Fasi e processo di replica del DNA

Perché replicare il DNA?

Il DNA è il materiale genetico che definisce ogni cellula. Prima che una cellula si duplichi e sia divisa in nuove cellule figlie attraverso la mitosi o la meiosi, le biomolecole e gli organelli devono essere copiati per essere distribuiti tra le cellule. Il DNA, che si trova all'interno del nucleo, deve essere replicato per garantire che ogni nuova cellula riceva il numero corretto di cromosomi. Viene chiamato il processo di duplicazione del DNA replicazione del DNA. La replica segue diversi passaggi che coinvolgono più proteine chiamate enzimi di replicazione e RNA. Nelle cellule eucariotiche, come le cellule animali e le cellule vegetali, la replicazione del DNA avviene nella fase S dell'interfase durante il ciclo cellulare. Il processo di replicazione del DNA è vitale per la crescita, la riparazione e la riproduzione delle cellule negli organismi.

Struttura del DNA

Il DNA o acido desossiribonucleico è un tipo di molecola nota come acido nucleico. È costituito da uno zucchero desossiribosio a 5 atomi di carbonio, un fosfato e una base azotata. Il DNA a doppio filamento è costituito da due catene di acido nucleico a spirale che sono attorcigliate in una forma a doppia elica. Questa torsione consente al DNA di essere più compatto. Per adattarsi al nucleo, il DNA è imballato in strutture strettamente avvolte chiamate cromatina. La cromatina si condensa per formare cromosomi durante la divisione cellulare. Prima della replicazione del DNA, la cromatina si allenta consentendo al macchinario di replicazione cellulare di accedere ai filamenti di DNA.

Preparazione per la replica

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Passaggio 1: formazione della forcella di replica

Prima che il DNA possa essere replicato, la molecola a doppio filamento deve essere "decompressa" in due singoli filamenti. Il DNA ha quattro basi chiamate adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G) che formano coppie tra i due fili. L'adenina si accoppia solo con la timina e la citosina si lega solo con la guanina. Per svolgere il DNA, queste interazioni tra le coppie di basi devono essere interrotte. Questo viene eseguito da un enzima noto come DNA helicase. La DNA elicasi interrompe il legame idrogeno tra le coppie di basi per separare i filamenti in una forma a Y nota come fork di replica. Quest'area sarà il modello per l'inizio della replica.

Il DNA è direzionale in entrambi i filamenti, indicato da un'estremità 5 'e 3'. Questa notazione indica quale gruppo laterale è attaccato alla spina dorsale del DNA. Il 5 'fine ha un gruppo fosfato (P) attaccato, mentre il 3 'fine ha un gruppo idrossile (OH) attaccato. Questa direzionalità è importante per la replica poiché progredisce solo nella direzione da 5 'a 3'. Tuttavia, il fork di replica è bidirezionale; un filo è orientato nella direzione da 3 'a 5' (filo conduttore) mentre l'altro è orientato da 5 'a 3' (filo in ritardo). I due lati vengono quindi replicati con due differenti lavorazioni per assecondare la differenza direzionale.

Inizia la replica

Passaggio 2: rilegatura del primer

Il filo principale è il più semplice da replicare. Una volta che i filamenti di DNA sono stati separati, un breve pezzo di RNA chiamato a Primer si lega all'estremità 3 'del filo. Il primer si lega sempre come punto di partenza per la replica. I primer sono generati dall'enzima Primasi del DNA.

Replicazione del DNA: allungamento

Le DNA polimerasi (blu) si attaccano al DNA e allungano i nuovi filamenti aggiungendo basi nucleotidiche.

