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.

- [Istruttore] Nei procarioti la replicazione del DNA inizia

quando le proteine dell'iniziatore si legano all'origine

della replicazione. Una piccola regione di DNA che contiene

una sequenza specifica di basi e creano un complesso.

Questo complesso aiuta a separare inizialmente il DNA.

Quindi l'enzima elicasi del DNA si lega ad esso

e continua a scaricare il DNA rompendo

i legami di idrogeno tra i filamenti complementari.

Le aree appena aperte sono stabilizzate

da proteine che legano il DNA al filamento singolo.

Ognuno può ora servire come modello per la sintesi

di un nuovo filone di DNA.

Lo svolgimento e la sintesi procede in entrambe le direzioni

dall'origine creando due fork di replica.

Di fronte alle forcelle gli enzimi topoisomerasi si legano

al DNA e riducono lo sforzo torsionale

mentre la molecola si svolge.

Una volta separati i fili,

un altro enzima primasi sintetizza un RNA primer.

Un breve tratto di RNA complementare alla sequenza del DNA.

Il primer fornisce un posto per l'enzima polimerasi del DNA

per aggiungere nucleotidi complementari alla

sequenza del DNA, creando un nuovo filamento di DNA

in un processo chiamato allungamento.

La polimerasi DNA sintetizza il DNA nei cinque primi

a tre prime direzione di una molecola.

Quindi per la sintesi di questo filamento,

il filamento conduttore procede ininterrottamente.

L'altro filamento, il filamento lagging

ha l'orientamento opposto.

Di conseguenza, il DNA viene sintetizzato

in brevi pezzi chiamati frammenti di Okazaki,

prolungati da RNA primer aggiuntivi.

Andando indietro dalla direzione generale del movimento

della forcella di replicazione.

Gli RNA primer vengono quindi eliminati da enzimi come RNAse

sostituiti con DNA e frammenti di DNA

sono uniti dall'enzima ligasi del DNA,

creando un filamento continuo.

La replicazione del DNA procede intorno all'intera

molecola risultante in due molecole di DNA circolari.

Questo è considerato un processo semiconservativo

perché ogni molecola contiene

un vecchio filamento e uno nuovo.