Replicazione del DNA: come la cellula copia il suo genoma

Prima che una cellula si divida deve copiare per intero il proprio DNA, in modo che ciascuna cellula figlia riceva una copia completa e fedele dell’informazione genetica. Questo processo si chiama replicazione del DNA ed è uno dei meccanismi più precisi conosciuti in biologia: nell’uomo copia circa tre miliardi di lettere con un errore ogni miliardo di basi circa.

Vediamo come è fatta la doppia elica, perché la replicazione si dice semiconservativa, quali enzimi la eseguono e perché i due filamenti vengono copiati in modo diverso, dando origine ai frammenti di Okazaki.

La doppia elica e l’appaiamento delle basi

Il DNA è una doppia elica formata da due filamenti antiparalleli, tenuti insieme dall’appaiamento specifico delle basi azotate: l’adenina (A) si lega sempre alla timina (T) con due legami a idrogeno, la guanina (G) si lega sempre alla citosina (C) con tre legami. È la celebre regola di Chargaff: in qualunque DNA la quantità di adenina eguaglia quella di timina, e quella di guanina eguaglia quella di citosina.

A = T  ·  G = C  ·  (A + G) = (T + C)

Questa complementarietà è il cuore della replicazione: ogni filamento contiene l’informazione necessaria a ricostruire l’altro. Se conosco la sequenza di un filamento, conosco automaticamente quella del filamento complementare. La cellula sfrutta proprio questa proprietà per duplicare l’intero genoma.

Perché si dice semiconservativa

La replicazione è semiconservativa: la doppia elica si apre come una cerniera e ciascuno dei due filamenti vecchi fa da stampo per costruire un nuovo filamento complementare. Il risultato sono due doppie eliche figlie, ognuna formata da un filamento vecchio (conservato) e da uno nuovo (appena sintetizzato).

doppia elica → due eliche figlie = 1 filamento vecchio + 1 nuovo

L’esperimento di Meselson e Stahl, nel 1958, dimostrò proprio questo modello, escludendo le ipotesi alternative (conservativa e dispersiva). Da allora la natura semiconservativa della replicazione è uno dei capisaldi della biologia molecolare.

Gli enzimi che copiano il DNA

La replicazione coinvolge una squadra di proteine. L’elicasi apre la doppia elica rompendo i legami a idrogeno tra le basi, formando la cosiddetta forcella di replicazione. La primasi sintetizza brevi inneschi (primer) di RNA da cui partire. Le DNA polimerasi sono gli enzimi centrali: aggiungono i nucleotidi uno a uno, complementari allo stampo, allungando il nuovo filamento. La DNA ligasi, infine, salda i tratti separati in un filamento continuo.

Le DNA polimerasi hanno due vincoli fondamentali: aggiungono nucleotidi solo all’estremità 3′ del filamento in crescita (sintetizzano cioè in direzione 5’→3′) e non sono capaci di iniziare da zero, ma solo di allungare un innesco già presente. Molte possiedono anche un’attività di correzione di bozze (proofreading) che rimuove i nucleotidi inseriti per errore, abbattendo enormemente il tasso di errore.

Filamento guida, filamento in ritardo e frammenti di Okazaki

Qui nasce un’asimmetria importante. Poiché i due filamenti sono antiparalleli ma la polimerasi lavora solo in direzione 5’→3′, i due filamenti stampo non possono essere copiati allo stesso modo. Sul filamento guida (leading) la sintesi procede in modo continuo, seguendo l’apertura della forcella. Sul filamento in ritardo (lagging) la sintesi va in direzione opposta all’apertura, quindi avviene a pezzi: la polimerasi sintetizza brevi tratti chiamati frammenti di Okazaki, ciascuno con il proprio innesco.

Questi frammenti vengono poi rifiniti: gli inneschi di RNA sono rimossi e sostituiti con DNA, e la DNA ligasi salda i frammenti adiacenti, ottenendo infine un filamento continuo. È un meccanismo ingegnoso che permette di copiare entrambi i filamenti pur usando enzimi che lavorano in una sola direzione.

Gli attori della replicazione in sintesi

La tabella riassume i principali enzimi e il loro ruolo nella forcella di replicazione:

Ogni proteina svolge un compito preciso e coordinato con le altre: è questa coordinazione a rendere la replicazione tanto rapida quanto accurata.

Vedi anche. I danni che sfuggono alla replicazione vengono corretti dai sistemi di riparazione del DNA.

Poiché la copia non arriva fino in fondo, le estremità dei cromosomi si accorciano: qui entrano in gioco i telomeri e la telomerasi.

Domande frequenti

Che cos’è la replicazione del DNA?

È il processo con cui una cellula copia il proprio DNA prima di dividersi, in modo che ciascuna cellula figlia riceva una copia completa dell’informazione genetica. La doppia elica si apre e ogni filamento fa da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare.

Perché la replicazione è detta semiconservativa?

Perché ogni doppia elica figlia conserva uno dei due filamenti originali e ne sintetizza uno nuovo. Così metà della molecola è «vecchia» e metà «nuova». Questo modello fu dimostrato dall’esperimento di Meselson e Stahl nel 1958.

Che cosa sono i frammenti di Okazaki?

Sono brevi tratti di DNA sintetizzati sul filamento in ritardo. Poiché la DNA polimerasi lavora solo in direzione 5’→3′, quel filamento non può essere copiato in continuo e viene costruito a pezzi, che vengono poi saldati dalla DNA ligasi in un filamento unico.

Qual è la differenza tra filamento guida e filamento in ritardo?

Il filamento guida viene sintetizzato in modo continuo, nella stessa direzione in cui la forcella si apre. Il filamento in ritardo viene sintetizzato in modo discontinuo, in direzione opposta all’apertura, sotto forma di frammenti di Okazaki che poi si uniscono.

Quanto è precisa la replicazione del DNA?

Molto: l’errore finale è di circa una base sbagliata ogni miliardo copiate. Questa fedeltà deriva dall’appaiamento specifico delle basi, dal proofreading della DNA polimerasi e dai sistemi di riparazione del mismatch che intervengono dopo la sintesi.