filamento nuovo cresce di filato o a frammenti?

Svolgimento. La polimerasi percorre lo stampo dal 3' verso il 5', perché il filamento nuovo cresce 5'→3' e i due sono antiparalleli. Qui il 3' dello stampo sta a destra, dalla parte della forcella: la polimerasi si attacca lì e procede verso sinistra, allontanandosi, e a ogni avanzamento della forcella si scopre nuovo stampo alle sue spalle.

Risposta. È il filamento lento. Regola rapida: lo stampo del filamento lento è quello che, andando verso la forcella, si legge 5'→3'.

Esercizio 9 — quanti inneschi

Testo. Su una forcella il filamento lento è fatto di 5 frammenti di Okazaki. Quanti inneschi servono in tutto, contando anche il veloce?

Svolgimento. Sul lento serve un innesco per ogni frammento, perché la polimerasi riparte da zero ogni volta: 5. Sul veloce ne basta 1, perché poi tira dritto fino alla fine.

Risposta. 6 inneschi, 5 sul lento e 1 sul veloce.

Esercizio 10 — Meselson e Stahl a mano

Testo. Una molecola con entrambi i filamenti pesanti (¹⁵N) passa in terreno leggero (¹⁴N) e si duplica due volte. Quante molecole ottieni, come sono fatte, e quanti filamenti pesanti restano?

Svolgimento. Prima duplicazione: 2 molecole, ciascuna con un filamento pesante vecchio e uno leggero nuovo, cioè 2 ibride. Seconda duplicazione: i due filamenti pesanti si ritrovano accoppiati a filamenti leggeri nuovi e restano 2 ibride; i due filamenti leggeri fanno anche loro da stampo e danno 2 molecole tutte leggere.

Risposta. 4 molecole: 2 ibride e 2 tutte leggere. I filamenti pesanti sono ancora 2, come all'inizio: si sono solo diluiti.

Esercizio 11 — riconoscere due alleli

Testo. Nello stesso locus dei due omologhi di una pianta si legge 5'-...GGTACC...-3' sul primo e 5'-...GGTGCC...-3' sul secondo. Due geni diversi, due alleli, o un refuso?

Svolgimento. Stesso locus, stessa lunghezza, stesso testo tranne una lettera: non sono due geni diversi, perché un gene diverso starebbe in un altro punto e farebbe un'altra proteina.

Risposta. Sono due alleli dello stesso gene, e la pianta per quel carattere è eterozigote. In un quadrato di Punnett li scriveresti P e p.

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Gli errori da non fare (quelli veri, visti in verifica)

Errori di livello

• "DNA, cromatina, cromosoma e gene sono quattro cose diverse." No: i primi tre sono la stessa sostanza a tre ingrandimenti, il gene è un ritaglio di testo.
• "I cromatidi fratelli sono uno materno e uno paterno." No, ed è grave: sono le due copie prodotte dalla duplicazione, identiche e provenienti dallo stesso genitore. Materno e paterno sono i cromosomi omologhi. L'errore è talmente diffuso che compare perfino in figure pubblicate.
• "Il gene è quella fascia colorata sul cromosoma." È un modo di disegnarlo, non una cosa che esiste: immagina un tratto di lettere evidenziate dentro una riga di testo.

Errori di processo

• Duplicazione ≠ divisione cellulare. La duplicazione è un evento chimico dentro il nucleo, in fase S. La divisione viene dopo.
• Duplicazione ≠ trascrizione. È l'errore più costoso, perché i due processi si somigliano in superficie: tutti e due aprono il DNA, tutti e due "copiano", tutti e due hanno una polimerasi. Si distinguono benissimo se guardi lo scopo invece del meccanismo.


E la tabellina DNA/RNA, che vale tre righe e cade spesso:


I tre tipi di RNA si chiamano mRNA, tRNA e rRNA; la domanda tipica dei test è "chi trasferisce l'informazione genetica dal nucleo?", risposta mRNA. Come funzionino è materia di un'altra guida: qui il ponte è dovuto, il capitolo no.

Errori di meccanismo

• "Il filamento lento va in direzione 3'→5'." No: ogni frammento è costruito 5'→3', è la forcella che avanza dalla parte opposta.
• "Ci sono due polimerasi, una avanti e una indietro." No: una regola sola. La differenza fra i due filamenti è geometria, non biochimica.
• "L'elica si apre tutta insieme come una cerniera." No: migliaia di aperture contemporanee — le abbiamo contate al paragrafo 5 — ciascuna in due versi, e la copia segue immediatamente.
• "La ligasi rimette i legami a idrogeno." No: forma legami fosfodiesterici, cioè salda lo scheletro. I legami a idrogeno si riformano da soli quando le basi si appaiano.
• "Semiconservativa vuol dire metà vecchia e metà nuova." No: un filamento intero vecchio e un filamento intero nuovo.
• "Il DNA si duplica durante la mitosi." No: in fase S, prima. Quando la mitosi comincia, ogni cromosoma ha già i suoi due cromatidi.
• "La polimerasi non sbaglia mai." e "Tutte le mutazioni sono dannose." Sbaglia, e per fortuna: la maggior parte degli errori residui non ha alcun effetto, e senza quel residuo non esisterebbero alleli diversi.

