REPLICACIÓN DEL ADN: Finalidad del proceso e importancia biológica. Etapa del ciclo celular donde tiene lugar

La replicación consiste en la síntesis de una copia de una molécula de ADN; es decir, a partir de una molécula de ADN se obtendrán dos moléculas idénticas. Este proceso está relacionado con la reproducción y ocurre en la fase S del ciclo celular. De esta forma, después de que ha tenido lugar la división celular, cada célula hija posee la misma información genética. Se produce en el núcleo en eucariotas y en el citoplasma en procariotas. Características del mecanismo de replicación. ADN-polimerasa.

Una vez descubierta la estructura del ADN, se plantearon tres hipótesis para tratar de explicar el mecanismo de la replicación:

Conservativa. Según esta hipótesis, las dos cadenas de la doble hélice hija se sintetizan de

nuevo a partir del molde de la parental, que permanece.

Dispersiva. Según esta hipótesis, las dos cadenas tendrían fragmentos de la cadena antigua

y fragmentos recién sintetizados.

Semiconservativa. La molécula de ADN se separa en sus dos hebras y cada una de ellas

sirve de molde para la síntesis de su complementaria. De esta forma, las dobles hélices resultantes contienen una hebra antigua o parental y una de nueva síntesis. La hipótesis semiconservativa es el modelo de replicación confirmado, tanto en eucariontes como en procariontes. Propuesta por Watson y Crick.

Durante la replicación del ADN; cada hebra se separa y actúa como molde o patrón para la síntesis de una nueva cadena que posee una secuencia de bases complementaria.

(G-C y A-T). La replicación es:

SEMICONSERVATIVA: La replicación del ADN se dice que se ajusta a un modelo

semiconservativo, pues en la doble hélice de cada célula hija se conserva una cadena original de la célula madre (el molde); la otra cadena se sintetiza de nuevo.

BIDIRECCIONAL: comienza por los puntos de origen (O) o locus Ori-C y avanza

bidireccionalmente hacia los puntos de terminación, formando “Burbujas de replicación”.

ANTIPARALELA: los nucleótidos complementarios son seleccionados y fijados por la

ADN polimerasa 3´ 5´ 5´ 3´

SEMIDISCONTINUA: Una hebra de crecimiento continuo (conductora) y otra de

crecimiento discontinuo (retardada).

Las principales moléculas implicadas en la replicación del ADN en los procariontes son:

ADN polimerasas. Son los enzimas que se encargan de catalizar la formación de enlaces

fosfodiéster entre dos nucleótidos consecutivos. Los nucleótidos complementarios a los de la cadena que actúa como molde se añaden solamente por el extremo 3´. Se lee la cadena en dirección 3´ --- 5´ y se forma la nueva en la dirección 5´---3´.

Para llevar a cabo la catálisis necesitan un extremo 3'–OH libre necesario para que la ADN- polimerasa pueda añadir nucleótidos, por lo que requieren un cebador para iniciar la síntesis. Este cebador es un fragmento de ARN llamado primer o iniciador.

En E. Coli (PROCARIOTAS) se conocen tres polimerasas:

ADN polimerasa I, que presenta también actividad exonucleasa y se encarga de rellenar espacios polimerizando ADN.

ADN polimerasa II, que interviene en la reparación del ADN.

ADN polimerasa III, que sintetiza la mayor parte del ADN durante la replicación.

Helicasas. Separan las dos hebras de la molécula de ADN mediante la rotura de los puentes

de hidrógeno que las mantienen unidas; de este modo, cada hebra puede actuar de molde para la síntesis de una nueva cadena.

Girasa. Son enzimas encargados de desenrollar la doble hélice de ADN a medida que se va

replicando, para permitir la acción del ADN polimerasa.

Topoisomerasas. Cortan una hebra y permiten que la molécula de ADN rote alrededor del enlace fosfodiester, liberando la tensión producida por el superenrollamiento del ADN.

