Replicazione del DNA

La replicazione del DNA comporta la separazione dei due filamenti della doppia elica, con ogni filamento che funge da modello da cui viene copiato il nuovo filamento complementare.  Dopo la replicazione, ogni DNA a doppio filamento include un filamento parentale o “vecchio” e un “nuovo” filamento. Questa è nota come replica semiconservativa. Le molecole di DNA risultanti hanno la stessa sequenza e sono divise equamente nelle due cellule figlie.

Replicazione in Procarioti

La replicazione del DNA utilizza un gran numero di proteine ed enzimi. L’elicase enzimatico separa i due filamenti di DNA. Mentre l’elicase si muove lungo il DNA, separa i due filamenti per formare una struttura a forma di Y nota come forcella di replicazione. In seguito, l’enzima primasio aggiunge brevi tratti di RNA noti come primer per iniziare la sintesi del DNA da parte della DNA polimerasi, l’enzima responsabile della sintesi del DNA. Nei batteri sono noti tre tipi principali di DNA polimerasi: DNA pol I, DNA pol II e DNA pol III. Il DNA pol III è l’enzima necessario per la sintesi del DNA; Il DNA pol I e il DNA pol II sono necessari principalmente per la riparazione. Dna pol III aggiunge deossiribonucleotidi, ognuno complementare a un nucleotide sul filamento modello, uno per uno al gruppo 3′-OH della catena del DNA in crescita. La DNA polimerasi III può estendersi solo nella direzione da 5′ a 3′. L’aggiunta di questi nucleotidi richiede energia. Questa energia è presente nei legami di tre gruppi fosfatici attaccati a ciascun nucleotide, simili a come l’energia viene immagazzinata nei legami fosfati del trifosfato di adenosina (ATP). Quando il legame tra i fosfati viene rotto e il difosfato viene rilasciato, l’energia rilasciata consente la formazione di un legame fosfodiestere covalente per sintesi di disidratazione.

La doppia elica del DNA è antiparallele; cioè, un filo è orientato nella direzione da 5′ a 3′ e l’altro è orientato nella direzione da 3′ a 5′. Durante la replicazione, un filamento, che è complementare al filamento di DNA parentale da 3′ a 5′, viene sintetizzato continuamente verso la forcella di replicazione perché la polimerasi può aggiungere nucleotidi in questa direzione. Questo filamento continuamente sintetizzato è noto come filamento principale. L’altro filamento, complementare al DNA parentale da 5′ a 3′, si allontana dalla forcella di replicazione, quindi la polimerasi deve tornare verso la forcella di replicazione per iniziare ad aggiungere basi a un nuovo primer, sempre nella direzione lontano dalla forcella di replicazione. Lo fa fino a quando non si imbatte nel filamento precedentemente sintetizzato, e poi si sposta di nuovo indietro. Questi passaggi producono piccoli frammenti di sequenza di DNA noti come frammenti di Okazaki, ognuno separato dal primer dell’RNA. Il filamento con i frammenti di Okazaki è noto come filamento in ritardo, e si dice che la sua sintesi sia discontinua.

Dopo la sintesi da parte della DNA polimerasi III, i primer vengono rimossi dall’attività esonucleasi della DNA polimerasi I, e gli spazi vuoti vengono riempiti. I nick che rimangono tra il DNA appena sintetizzato (che ha sostituito il primer dell’RNA) e il DNA precedentemente sintetizzato sono sigillati dall’enzima DNA ligasi che catalizza la formazione di un legame fosfodiestere covalente tra l’estremità 3′-OH di un frammento di DNA e l’estremità fosfato 5′ dell’altro frammento, stabilizzando la spina dorsale zucchero-fosfato della molecola di DNA.

Replicazione in Eucarioti

I genomi eucarioti sono molto più complessi e più grandi dei genomi procariotici e sono tipicamente composti da cromosomi lineari multipli. Il genoma umano, ad esempio, ha 3 miliardi di coppie di basi per insieme aploide di cromosomi, e 6 miliardi di coppie di basi vengono inserite durante la replicazione. Ci sono molteplici origini di replicazione su ogni cromosoma eucariotico; il genoma umano ha tra le 30.000 e le 50.000 origini della replicazione. La velocità di replicazione è di circa 100 nucleotidi al secondo- 10 volte più lenta della replicazione procariotica.

I passaggi essenziali della replicazione negli eucarioti sono gli stessi dei procarioti. Prima che la replicazione possa iniziare, il DNA deve essere reso disponibile come modello. Il DNA eucariota è altamente supercoiled e confezionato, il che è facilitato da molte proteine, compresi gli istoni. Dopo l’inizio della replicazione, in un processo simile a quello trovato nei procarioti, l’allungamento è facilitato dalle DNA polimerasi eucariotiche. Il filamento principale è continuamente sintetizzato dall’enzima eucariota polimerasi pol δ, mentre il filamento in ritardo è sintetizzato da pol ε. L’enzima ribonucleasi H (RNasi H), invece di una DNA polimerasi come nei batteri, rimuove il primer dell’RNA, che viene poi sostituito con nucleotidi di DNA. Gli spazi vuoti che rimangono sono sigillati dalla ligasi del DNA.

Come nei procarioti, la DNA polimerasi eucariotica può aggiungere nucleotidi solo nella direzione da 5′ a 3′. Nel filamento principale, la sintesi continua fino a raggiungere la fine del cromosoma o un’altra forcella di replicazione che progredisce nella direzione opposta. Sul filamento in ritardo, il DNA viene sintetizzato in brevi tratti, ognuno dei quali è iniziato da un primer separato. Quando la forcella di replicazione raggiunge la fine del cromosoma lineare, non c’è posto per fare un primer per il frammento di DNA da copiare alla fine del cromosoma. Queste estremità rimangono quindi spaiate e, nel tempo, possono diventare progressivamente più corte man mano che le cellule continuano a dividersi.

Questo testo è adattato da Openstax, Microbiologia, Capitolo 11.2: Replicazione del DNA.