Errori di lessico

Mai rompere il DNA o tagliare: si dice separare i filamenti. Mai direzione da sola: specifica verso di apertura o verso di costruzione.

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Domande frequenti

Quando avviene la duplicazione del DNA?
Nella fase S dell'interfase, prima che la divisione cellulare cominci. Non durante la mitosi: quando la mitosi parte, ogni cromosoma ha già i suoi due cromatidi fratelli, cioè la copia è finita da un pezzo. La S sta per Sintesi, e in una cellula di mammifero dura circa 8 ore. Se il tuo libro scrive "replicazione" invece di "duplicazione", è la stessa identica cosa: sono sinonimi.

Perché la duplicazione del DNA si dice semiconservativa?
Perché ogni doppia elica figlia è fatta di un filamento intero vecchio e un filamento intero nuovo. Non dire mai "metà vecchia e metà nuova": quella frase fa immaginare pezzi alternati, che è il modello dispersivo, ed è sbagliato. Contali: si parte da 1 doppia elica e si arriva a 2; i filamenti vecchi erano 2 prima e sono 2 anche dopo, nessuno è stato tagliato, ciascuno si è solo trovato un partner nuovo. Lo dimostrarono Meselson e Stahl nel 1958 con l'azoto pesante.

Che differenza c'è fra duplicazione e trascrizione?
La duplicazione copia il DNA in DNA, tutto quanto, una volta sola per ciclo, e serve per dividersi: l'enzima è la DNA polimerasi. La trascrizione copia un solo gene in RNA, in continuazione anche in una cellula che non si divide, e serve per costruire proteine: l'enzima è la RNA polimerasi. Aggancia la memoria allo scopo, non al meccanismo: duplicare è per dividersi, trascrivere è per lavorare.

Quanti legami a idrogeno ci sono fra A e T e fra G e C?
Due fra adenina e timina, tre fra guanina e citosina. Non è un dettaglio da crocette: quei legami sono deboli uno per uno e fortissimi a milioni, ed è per questo che l'elica si può aprire senza rompersi. Le zone ricche di A e T, tenute da soli due legami, si aprono più facilmente: nei batteri e nel lievito è lì che cadono le origini di replicazione, i punti dove la duplicazione comincia. Negli organismi come noi il punto di partenza dipende anche da altro, non solo dalla sequenza, ma la regola di fondo non cambia: dove i legami sono due si apre prima, dove sono tre si apre dopo.

Che cos'è un allele a livello di DNA?
Un gene è un tratto di DNA in una posizione precisa di un cromosoma, il locus. Un allele non è un oggetto separato: è una delle scritture possibili di quello stesso tratto, nello stesso locus. Per esempio 5'-...GGTACC...-3' su un omologo e 5'-...GGTGCC...-3' sull'altro sono due alleli, e differiscono per una sola lettera. La P e la p del quadrato di Punnett stanno per due sequenze reali di basi.

Che cosa vogliono dire 5' e 3', e perché i due filamenti sono antiparalleli?
5' e 3' sono i numeri di due atomi di carbonio dello zucchero del nucleotide, e danno il nome alle due estremità di un filamento: da una parte sporge un gruppo fosfato libero (estremità 5'), dall'altra un ossidrile -OH libero (estremità 3'). Non sono "sinistra e destra" decise per convenzione: le due punte sono fatte davvero di cose diverse. Antiparalleli vuol dire che i due filamenti della doppia elica corrono in senso opposto, cioè dove uno ha il 5' l'altro ha il 3': si vede scrivendoli uno sopra l'altro, 5'-ATTGCCAT-3' sopra e 3'-TAACGGTA-5' sotto, con le due estremità 5' agli angoli opposti. Le basi si appaiano solo con questo orientamento, e fu la simmetria misurata ai raggi X da Rosalind Franklin a rivelarlo. Ed è per questo che, quando scrivi il complementare di una sequenza, oltre a cambiare le lettere devi anche scambiare le estremità.

Perché il filamento lento è discontinuo e che cosa sono i frammenti di Okazaki?
Perché la DNA polimerasi sa allungare solo l'estremità 3', quindi costruisce sempre e solo in direzione 5'→3', e i due filamenti sono antiparalleli. La forcella è il punto a forma di Y dove il DNA già aperto incontra quello ancora chiuso, e si sposta man mano che l'elicasi apre. Su un lato la polimerasi può inseguirla e scrive di filato; sull'altro è costretta a voltarle le spalle e a ripartire da capo a ogni giro, producendo pezzi separati: sono i frammenti di Okazaki, lunghi 100-200 nucleotidi negli eucarioti e 1.000-2.000 nei procarioti, poi saldati dalla ligasi. Attenzione: ogni frammento è comunque costruito 5'→3', mai al contrario.