Primasa. Es un ARN polimerasa que sintetiza pequeños fragmentos de ARN llamados

cebadores o "primer".

Proteínas SSB. Son proteínas estabilizadoras de la cadena sencilla. Una vez que actúa la

helicasa se unen a las cadenas sencillas, estabilizándolas mientras se produce la replicación.

ADN ligasas. Se encargan de unir fragmentos adyacentes de ADN, que se encuentran

correctamente emparejados con la hebra complementaria.

MECANISMO DE REPLICACIÓN: Inicio de la replicación. Formación de las nuevas

hebras de ADN. Corrección de errores

http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/animations.htm DNA replication

La replicación del cromosoma bacteriano (doble hélice de ADN circular) comienza cuando se forma una burbuja de replicación, que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación, en las cuales cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación. Finalmente, al cabo de unos 30 minutos, los dos nuevos cromosomas genéticamente idénticos se separan. Se diferencian 3 etapas: 1. Inicio: Desenrollamiento y apertura de la doble hélice.

La separación de las cadenas comienza en un punto concreto del cromosoma denominado oriC, rico en secuencias GATC, que marca el origen de la replicación.

A partir del origen de replicación se forman unas estructuras conocidas como burbujas de replicación que se extienden a lo largo del cromosoma, en sentidos contrarios, y dan lugar a dos horquillas de replicación (por su forma de Y), donde las dos hebras del ADN parental están separadas y actúan como moldes o patrones para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN: por esta razón se dice que la replicación es bidireccional.

Para que la doble hélice se desenrolle sin que las hebras circulares acaben enredándose en un ovillo, interviene un conjunto de proteínas y enzimas que, junto con las enzimas ADN Polimerasas, constituyen un aparato molecular de replicación denominado replisoma:

En primer lugar actúan las enzimas helicasas que facilitan el desenrollamiento de la

doble heélice que se abre como una cremallera y, para eliminar las tensiones generadas por la torsión de las dos hebras al desenrollarse, intervienen, además, enzimas girasas y toposiomerasas.

Luego, las proteínas SSB, se unen a las hebras molde del ADN para estabilizarlas y

que no se vuelvan a enrollar.

2. Síntesis de las nuevas hebras. Una vez formada la burbuja de replicación, ya pueden actuar las enzimas ADN

polimerasas que leen la secuencia de cada una de las cadenas y elaboran dos copias con secuencias complementarias. En E.coli existen tres enzimas: ADN polimerasa: I y III, que se encargan de la replicación de la corrección de errores, y II, que solo lleva a cabo la reparación del ADN dañado por determinados agentes físicos. De ellas, la ADN polimerasa III es la que lleva a cabo la mayor parte del proceso.

Recorre las hebras molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde.

Si el nucleótido trifosfato seleccionado, es, en efecto, el complementario, lo incorpora a la cadena de ADN en formación mediante un enlace fosfodiéster.

PROBLEMAS QUE DEBE RESOLVER LA ENZIMA ADN POLIMERASA III.

La enzima ADN polimerasa III debe resolver dos problemas relacionados con su actividad

catalítica: el inicio de la síntesis y el sentido de lectura de la hebra molde:

INICIO DE LA SÍNTESIS:

La ADN polimerasa III es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN; solo pueden elongarla, pues para adicionar desoxirribonucliótidos necesitan una cadena previamente formada que suministre un grupo hidroxilo (-OH) 3´que esté libre.

La síntesis de una nueva cadena de ADN comienza con un corto fragmento de ARN, llamado cebador (primer), que proporciona extremos hidroxilo 3´libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos: se sintetiza mediante una enzima ARN polimerasa, llamada primasa, que actúa como iniciador de las réplicas y se elimina posteriormente del ADN formado.