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Passaggio 3: allungamento

Enzimi noti come DNA polimerasi sono responsabili della creazione del nuovo filamento mediante un processo chiamato allungamento. Esistono cinque diversi tipi noti di DNA polimerasi nei batteri e nelle cellule umane. In batteri come E. coli, polimerasi III è il principale enzima di replicazione, mentre la polimerasi I, II, IV e V sono responsabili del controllo e della riparazione degli errori. La DNA polimerasi III si lega al filamento nel sito del primer e inizia ad aggiungere nuove coppie di basi complementari al filamento durante la replicazione. Nelle cellule eucariotiche, le polimerasi alfa, delta ed epsilon sono le principali polimerasi coinvolte nella replicazione del DNA. Poiché la replicazione procede nella direzione da 5 'a 3' sul filo principale, il filo appena formato è continuo.

Il progetto filo in ritardo inizia la replica legandosi con più primer. Ogni primer è solo diverse basi a parte. La DNA polimerasi aggiunge quindi pezzi di DNA, chiamati Frammenti di Okazaki, al filo tra i primer. Questo processo di replica è discontinuo poiché i frammenti appena creati sono disgiunti.

Passaggio 4: risoluzione

Una volta formati entrambi i filamenti continui e discontinui, viene chiamato un enzima esonucleasi rimuove tutti i primer RNA dai filamenti originali. Questi primer vengono quindi sostituiti con basi appropriate. Un'altra esonucleasi “corregge” il DNA appena formato per controllare, rimuovere e sostituire eventuali errori. Un altro enzima chiamato DNA ligasi unisce i frammenti di Okazaki insieme formando un unico filo unificato. Le estremità del DNA lineare rappresentano un problema poiché la DNA polimerasi può aggiungere nucleotidi solo nella direzione da 5 'a 3'. Le estremità dei filamenti parentali sono costituite da sequenze di DNA ripetute chiamate telomeri. I telomeri agiscono come cappucci protettivi all'estremità dei cromosomi per impedire la fusione dei cromosomi vicini. Un tipo speciale di enzima DNA polimerasi chiamato telomerasi catalizza la sintesi delle sequenze telomere alle estremità del DNA. Una volta completato, il filamento genitore e il suo filamento di DNA complementare si avvolgono nella familiare forma a doppia elica. Alla fine, la replicazione produce due molecole di DNA, ciascuna con un filamento dalla molecola madre e un nuovo filamento.

Enzimi di replica

Molecola di DNA polimerasi.

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La replicazione del DNA non si verificherebbe senza enzimi che catalizzano le varie fasi del processo. Gli enzimi che partecipano al processo di replicazione del DNA eucariotico includono:

DNA elicasi - Svolge e separa il DNA a doppia elica mentre si muove lungo il DNA. Forma la forcella di replicazione rompendo i legami idrogeno tra le coppie di nucleotidi nel DNA.
Primasi del DNA - un tipo di RNA polimerasi che genera primer di RNA. I primer sono brevi molecole di RNA che fungono da modelli per il punto di partenza della replicazione del DNA.
DNA polimerasi - sintetizzare nuove molecole di DNA aggiungendo nucleotidi ai filamenti di DNA principali e in ritardo.
Topoisomerasi o DNA girasi - svolge e riavvolge i filamenti di DNA per evitare che il DNA si aggrovigli o si avvolga.
Esonucleasi - gruppo di enzimi che rimuovono le basi nucleotidiche dall'estremità di una catena del DNA.
DNA ligasi - unisce frammenti di DNA insieme formando legami fosfodiestere tra nucleotidi.

Riepilogo della replica del DNA

Replicazione del DNA.

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La replicazione del DNA è la produzione di eliche di DNA identiche da una singola molecola di DNA a doppio filamento. Ogni molecola è costituita da un filamento della molecola originale e un filamento appena formato. Prima della replicazione, il DNA si srotola e i filamenti si separano. Viene formato un fork di replica che funge da modello per la replica. I primer si legano al DNA e le DNA polimerasi aggiungono nuove sequenze nucleotidiche nella direzione da 5 'a 3'.

Questa aggiunta è continua nel filo principale e frammentata nel filo in ritardo. Una volta completato l'allungamento dei filamenti di DNA, i filamenti vengono controllati per eventuali errori, vengono eseguite le riparazioni e le sequenze di telomeri vengono aggiunte alle estremità del DNA.

fonti

Reece, Jane B. e Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.