Che differenza c'è fra DNA, cromatina, cromosoma e gene?
I primi tre sono la stessa sostanza a ingrandimenti diversi: il DNA è la molecola, la cromatina è il DNA avvolto sugli istoni durante l'interfase, il cromosoma è quella stessa cromatina compattata al massimo quando la cellula si divide. Il gene invece non è un livello di questa scala: è un ritaglio, un tratto di sequenza con un inizio e una fine, in una posizione precisa. Cromatina e cromosoma non sono due cose, sono la stessa cosa in due momenti del ciclo cellulare.

Come si scrive il filamento complementare di una sequenza?
Si sostituisce ogni base con la sua (A con T, T con A, C con G, G con C) tenendo l'ordine, e poi si invertono le estremità, perché i due filamenti sono antiparalleli. Da 5'-ATTGCCAT-3' si ottiene 3'-TAACGGTA-5'; se lo vuoi scritto nel verso convenzionale da 5' a 3' lo ribalti e diventa 5'-ATGGCAAT-3'. L'errore che costa mezzo voto è scrivere il complementare "al dritto", cioè con le stesse estremità dell'originale.

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Conclusioni: tre guide, un percorso

La catena logica, in otto righe

1) Le basi si appaiano a coppie fisse — A con T (2 legami), G con C (3) — perché solo così gli agganci dei legami a idrogeno combaciano; ed essendo ogni piolo una grande più una piccola, l'elica ha diametro costante.
2) Quei legami sono calamite, deboli una per una e fortissime a milioni; lo scheletro è acciaio saldato. La molecola si apre per il traverso senza rompersi per il lungo.
3) Ogni filamento ha due estremità chimicamente diverse, 5' e 3', e i due corrono in senso opposto.
4) La DNA polimerasi sa fare una cosa sola, allungare un 3' libero: quindi costruisce solo 5'→3'.
5) Vincolo chimico più fatto strutturale, e viene fuori tutto: filamento veloce continuo, filamento lento a frammenti, frammenti di Okazaki, ligasi.
6) Ogni filamento vecchio fa da stampo, quindi ogni figlia ne eredita uno: la copia è semiconservativa.
7) La copia si autocorregge due volte e finisce con circa 6 errori per divisione invece di sessantamila.
8) Quei pochi errori superstiti sono la materia prima degli alleli nuovi.

Il punto 4 è la chiave: chi lo tiene ricostruisce da solo dal 5 all'8, anche se a metà compito la lista degli enzimi gli è uscita di mente. Impararla serve — dei punti li porta — ma da sola non rifà il ragionamento. Se stasera ti resta tempo per una cosa sola, tieniti il punto 4.

I due ponti, richiusi

• La fase S. Quel "i cromatidi raddoppiano ma i cromosomi no" letto in mitosi e meiosi è ciò che qui abbiamo aperto molecola per molecola: due doppie eliche identiche unite al centromero, ciascuna con un filamento vecchio e uno nuovo. Sono i cromatidi fratelli, identici per una ragione precisa e non per definizione.
• L'allele. La P e la p sui bordi del quadrato di Punnett nelle leggi di Mendel sono due sequenze reali di basi, nello stesso locus, diverse magari per una lettera sola, una lettera nata da un errore di copiatura sopravvissuto alla correzione di bozze in qualche generazione precedente.

Mendel osserva i caratteri e li conta senza sapere che cosa siano; mitosi e meiosi mostrano il vettore fisico, i cromosomi; il DNA mostra la scrittura. È l'ordine storico ed è anche quello logico: ogni guida risponde a una domanda che la precedente aveva lasciato aperta. La prossima tappa è dal gene alla proteina — trascrizione, codice genetico, traduzione — cioè che cosa se ne fa la cellula, di tutto questo testo copiato con tanta cura.

Le fonti usate in questa guida

• J. D. Watson e F. H. C. Crick, Nature, 25 aprile 1953, con Wilkins-Stokes-Wilson e Franklin-Gosling nello stesso numero.
• M. Meselson e F. W. Stahl, PNAS, 1958.
• M. Cobb e N. Comfort, Nature, 2023, sui documenti d'archivio di Rosalind Franklin.
• H. Jónsson e colleghi, Nature, 2017, sulle mutazioni de novo.
• B. Alberts e colleghi, Molecular Biology of the Cell, NCBI Bookshelf, per meccanismi, velocità, frammenti di Okazaki e tassi di errore.
• K. Bębenek e A. Ziuzia-Graczyk, Current Genetics, 2018, sulla fedeltà della replicazione.
• S. Nurk e colleghi, Science, 2022, sull'assemblaggio T2T-CHM13.
• A. Rhie e colleghi, Nature, 2023, sul cromosoma Y completo, che con la release T2T-CHM13v2.0 dà le paia di basi usate qui.
• StatPearls, NCBI Bookshelf, per la geometria dell'elica.
• R. Sender, S. Fuchs e R. Milo, PLoS Biology, 2016, per la conta delle cellule del corpo umano.
• D. Newman e colleghi, CBE—Life Sciences Education, 2012, sugli errori degli studenti.
• F. L. Holmes, Meselson, Stahl, and the Replication of DNA, Yale University Press, 2001.
• H. F. Judson, The Eighth Day of Creation, 1979, per l'attribuzione della frase a John Cairns.