SENTIDO DE LECTURA DE LA HEBRA MOLDE

La ADN polimerasa III solo “sabe leer” las secuencias de las hebras molde en sentido 3´ 5´. Mientras que las nuevas cadenas se sintetizan y crecen en sentido 5´3´. Por lo tanto, de las dos hebras molde del ADN, la que está orientada en el sentido 3´5´es copiada de manera continua por esta enzima, y la nueva réplica, que crece en el sentido 5´3´, recibe el nombre de hebra conductora o líder.

Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5´3´, no puede leerse en este sentido por la ADN polimerasa III. Para ello, se abren porciones de la hebra molde sufiecientemente grandes que permitan sintetizar pequeños fragmentos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos crecen en el sentido 5´3´y, más tarde, se unen para formar otra réplica, que recibe el nombre de hebra retardada porque tarda más tiempo en sintetizarse, ya que la enzima debe esperar a que la horquilla de replicación se vaya abriendo lo suficiente para retroceder y volver a comenzar su trabajo.

El proceso es el siguiente:

El ARN polimerasa, denominada primasa, sintetiza una pequeña molécula de ARN que actúa de cebador, ya que el ADN polimerasa III es capaz de alargar la cadena, pero no de iniciarla. El cebador aporta un extremo 3´ OH necesario para que la ADN polimerasa III pueda añadir nucleótidos.

El ADN polimerasa III, utilizando como cebador ("primer") el fragmento de ARN, va

alargando la cadena. Este enzima solo es capaz de unir nucleótidos en sentido 5’--- 3'. Como las dos cadenas que forman el ADN son antiparalelas, las dos hebras se sintetizan de manera diferente:

- Hebra continua: (a partir del origen de replicación de la cadena molde 3´---5´) se

lee la cadena en dirección 3´---5´ y la hebra hija que se sintetiza a partir de ella lo hace de forma continua de 5´--3´.

- Hebra retardada: (a partir del origen de replicación de la cadena molde 5´---3´ ) se

replica de forma discontinua y de forma retardada mediante la síntesis de pequeños fragmentos (1 000 nucleótidos) que crecen en dirección 5'---3', llamados fragmentos de Okazaki.

A continuación el ADN polimerasa I elimina los fragmentos de ARN que han actuado de

cebadores (función exonucleasa) y rellena los huecos entre los fragmentos (función polimerasa).

Por último, el ADN-ligasa une los extremos de los fragmentos, dando lugar a la molécula

completa utilizando la energía del ATP.

3. Corrección de errores.

En E. coli tanto la ADN polimerasa I como la III tienen capacidad para corregir errores en la incorporación de nucleótidos con bases incorrectamente apareadas. Esto es posible por la actividad exonucleasa 3´-5´de estos enzimas, que eliminan los nucleótidos mal colocados. La ADN polimerasa I también tienen actividad exonucleasa 5´-3´, lo que permite la corrección de otros tipos de errores y la eliminación del ARN cebador.

DIFERENCIAS ENTRE EL PROCESO REPLICATIVO DE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS.

PROCARIOTAS EUCARIOTAS

Existen tres ADN polimerasas I, II y III.

La replicación la realiza fundamentalmente la

polimerasa III.

Tienen cuatro ADN polimerasas a, d , b y e,

además de la polimerasa g, que replica el ADN

mitocondrial.

La polimerasa a replica la hebra retardada, y la

d, la hebra lider.

Presentan un único punto de inicio de la

replicación (oriC).

Presentan cientos de puntos de origen de la

replicación.

No tienen actividad telomerasa, ya que su

ADN es circular y no presentan problemas en

la terminación de la síntesis.

Debido a que las cadenas de ADN son

lineales, presentan actividad telomerasa

(enzima del extremo de los cromosomas) para

poder completar el extremo de la hebra una

vez quitado el cebador.

Fragmentos de Okazaki mayor (1000 a 2000

nucleótidos)

Fragmentos Okazaki menores (100 a 200

nucleótidos)

Velocidad replicación mayor Velocidad replicación menor (hasta 50 veces)