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Estructura del DNA
El DNA es una estructura dinámica y puede adoptar in vivo diversas formas. Está constituido por dos cadenas de polidesoxinucleótidos que están orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas) y giran alrededor de un eje común formando una doble hélice dextrógira. Las bases de purina y pirimidina están ubicadas en el interior de la hélice, mientras que las unidades de fosfato y de desoxirribosa, organizadas en cadena, lo están en el exterior. La A se empareja con la T mediante dos puentes de H y la G con la C mediante tres puentes de H. La secuencia de bases especifica
la formación de los puentes de H y éstos delimitan los surcos mayor y menor de la doble hélice.
Replicación de DNA
La replicación consiste en la formación de dos cadenas de DNA a partir de una, siguiendo como modelo de copia las dos hebras de la molécula progenitora. Las propiedades fundamentales de la replicación del DNA y de los mecanismos utilizados por las enzimas que la catalizan han resultado ser básicamente idénticos en todos los organismos.
Principales características de la replicación
La replicación del DNA está gobernada por un conjunto de reglas fundamentales. Los primeros estudios sobre la replicación del DNA bacteriano y sus enzimas contribuyeron al establecimiento de una serie de propiedades básicas que son aplicables a la síntesis del DNA de todos los organismos.
- La replicación es un proceso semiconservador. Cada cadena de la molécula de ADN parental actúa de molde para la síntesis de una nueva cadena produciéndose dos nuevas moléculas de ADN, cada molécula nueva posee una cadena vieja y una nueva.
- La replicación comienza en un punto del ADN. Las dos cadenas de ADN se replican al mismo tiempo y comienzan en un punto denominado origen. En dicho punto el ADN parental se desenrolla y forma una estructura de lazo cuyos extremos se denominan horquillas de replicación. En el caso del cromosoma circular bacteriano, el punto inicial de la replicación es un gen denominado origen.
- La replicación es bidireccional. Comenzada en un punto de la molécula de ADN el proceso se desarrolla hacia los dos extremos de la cadena; en cada lazo, los extremos u horquillas de replicación avanzan en el proceso de síntesis hasta completar la copia.
- La síntesis de ADN se desarrolla en dirección 5' → 3'. La dirección en que actúan las enzimas es fija y única de 5' a 3'. Esto determina que la cadena molde ha de tener la dirección 3'→5', para que la nueva cadena en formación, complementaria y antiparalela tenga la dirección 5' →3' coincidente con el sistema de trabajo de la enzima. Al ser la horquilla de replicación bidireccional, el sistema descrito implicaría que la otra cadena parental 5'→3' debería
Esta reacción es catalizada por varias enzimas, las ADN polimerasas , cada una con un tipo de actividad muy específica pero con una serie de requisitos de funcionamiento comunes, que son:
- Necesitan una cadena de ADN molde , el proceso de replicación es dirigido por la cadena de ADN molde, y sigue el principio de complementariedad de bases fijando el nucleótido que debe incorporarse a la cadena en formación según tal regla.
- Necesitan un cebador , la polimerización que realizan estas enzimas requiere que exista una cadena previa inicial (cebador) ya que son incapaces de coger sobre su centro activo dos nucleótidos individuales y comenzar la síntesis. Uno de los sustratos necesarios de la reacción es, por tanto, una cadena preexistente, y ninguna de estas enzimas es capaz de iniciar la síntesis de una cadena nueva desde su primer nucleótido.
- Su dirección de síntesis es fija de 5'→ 3' , esto significa que adicionan nucleótidos a la cadena siempre por un extremo fijo, el extremo 3'. O bien, que de los dos extremos del nucleótido libre que se va a incorporar, utilizan su grupo fosfato o extremo 5' para añadirlo a la cadena en crecimiento.
