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Pinze scorrevoli |
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Molecola del Mese di Giugno 2012 Le pinze scorrevoli afferrano e scorrono lungo i filamenti del DNA mantenendo la DNA polimerasi in sede durante la duplicazione  Introduzione Nel nostro genoma, sono necessari migliaia di nucleotidi di DNA per codificare ogni singola proteina e anche di più per codificare le informazioni che servono per regolarla. Quindi, quando le cellule devono copiare il loro DNA, devono copiare tratti molto, molto lunghi, perchè le informazioni contenute nel DNA richiedono un numero enorme di nucleotidi. Questa operazione non è affatto facile nell'ambiente caotico e affollato del nucleo cellulare. Le cellule usano una tecnica molto curiosa per copiare il DNA: legano gli enzimi necessari alla sintesi del DNA ad una pinza a forma di anello che scorre lungo il DNA e obbliga questi enzimi a svolgere fino in fondo il loro lavoro. Questa tecnica porta ad un grande aumento di efficienza. Per esempio, legando la DNA polimerasi ad una pinza scorrevole, i batteri aumentano la velocità della duplicazione del DNA di 100 volte portandola da circa 10 paia di basi al secondo fino a 1000 bp/s, e aumentano anche la continuità del processo (il numero di basi copiate prima che la polimerasi si stacchi e debba ricominciare) portandola da circa 10 paia di basi a oltre 80.000. Il seguente filmato sulla duplicazione del DNA dà un idea del processo. Duplicazione del DNA Applicare la pinza La pinza scorrevole deve circondare la doppia elica del DNA. Molte pinze, però, formano anelli chiusi così strettamente che devono essere aperti a forza per consentire al DNA di entrare. Servono degli applicatori di pinza (clamp loader) azionati da ATP per aprire le pinze e metterle attorno al DNA. La struttura qui a destra è stata presa da un virus batteriofago (file PDB 3u5z) e mostra il complesso pinza aperta (verde), DNA (arancione e rosso), applicatore di pinza (blu). Sono state risolte anche le strutture di applicatori di pinza di batteri ed eucarioti, hanno tutti una struttura e un meccanismo di funzionamento simili. Si legano alla pinza, la fanno aprire e poi consentono al DNA di entrare. La maggior parte di questi processi avviene grazie alla strana forma ad elica dell'applicatore che obbliga la pinza ad assumere la forma di una rondella aperta. L'ATP serve per realizzare l'ultimo passaggio, il rilascio del complesso pinza-DNA.  Enzimi pinzati Le pinze assicurano che la DNA polimerasi svolga fino in fondo il suo prezioso lavoro, ma vengono anche usate per altri enzimi che devono agire sul DNA. Qui a destra è mostrata la struttura di FEN1 (Flap EndoNucleasi 1, file PDB 1ul1), un enzima che idrolizza il DNA in direzione 5'-3' per eliminare i flap, cioè i brevi tratti a singolo filamento che sporgono dalla doppia elica in posizione 5' a causa della rimozione del primer. Questa struttura include la pinza (verde), composta di tre subunità identiche, e tre molecole di FEN1 (blu). Gli enzimi sono collegati alla pinza da filamenti flessibili che consentono loro di posizionarsi nel modo migliore per attaccare la catena a singolo filamento che scorre attraverso il centro della pinza e tagliare il legame fosfato prima dell'inizio del DNA a doppio filamento. Esplorando la struttura Nelle due immagini qui sotto è mostrato il complesso pinza, DNA, applicatore di pinza con la pinza aperta (verde) (file PDB 3u5z_aperta). A sinistra lo si vede di fianco, a destra lo si osserva dal basso verso l'alto lungo l'asse del DNA. Si noti che l'apertura della pinza è appena sufficiente per fare entrare il DNA (rosso e arancione). La catena rossa è diretta verso l'alto in direzione 3'-5', quindi può essere letta in modo continuo dalla DNA polimerasi verso l'alto. L'altra catena, beige, verrà sintetizzata in modo discontinuo (frammenti di Okazaki) (vedi filmato Duplicazione del DNA). Nelle cinque subunità dell'applicatore di pinza (blu chiaro), si vedono anche quattro molecole simili all'ATP (viola) . Per isolare e questa struttura non si è potuto usare il vero ATP perchè questo si sarebbe spezzato in ADP e fosfato e l'applicatore si sarebbe sganciato dal complesso pinza-DNA. 
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Nelle due immagini qui sotto si vede il complesso pinza, DNA, applicatore di pinza con la pinza chiusa (verde) (file PDB 3u5z_chiusa) stretta attorno alla catena a doppio filamento del DNA. La chiusura della pinza è stata indotta dalla proteina blu applicatore di pinza (clamp loader) che poi, idrolizzando ATP (viola), si deformerà e si staccherà dal complesso pinza-DNA.. 
. . .  Spunti per ulteriori esplorazioni - Negli archivi PDB potete trovare strutture di applicatori di pinza (clamp loaders) di altri organismi. Notate che hanno tutti una struttura molto simile con cinque subunità disposte ad elica. - Alcuni organismi hanno pinze scorrevoli composte di tre subunità, mentre altri ne hanno di due subunità. Cercate negli archivi PDB esempi di entrabi i tipi  BibliografiaB. A. Kelch, D. L. Makino, M O'Donnell & J. Kuriyan (2012) Clamp loader ATPases and the evolution of DNA replication machinery. BMC Biology 10:34. T. R. Beattie & S. D. Bell (2011) The role of the DNA sliding clamp in Okazaki fragment maturation in archaea and eukaryotes. Biochemical Society Transactions 39:70-76.
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