La replicazione del DNA è il processo di ricopiatura del DNA che deve avvenire perché da una cellula si possano formare due cellule figlie geneticamente identiche. Ogni filamento di DNA può fare da “stampo” per la sintesi di un altro filamento complementare: se si indicano i due filamenti come F ed F’, il filamento F funge da stampo per un nuovo filamento F’, mentre F’ funge da stampo per un nuovo filamento F. Quindi la catena F si separa dalla catena F’ e le due catene separatamente si comportano da stampo per la produzione di una catena completamente nuova: ognuna delle cellule figlie contiene, così, uno dei filamenti originali più uno completamente nuovo (replicazione semiconservativa).
Il processo replicativo comincia all’altezza delle origini di replicazione, in cui alcune proteine iniziatrici si legano al DNA rompendo i legami idrogeno tra le basi: quindi le proteine iniziatrici aprono la doppia elica attirando un altro gruppo di proteine deputate a duplicare il DNA.
Il cuore della macchina replicatrice è un enzima chiamato DNA polimerasi, che sintetizza il nuovo DNA usando come stampo uno dei due filamenti originali: questo enzima resta attaccato al DNA e vi scorre sopra, catalizzando la sintesi di nuovo polimero. Inoltre, questo enzima è capace di autocorrezione: prima di aggiungere un nucleotide alla catena controlla se quello precedente si è appaiato correttamente al filamento stampo e, in caso positivo, aggiunge il nucleotide successivo, altrimenti lo rimuove.
Mentre il DNA si replica, si possono intravedere al microscopio elettronico delle biforcazioni a Y, dette forcelle replicative: all’altezza di queste si stanno aprendo i due filamenti della doppia elica e utilizzando ognuno come stampo per formare un nuovo filamento figlio. Ad ogni origine di replicazione si formano due forcelle replicative che decorrono in senso opposto: per questo si dice che la replicazione batterica ed eucariotica è bidirezionale.
Il DNA è sintetizzato in direzione 5’→ 3’: il filamento che viene sintetizzato senza interruzioni prende il nome di filamento guida, mentre il filamento che viene sintetizzato in modo discontinuo si chiama filamento lento e forma brevi tronconi definiti frammenti di Okazaki. Le forcelle replicative di tutte le cellule sono asimmetriche e presentano un filamento guida e un filamento lento: ciò dipende dal fatto che tutte le DNA polimerasi replicano il DNA in direzione 5’→ 3’.
Oltre alla DNA polimerasi esistono altri enzimi che fanno parte della “macchina proteica” deputata alla replicazione del DNA:
– primasi = sintetizza gli inneschi a RNA, cioè tratti brevi di RNA fanno da innesco per la sintesi del DNA perché il filamento di RNA è similissimo chimicamente a un filamento singolo di DNA
– nucleasi = degrada l’RNA
– polimerasi riparativa = sostituisce DNA all’RNA
– DNA ligasi = unisce il fosfato terminale al 5’ di un frammento con l’ossidrile 3’ del seguente; l’attività della ligasi richiede ATP o NADH
– elicasi = usa l’energia di idrolisi dell’ATP per viaggiare lungo il DNA aprendo la doppia elica sul suo percorso
– morsetto scorrevole = mantiene la DNA polimerasi ben salda sullo stampo
– telomerasi = permette la replicazione delle estremità cromosomiche