- La velocidad con que adicionan nucleótidos, o procesividad , se mide como el número de nucleótidos incorporados en la unidad de tiempo y es una característica propia de cada polimerasa. Una cualidad de todas las ADN-polimerasas es la precisión con que realizan la replicación, estimándose en Escherichia coli que se comete un error en uno de cada 10^9 a 10^10 nucleótidos, lo cual en el cromosoma de Escherichia coli supone un error cada 1.000 a 10. replicaciones. Estos errores son corregidos por las mismas polimerasas mediante una actividad enzimática independiente, la actividad exonucleasa 3' 5'; esta actividad les permite eliminar el último nucleótido incorporado si éste es erróneo, para a continuación, seguir con la polimerización. Esta capacidad de corrección, mediante la discriminación entre bases correctas e incorrectas, mejora la precisión de la replicación. Si se añade el hecho de que,
además, existen otros sistemas de corrección que actúan después de acabada la replicación, puede observarse la fidelidad y garantía del proceso. Existen tres polimerasas denominadas ADN polimerasa I (la primera que se describió), ADN polimerasa II y ADN polimerasa III. Si se comparan algunas características diferenciales entre ellas, se puede observar que la ADN polimerasa III es la más compleja. Está formada por diez subunidades diferentes y tiene una capacidad de polimerización infinitamente superior a cualquiera de las otras dos, siendo, por tanto, la principal enzima de la replicación. La ADN polimerasa I es importante por su tarea de corrección , capaz de realizarla tanto en la dirección descrita como en la dirección contraria, debido a que posee la actividad exonucleasa 5'→3', careciendo de la misma el resto de polimerasas.
Otros enzimas que participan en el proceso de replicación
Para la replicación se necesitan, aparte de las ADN polimerasas descritas, alrededor de 20 proteínas diferentes, el conjunto de las mismas se denomina sistema ADN replicasa o replisoma ya que aunque no formen una unidad física, constituyen una unidad funcional. Dentro de las enzimas que participan están:
- Helicasas , enzimas que separan las dos cadenas de la molécula de ADN parental. Desplazándose a lo largo de la molécula de ADN eliminan los enlaces entre las cadenas consumiendo en el proceso ATP.
- Topoisomerasas , enzimas que desenrollan el ADN y lo relajan. Existen cuatro topoisomerasas (I a IV) que actúan eliminando superenrollamientos negativos; o bien induciéndolos, dependiendo del grado de plegamiento que tenga el ADN en su estado natural.
- Proteínas fijadoras de ADN , proteínas que estabilizan las cadenas separadas uniéndose a ellas.
- Primasas , enzimas que sintetizan el cebador, éste suele ser un corto fragmento de ARN, necesario para que pueda comenzar la ADN polimerasa III, y que posteriormente será eliminado y sustituido por un fragmento de ADN por la ADN polimerasa I.
- ADN ligasas , enzimas que se encargan de unir trozos formados de cadenas, realizando un enlace fosfodiéster entre los nucleótidos pertenecientes a dos segmentos de una cadena.
En la cadena rezagada se forma un conjunto proteico en el que se localizan siete proteínas distintas además de la primasa (primosoma). Este grupo se desplaza a lo largo del molde de la hebra rezagada en dirección 5' →3' sintetizando a intervalos un corto cebador de ARN, al que se unirá ADN formado por la ADN polimerasa III. El hecho de que las direcciones de trabajo de la primasa y la polimerasa sean contrarias a la dirección de crecimiento de la hebra, y de que el proceso sea uniforme en ambas hebras, viene justificado por el hecho de que la ADN polimerasa III es una proteína dimérica. Esta enzima obliga a la cadena molde de la hebra retrasada a formar un bucle sobre la misma. De esta forma, la dirección de síntesis es la misma en ambas hebras. Al ir desarrollándose la polimerización el bucle aumenta hasta contactar con el fragmento de Okazaki previo, forzando a la polimerasa a separarse o disociarse y a recomenzar de nuevo el proceso dónde se ha formado el nuevo cebador y ella creará el nuevo bucle. En una fase posterior se eliminan los segmentos de ARN cebador, por acción de la actividad exonucleasa 5'→3' de la ADN polimerasa I, quien también se encarga de rellenar los trozos ocupados por el cebador. Por último, la ADN ligasa une los segmentos catalizando la formación de un enlace fosfodiéster.
- Fase de terminación. En el caso de Escherichia coli con un cromosoma circular, las dos horquillas de la replicación se encuentran en el extremo contrario al origen terminando así la replicación y necesitando, únicamente, la presencia de una topoisomerasa para la separación de las dos moléculas.
Referencias Bibliográficas Blasco, I., Feduchi, E., Garcia, C. y Yañez, E. (2010). Bioquímica. Conceptos esenciales. (1 ed). Madrid: Medica Panamericana. Cox, M. M. y Nelson, D.L. (2015). Lehninger. Principios de Bioquímica. (6 ed). España: Ediciones Omega. Liberman, M. y Peet, A. (2018). Marks. Bioquímica Médica Básica. Un enfoque clínico. (5 ed). Barcelona: Wolters Kluwer
