La chimica della sintesi del DNA

Perché la sintesi del DNA possa avvenire sono necessari due substrati. Primo, sono richiesti i quattro deossinucleosidi trifosfati: dGTP, dCTP, dATP e dTTP. I nucleosidi trifosfati hanno tre gruppi fosforici che sono attaccati al 2'-deossiribosio tramite un legame ossidrilico al 5'-C dello zucchero. Il gruppo fosforico più interno (cioè più prossimale al deossiribosio) viene indicato come fosfato α mentre quello intermedio ed il più distale sono rispettivamente i fosfati β e γ. Il secondo importante substrato necessario per la sintesi del DNA è un particolare complesso formato da DNA a singolo e a doppio filamento chiamato complesso innesco:stampo (primer-template). Come suggerisce il nome stesso, questo complesso è formato da due componenti: lo stampo è costituito da DNA a singolo filamento che dirige l'aggiunta, alla catena neosintetizzata, dei deossinucleotidi complementari. L'innesco, invece, è complementare allo stampo, ma molto più corto e deve presentare, alla sua terminazione, un gruppo 3'-OH. Questo terminale verrà allungato man mano che i nucleotidi verranno aggiunti, quindi in direzione 5'→3'.
Comunque, la chimica della sintesi del DNA richiede che la nuova catena cresca allungando il terminale 3' dell'innesco. Questa è una caratteristica universale che riguarda sia la sintesi del DNA che quella dell'RNA. Il legame fosfodiesterico, per aggiungere nucleotidi, si forma mediante una reazione di sostituzione nucleofila (SN2) in cui il gruppo ossidrilico al terminale 3' dell'innesco si attacca al gruppo α-fosfato del nucleoside trifosfato che deve essere polimerizzato. La molecola che viene rilasciata durante la reazione è un gruppo pirofosfato formato dai fosfati β e γ del nucleotide. Il filamento stampo, in questa reazione, determina quale dei quattro nucleosidi trifosfati debba essere aggiunto alla catena di neosintesi. Il nucleoside trifosfato che risulta complementare a quello del filamento stampo è altamente favorito e quindi legato all'innesco.