Forcella Replicativa

La forcella replicativa è la struttura a forma di Y che si genera nel punto di transizione tra il DNA a doppia elica non ancora duplicato e i due filamenti singoli in via di replicazione. All’interno della forcella opera il macchinario replicativo molecolare che sintetizza simultaneamente entrambi i filamenti.

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Sintesi Asimmetrica del DNA

Le DNA polimerasi sono in grado di allungare un filamento esclusivamente in direzione $5^{\prime }\to 3^{\prime }$. Poiché la doppia elica del DNA è formata da due filamenti antiparalleli, la sintesi avviene in modo asimmetrico:

• Filamento Guida (Leading Strand): È complementare al filamento stampo orientato in direzione $3^{\prime }\to 5^{\prime }$. Viene sintetizzato in modo continuo procedendo nella stessa direzione dell’avanzamento della forcella di replicazione. Risulta essere il filamento a sintesi più rapida.
• Filamento Tardivo o Discontinuo (Lagging Strand): È complementare al filamento stampo orientato in direzione $5^{\prime }\to 3^{\prime }$. La sintesi avviene in modo discontinuo, in direzione opposta rispetto all’avanzamento della forcella, sotto forma di brevi tratti di DNA chiamati frammenti di Okazaki.

Lunghezza dei Frammenti di Okazaki

• Procarioti: Lunghi circa 1000-2000 nucleotidi.
• Eucarioti: Lunghi circa 200 nucleotidi.

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Gli Inneschi (Primer) e il Ruolo della Primasi

La DNA polimerasi necessita di un’estremità 3’-OH libera per avviare la sintesi di DNA. Per questo motivo, il processo richiede la sintesi preventiva di un innesco (primer), costituito da una breve sequenza di RNA (circa 10-13 nucleotidi).

I primer sono sintetizzati dalla primasi, un’RNA polimerasi speciale:

• Procarioti: La primasi è l’enzima DnaG.
• Eucarioti: La primasi è associata stabilmente alla DNA polimerasi $\alpha$.

L’attività della primasi è strettamente coordinata a quella dell’elicasi. L’interazione fisica tra la primasi e l’elicasi è debole e transitoria; questo legame instabile determina la frequenza di deposizione dei primer sul filamento stampo e, di conseguenza, la lunghezza finale dei frammenti di Okazaki.

Frequenza di Innesco

• Procarioti: Poiché il genoma è circolare e possiede una singola origine di replicazione, sul filamento guida viene depositato un solo primer.
• Eucarioti: La presenza di molteplici bolle di replicazione lungo i cromosomi lineari fa sì che anche sul filamento guida vengano depositati tanti primer quante sono le origini di replicazione attive.
• Sul filamento tardivo (sia nei procarioti che negli eucarioti) viene depositato un primer all’inizio di ciascun frammento di Okazaki.

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Struttura dell’Oloenzima Replicativo

L’oloenzima è il complesso multiproteico deputato all’allungamento simultaneo dei due filamenti. La composizione varia a seconda dell’organismo:

Oloenzima nei Procarioti (Oloenzima Pol III)

È composto da:

• 1 DNA polimerasi III core per la sintesi continua del filamento guida.
• 2 DNA polimerasi III core dedicate alla sintesi del filamento tardivo, che operano alternandosi.
• 1 caricatore della pinza (clamp loader): Coordina l’attività delle polimerasi e carica la pinza $\beta$ sui filamenti stampo. È connesso fisicamente sia alle polimerasi che all’elicasi.
• 1 elicasi: Srotola la doppia elica guidando l’apparato, ed è associata al caricatore della pinza e alla primasi.
• Primasi: Reclutata ciclicamente per produrre i primer di RNA sul filamento tardivo.

Oloenzima negli Eucarioti

La divisione dei compiti replicativi è distribuita su polimerasi diverse:

• DNA polimerasi $\epsilon$: Deputata alla sintesi continua del filamento guida.
• DNA polimerasi $\delta$: Deputata alla sintesi del filamento tardivo.
• DNA polimerasi $\alpha$ / primasi: Deputate all’innesco dei frammenti di Okazaki.

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Modello a Trombone

Durante la replicazione del filamento tardivo, il filamento stampo deve essere sintetizzato nella direzione opposta rispetto al movimento complessivo della forcella. Per consentire all’oloenzima di procedere in un’unica direzione fisica senza staccarsi, il filamento stampo del filamento tardivo si ripiega formando una struttura ad ansa.

Questo ripiegamento è descritto come modello a trombone: l’ansa formata dal DNA stampo si espande progressivamente man mano che la DNA polimerasi sintetizza il frammento di Okazaki, e si contrae (rilasciando il DNA) non appena il frammento è completato e l’enzima deve riposizionarsi sul primer successivo.

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🔗 Collegamenti

• Replicazione del DNA — 📋 fa parte di
• DNA Polimerasi — 🔗 stesso meccanismo
• Rimozione dei Primer nella Replicazione — ➡️ evoluzione
• Origine della Replicazione — ⬆️ causa
• Inizio della Replicazione nei Procarioti — ⬆️ causa
• Inizio della Replicazione nei Eucarioti — ⬆️ causa