La duplicazione del DNA è un meccanismo molecolare attraverso il quale viene prodotta una copia del DNA;
inizia da una specifica sequenza di nucleotidi detta origine della duplicazione e richiede particolari proteine di attivazione e enzimi che sono in grado di aprire la doppia elica.
Una volta separati i due filamenti, altre proteine si attaccano ai singoli filamenti per tenerli separati; la fase successiva, ovvero la vera sintesi del nuovo filamento, è possibile grazie a un gruppo di enzimi chiamati DNA polimerasi.
La regione in cui avviene la sintesi è nota come bolla di duplicazione, a entrambe le estremità della bolla, dove i vecchi filamenti vengono separati e stanno per essere sintetizzati i nuovi filamenti complementari, la molecola forma una struttura a Y detta forcella di duplicazione.
La duplicazione avviene in due direzioni opposte , per questo viene definita bidirezionale.
Quando si è completata la sintesi dei nuovi filamenti, le due catene a doppio filamento si separano in due nuove doppie eliche costituite ciascuna da un filamento vecchio e da un filamento nuovo: la duplicazione del DNA viene detta semiconservativa.I due filamenti che compongono una molecola di DNA sono antiparalleli, cioè, corrono in senso opposto.
Quando una molecola di DNA inizia a duplicarsi su ogni filamento in via di formazione l'enzima DNA polimerasi comincia ad aggiungere nuovi nucleotidi complementari a partire da una sequenza provvisoria chiamata primer (sequenza di solito formata da una dozzina di nucleotidi di RNA) che viene inserita sul filamento stampo del DNA grazie all'enzima DNA primasi.
Nel momento dell'inserimento l'enzima DNA polimerasi spezza il legame tra il primo e il secondo gruppo fosfato, la rottura di questo legame covalente fornisce l'energia per unire i nucleotidi adiacenti.
La duplicazione può avvenire solo in direzione da 5' a 3', dato che l'unico gruppo fosfato rimasto nel nuovo nucleotide può legarsi solo al carbonio del nucleotide precedente che si trova in posizione 3'; il filamento complementare al filamento stampo che ha direzione da 3' a 5' può allungarsi in maniera continua senza interruzioni, l'altro filamento appaiandosi a un filamento a partire dalla sua estremità 5' dovrebbe allungarsi in direzione da 3' a 5', ma questo non è possibile quindi il filamento viene assemblato a ritroso.
Il filamento che può aggiungere senza interruzioni nucleotidi è detto filamento guida, mentre l'altro è chiamato filamento in ritardo e viene sintetizzato in modo discontinuo sotto forma di singoli segmenti assemblati in direzione da 5' a 3' e poi collegati tra loro, questi segmenti sono noti come frammenti di Okazaki e sono lunghi 100-200 nucleotidi.
Sul filamento guida il punto di attacco (primer) per le DNA polimerasi è unico e si trova all'inizio del filamento da duplicare; sul filamento in ritardo i primer a cui le DNA polimerasi si devono attaccare per aggiungere i nucleotidi sono molteplici e si trovano in prossimità della forcella di duplicazione.
Dopo essere state utilizzate, le sequenze primer, vengono eliminate e sostituite con il DNA definitivo e i vari frammenti sono legati insieme dall'enzima DNA ligasi in modo che anche questo filamento in via di formazione possa assumere un andamento continuo.
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