21.10
Replicazione del DNA
La replicazione del DNA comporta la separazione dei due filamenti della doppia elica, ciascun filamento funge da modello da cui viene copiato il nuovo…
La replicazione del DNA avviene sintetizzando nuovi filamenti di DNA usando filamenti esistenti come modello. Le due nuove doppie eliche contengono ciascuna un filamento modello originale e un filamento-figlio di nuova sintesi, motivo per cui questo processo è conosciuto come replicazione semiconservativa. Per iniziare la replicazione, un enzima, l'elicasi, apre l'elica del DNA e rompe i legami idrogeno fra i due filamenti.
Quindi separa i singoli filamenti, formando una struttura a forma di Y, detta forcella di replicazione, in cui è possibile accedere ai filamenti modello da ulteriori enzimi. Un altro enzima, la primasi, aggiunge brevi frammenti di RNA, detti primer, su ciascun filamento del modello. Questi primer sono essenziali per la sintesi del DNA, poiché la DNA polimerasi può solo aggiungere nucleotidi a un filamento esistente.
La DNA polimerasi si aggiunge ai filamenti-figli su entrambi i filamenti del DNA modello. L'aggiunta di nucleotidi è guidata dalla sequenza del filamento di DNA originale secondo le regole di accoppiamento del DNA. La sintesi di uno dei filamenti-figli, il filamento principale, avviene nella direzione del movimento della forcella di replicazione.
L'altro filamento, il filamento ritardatario, viene sintetizzato nella direzione opposta. Questo porta al filamento principale che viene sintetizzato come polimero continuo, mentre il filamento ritardatario è sintetizzato come frammenti brevi. Questo si verifica perché il DNA può essere sintetizzato solo nella direzione da 5'a 3'Prima della loro aggiunta al polimero in crescita, i nucleotidi esistono come desossiribonucleosi di trifosfati, con tre fosfati attaccati al quinto carbonio sullo zucchero.
Questo nucleotide libero trifosfato reagisce con i gruppi idrossilici 3'Questo è l'OH che è attaccato al terzo carbonio dello zucchero alla fine del filamento in crescita. La reazione provoca il rilascio di pirofosfato e la formazione di un legame fosfodiestere fra i due nucleotidi. Dopo la sintesi dei nuovi filamenti, RNase H o varianti aggiuntive della DNA polimerasi, rimuovete i primer e sintetizzate il DNA al loro posto.
Gli spazi fra i frammenti vengono dunque sigillati dalla DNA ligasi per generare un filamento continuo. L'aggiunta di nucleotidi continua fino a quando due forcelle di replicazione si incontrano, determinando la completa replicazione.
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Q1: Why is DNA replication called semiconservative?
DNA replication is semiconservative because each newly formed double helix contains one original template strand and one newly synthesized daughter strand. After replication, the two resulting DNA molecules each preserve one parental strand from the original double helix, ensuring genetic continuity while incorporating new genetic material.
Q2: What role does helicase play in DNA replication?
Helicase unwinds the DNA double helix by breaking hydrogen bonds between the two strands. This separation creates a Y-shaped structure called the replication fork, which exposes the template strands so that other enzymes can access and copy them during DNA synthesis.
Q3: Why are RNA primers necessary for DNA synthesis?
RNA primers are essential because DNA polymerase can only add nucleotides to an existing strand; it cannot initiate synthesis de novo. Primase adds short RNA fragments to each template strand, providing the 3'-OH group that DNA polymerase requires to begin extending the new DNA strand.
Q4: How does the directionality of DNA synthesis affect leading and lagging strand formation?
DNA polymerase synthesizes only in the 5' to 3' direction. The leading strand is synthesized continuously toward the replication fork. The lagging strand grows away from the fork, requiring DNA polymerase to repeatedly restart synthesis, producing short DNA fragments called Okazaki fragments separated by RNA primers.
Q5: What happens to nucleotide triphosphates when they are added to the growing DNA strand?
Nucleotide triphosphates react with the 3'-OH group at the end of the growing strand. This reaction releases pyrophosphate, and the energy from breaking phosphate bonds drives the formation of a phosphodiester bond between nucleotides, linking them together in the DNA backbone.
Q6: How are gaps sealed after DNA polymerase removes RNA primers?
After RNase H or DNA polymerase variants remove RNA primers and fill the gaps with DNA nucleotides, the enzyme DNA ligase seals the remaining nicks. DNA ligase catalyzes the formation of phosphodiester bonds between the 3'-OH end of one DNA fragment and the 5' phosphate end of the adjacent fragment.
Q7: How does eukaryotic DNA replication differ from prokaryotic replication?
Eukaryotic genomes are larger and more complex, with multiple origins of replication per chromosome, whereas prokaryotes have single origins. Eukaryotic replication occurs at approximately 100 nucleotides per second—ten times slower than prokaryotic replication. Despite these differences, the essential enzymatic steps and base pairing and its significance in DNA replication remain fundamentally similar.