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L'informazione genetica che governa tutti gli organismi viventi risiede nei filamenti di DNA dei loro cromosomi. Una molecola di DNA è una doppia elica composta da nucleotidi:ciascun nucleotide comprende un gruppo fosfato, uno zucchero desossiribosio e una base azotata. Poiché la struttura dello zucchero-fosfato è asimmetrica, i due filamenti corrono in direzioni opposte.
La struttura portante dello zucchero-fosfato è costituita da un desossiribosio a cinque atomi di carbonio (C1′‑C5′). Il carbonio 5′ si lega a un gruppo fosfato, mentre il carbonio 3′ porta un gruppo ossidrile. Quando i nucleotidi si legano, il fosfato 5′ di uno zucchero si lega covalentemente all’ossidrile 3′ del successivo, stabilendo un filamento continuo 5′→3′. Il filo complementare corre 3′→5′.
L'accoppiamento delle basi segue regole rigide:l'adenina si accoppia con la timina (A‑T) e la citosina si accoppia con la guanina (C‑G). Queste coppie formano i pioli dell'elica.
Durante la fase S, l'elicasi svolge la doppia elica e la DNA polimerasi III (nei procarioti) o la DNA polimerasi δ/ε (negli eucarioti) inizia la sintesi. Le polimerasi possono aggiungere nucleotidi solo nella direzione 5′→3′, quindi il filamento orientato 5′→3′, il filamento principale, può essere copiato continuamente man mano che la forca di replicazione avanza. Il filamento opposto, orientato 3′→5′, è il filamento in ritardo e deve essere sintetizzato in brevi segmenti in direzione inversa chiamati frammenti di Okazaki.
Ogni frammento viene avviato da un primer depositato dalla primasi, quindi allungato dalla polimerasi. Quando la forca di replicazione avanza, viene prodotto il frammento successivo e questo ciclo si ripete fino al completamento dell'intero filamento ritardato.
Una volta formati tutti i frammenti di Okazaki, la DNA ligasi catalizza la formazione di legami fosfodiesterici tra i terminali 3′‑OH e 5′‑fosfato adiacenti, producendo un filamento continuo. Il risultato sono due doppie eliche identiche, ciascuna composta da un filamento parentale e un filamento appena sintetizzato.
