13.5: Replicazione nei procarioti

Panoramica

La replicazione del DNA ha tre passaggi principali: avvio, allungamento e terminazione. La replicazione nei procarioti inizia quando le proteine iniziatore si legano alla singola origine della replicazione (ori) sul cromosoma circolare della cellula. La replicazione procede quindi intorno all’intero cerchio del cromosoma in ogni direzione da due forche di replicazione, con conseguente due molecole di DNA.

Molte proteine lavorano insieme per replicare il cromosoma

La replicazione è coordinata ed eseguita da una serie di proteine specializzate. La topoisomerase rompe un lato della spina dorsale (o colonna portante) del fosfato-zucchero del DNA a doppio filamento, permettendo all’elica del DNA di distrarsi più rapidamente, mentre l’elicasi rompe i legami tra le coppie di basi alla forcella, separando il DNA in due fili modello. Le proteine che legano molecole di DNA a filamento singolo stabilizzano i filamenti mentre la forcella di replicazione viaggia lungo il cromosoma. Il DNA può essere sintetizzato solo nella direzione da 5′ a 3′, quindi un filamento del modello, il filamento principale, è allungato continuamente, mentre l’altro filamento, il filamento in ritardo, viene sintetizzato in pezzi più brevi di 1000-2000 coppie di basi chiamate frammenti di Okazaki.

Polimerasi multiple prendono parte nell’allungamento

Gran parte della ricerca per comprendere la replicazione del DNA procariotico è stata eseguita nel batterio Escherichia coli, un organismo modello comunemente usato. E. coli ha 5 polimerasi del DNA: Pol I, II, III, IV e V. Pol III sono responsabili della maggior parte della replicazione del DNA. Può polimerizzare circa 1.000 coppie di basi al secondo. Questo ritmo sorprendente permette ai macchinari presenti presso i due forcella di replicazione di duplicare il cromosoma E. coli , 4,6 milioni di coppie di basi, in circa 40 minuti. La polimerasi del DNA I è anche ben caratterizzata; il suo ruolo principale è quello di rimuovere i primer dell’RNA dall’inizio dei frammenti di Okazaki sul filamento in ritardo.

Quando la divisione supera la duplicazione

In condizioni di crescita favorevoli, E. coli si dividerà ogni 20 minuti, circa la metà del tempo necessario per replicare il genoma. Com’è possibile quando entrambe le cellule figlie devono avere il proprio DNA? Gli scienziati hanno scoperto che i batteri possono iniziare un altro ciclo di replicazione del DNA dall’origine della replicazione prima che il primo round sia completo; ciò significa che le cellule figlie ricevono un cromosoma che è già in fase di copia e sono pronte a dividersi di nuovo molto rapidamente.