Modelli di replicazione del DNA

Dopo la scoperta della struttura del DNA, gli scienziati si concentrarono sul comprendere come questa molecola si replicasse. Furono proposti tre possibili modelli di replicazione:

1. Dispersivo
2. Semiconservativo
3. Conservativo

Highlight: Gli studi di Watson e Crick suggerivano un modello semiconservativo, ma questa ipotesi necessitava di conferme sperimentali.

Per determinare quale modello fosse corretto, nel 1957 fu condotto un importante esperimento utilizzando isotopi di azoto. I ricercatori usarono batteri Escherichia coli $E. coli$ coltivati su substrati contenenti azoto pesante $15N$ e poi trasferiti su substrati con azoto leggero $14N$.

Esempio: Dopo la prima riproduzione, i batteri mostravano un peso intermedio, escludendo il modello conservativo. Dopo la seconda riproduzione, metà dei batteri aveva peso intermedio e metà peso leggero, confermando il modello semiconservativo.

Questo esperimento dimostrò che durante la replicazione del DNA, ogni nuovo filamento utilizza come stampo uno dei filamenti parentali, mentre l'altro filamento viene sintetizzato ex novo.

Il processo di replicazione del DNA

La duplicazione del DNA è un processo complesso che richiede diversi elementi:

1. Nucleotidi trifosfati
2. Proteine specifiche
3. DNA di partenza $stampo$
4. Primer $punto di inizio$
5. Complesso di replicazione

Definizione: Il complesso di replicazione è un insieme di proteine essenziali per la replicazione del DNA.

Il processo si svolge in diverse fasi:

1. Despiralizzazione della doppia elica
2. Separazione dei filamenti ad opera della DNA elicasi
3. Aggancio dei nucleotidi ai nuovi filamenti nel punto 3'
4. Legame di proteine SSB $Single Strand Binding$ ai filamenti separati

Vocabolario: Le proteine SSB impediscono che i due filamenti separati si ricongiungano prematuramente.

La replicazione inizia da un punto specifico chiamato "Ori" $origine di replicazione$ e procede in direzioni opposte sui due filamenti, a causa della loro natura antiparallela.

Filamenti veloce e lento nella replicazione del DNA

La duplicazione del DNA avviene in modo diverso sui due filamenti a causa della loro orientazione opposta:

1. Filamento veloce $Leading strand$: L'estremità 3' si avvicina all'apertura della spirale Una volta posizionato il primer, l'allungamento avviene in modo continuo
2. Filamento lento $Lagging strand$: L'estremità 3' si allontana dall'apertura della spirale La sintesi avviene in modo discontinuo, formando i frammenti di Okazaki

Highlight: La DNA polimerasi è l'enzima chiave responsabile dell'allungamento dei nuovi filamenti, creando legami covalenti tra i nucleotidi.

Definizione: Il primer è una breve sequenza di RNA complementare al DNA, necessaria per iniziare la sintesi del nuovo filamento. Alla fine della replicazione, il primer viene eliminato e sostituito da DNA.

La replicazione sul filamento lento richiede un processo più complesso a causa della direzione di sintesi opposta alla direzione di apertura della doppia elica.

Frammenti di Okazaki e completamento della replicazione

I frammenti di Okazaki sono segmenti di DNA sintetizzati discontinuamente sul filamento lento durante la replicazione del DNA. Questo processo coinvolge diversi passaggi:

1. Sintesi di brevi segmenti di DNA $100-200 nucleotidi negli eucarioti$
2. Rimozione dei primer di RNA
3. Riempimento degli spazi con DNA ad opera della DNA polimerasi I
4. Unione dei frammenti mediante la DNA ligasi

Vocabolario: La DNA ligasi è un enzima che catalizza la formazione di legami fosfodiesterici tra i frammenti di DNA adiacenti.

Il completamento della replicazione richiede:

• Rimozione di tutti i primer di RNA
• Sostituzione con DNA
• Unione di tutti i frammenti per formare un filamento continuo

Highlight: La precisione della replicazione è fondamentale per mantenere l'integrità dell'informazione genetica. Meccanismi di correzione degli errori, come l'attività di proofreading della DNA polimerasi, assicurano un'alta fedeltà del processo.

La duplicazione del DNA è un processo altamente regolato e coordinato che garantisce la trasmissione accurata del materiale genetico da una generazione cellulare all'altra, essenziale per la continuità della vita.

La Replicazione dei Filamenti

Il processo di replicazione avviene in modo differente sui due filamenti.

Definition: Il filamento veloce $leading strand$ si replica in modo continuo, mentre il filamento lento $lagging strand$ si replica attraverso i frammenti di Okazaki.

Highlight: La DNA polimerasi può sintetizzare nuovo DNA solo in direzione 5' → 3'.

I Frammenti di Okazaki

I frammenti di Okazaki sono segmenti di DNA sintetizzati discontinuamente sul filamento lento.

Definition: Sono brevi segmenti di DNA sintetizzati in direzione 5' → 3' che vengono poi uniti dall'enzima DNA ligasi.

Highlight: La sintesi discontinua è necessaria perché la DNA polimerasi può lavorare solo in una direzione mentre il filamento stampo va nella direzione opposta.

Frammenti di Okazaki

I frammenti di Okazaki sono fondamentali nella duplicazione del DNA.

Definition: I frammenti di Okazaki sono segmenti di DNA sintetizzati discontinuamente sul filamento lento.

Highlight: La sintesi richiede multipli primer e l'azione coordinata della DNA polimerasi.

Telomeri e Protezione Cromosomica

I telomeri sono essenziali per la protezione dei cromosomi durante la replicazione del DNA.

Definition: I telomeri sono sequenze ripetitive che proteggono le estremità dei cromosomi.

Highlight: Il problema della replicazione delle estremità viene parzialmente risolto dai telomeri, ma non rende la cellula immortale.

Struttura e composizione del DNA

Il DNA $acido desossiribonucleico$ è il materiale genetico che contiene le istruzioni per lo sviluppo e il funzionamento di tutti gli organismi viventi. La sua struttura a doppia elica fu scoperta grazie agli studi di Rosalind Franklin, James Watson e Francis Crick.

Definizione: Il DNA è un polimero formato da unità ripetitive chiamate nucleotidi. Ogni nucleotide contiene un gruppo fosfato, uno zucchero desossiribosio e una base azotata.

Le basi azotate del DNA sono di due tipi:

• Purine: Adenina $A$ e Guanina $G$
• Pirimidine: Citosina $C$ e Timina $T$

Highlight: Le basi azotate si appaiano in modo specifico: A con T e C con G, formando legami a idrogeno che tengono insieme i due filamenti della doppia elica.

La struttura a doppia elica del DNA è fondamentale per le sue funzioni:

1. Contiene le informazioni genetiche dell'individuo
2. Permette la replicazione del materiale genetico durante il ciclo cellulare

Esempio: La cristallografia a raggi X di Rosalind Franklin fu cruciale per rivelare la forma elicoidale della molecola di DNA, fornendo le basi per la comprensione della sua struttura tridimensionale.