La replicazione del DNA

Struttura e Composizione del DNA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è una molecola biologica essenziale per la vita, che si presenta come una doppia elica formata da due filamenti antiparalleli e complementari. Ogni filamento è composto da una sequenza di nucleotidi, ciascuno dei quali è costituito da una base azotata, uno zucchero (desossiribosio) e un gruppo fosfato. Le basi azotate sono divise in due categorie: le purine (Adenina e Guanina) e le pirimidine (Citosina e Timina). I nucleotidi sono uniti tra loro da legami fosfodiestere, che collegano il carbonio 5' di uno zucchero al carbonio 3' dello zucchero adiacente, formando così lo scheletro esterno della doppia elica. Le basi azotate di un filamento formano legami idrogeno con le basi complementari del filamento opposto, stabilizzando la struttura del DNA. La distanza tra le coppie di basi è di circa 0,34 nm, e ogni giro completo della doppia elica misura circa 3,4 nm e contiene circa 10 coppie di basi, con un diametro complessivo di circa 2 nm.

Meccanismo di Duplicazione del DNA

La duplicazione del DNA, o replicazione, è un processo semiconservativo che assicura la trasmissione dell'informazione genetica da una cellula madre alle cellule figlie. Durante la replicazione, le due catene della doppia elica si separano e ciascuna funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. La complementarietà delle basi è la chiave di questo processo: Adenina si appaia sempre con Timina e Guanina con Citosina. L'esperimento di Meselson e Stahl ha dimostrato la natura semiconservativa della replicazione, mostrando che, dopo una generazione in un ambiente contenente azoto-14, il DNA neosintetizzato presentava una densità intermedia tra quella del DNA con azoto-15 (più pesante) e quella del DNA con azoto-14 (più leggero), indicando che ogni molecola di DNA figlia era composta da un filamento vecchio e uno nuovo.

Enzimi e Proteine Coinvolti nella Replicazione del DNA

La replicazione del DNA è un processo complesso che coinvolge numerosi enzimi e proteine. Le DNA polimerasi sono enzimi fondamentali che aggiungono nucleotidi ai nuovi filamenti di DNA, seguendo la direzione 5' a 3'. La primasi sintetizza brevi inneschi di RNA necessari per l'avvio della sintesi del DNA. L'elicasi separa i due filamenti di DNA, mentre la DNA ligasi collega i frammenti di Okazaki nel filamento ritardatario. La topoisomerasi previene la sovraspiralizzazione del DNA durante la replicazione e le proteine leganti il DNA a singola elica (SSB) stabilizzano i filamenti separati. Nei procarioti, la DNA polimerasi III è l'enzima principale per la sintesi del DNA, mentre negli eucarioti le polimerasi delta e epsilon svolgono ruoli simili. La polimerasi gamma è dedicata alla replicazione del DNA mitocondriale. Altri enzimi, come le polimerasi di riparazione, intervengono per correggere i danni al DNA.

Il Processo di Replicazione nei Diversi Organismi

La replicazione del DNA negli eucarioti inizia in molteplici origini di replicazione, dando luogo a bolle di replicazione che si espandono bidirezionalmente formando strutture a forcella. Questi repliconi possono essere lunghi decine o centinaia di migliaia di paia di basi. Il genoma eucariotico, essendo molto più grande di quello procariotico, può contenere decine di migliaia di origini di replicazione. Nei procarioti, come E. coli, la replicazione inizia da un unico punto di origine e procede bidirezionalmente fino al completamento del genoma circolare.

Sintesi dei Filamenti Leader e Lagging

Durante la replicazione, il filamento leader viene sintetizzato in modo continuo, mentre il filamento lagging è prodotto in segmenti discontinui chiamati frammenti di Okazaki. Questi frammenti richiedono l'azione ripetuta della primasi per la sintesi di inneschi di RNA e della DNA polimerasi per l'estensione dei frammenti. Dopo l'estensione, l'RNA primer viene rimosso e sostituito con DNA, e i frammenti sono uniti insieme dalla DNA ligasi. La direzione di sintesi è sempre da 5' a 3', sfruttando l'energia rilasciata dall'idrolisi del pirofosfato durante l'aggiunta di nuovi nucleotidi.

Correzione degli Errori e Proofreading

Le DNA polimerasi hanno un'attività di correzione degli errori, o proofreading, che permette loro di rimuovere i nucleotidi mal accoppiati e sostituirli con quelli corretti. Questa attività esonucleasica procede in direzione 3' a 5', opposta a quella della sintesi del DNA. Il proofreading è un meccanismo essenziale per mantenere l'alta fedeltà della replicazione del DNA e per prevenire mutazioni che potrebbero portare a malattie o disfunzioni cellulari.