Mecanismos moleculares de la replicación del ADN

El papel de las ADN polimerasas y otras enzimas de la replicación. Cadena líder y rezagada, y fragmentos de Okazaki.

Puntos más importantes:

  • La replicación del ADN es semiconservativa. Cada cadena de la doble hélice funciona como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
  • Enzimas llamadas ADN polimerasas producen el ADN nuevo, estas requieren de un molde y de un cebador (iniciador), y sintetizan ADN en dirección 5' a 3'.
  • Durante la replicación del ADN, una de las cadenas nuevas (la cadena líder) se produce como un fragmento continuo. La otra (la cadena rezagada) se hace en pequeños fragmentos.
  • La replicación requiere de otras enzimas además de ADN polimerasa, como la ADN primasa, la ADN helicasa, la ADN ligasa y la topoisomerasa.

Introducción

¡La replicación del ADN, o copiado del ADN de la célula, no es una tarea sencilla! Hay alrededor de 33 miles\text{miles} de\text{de} millones\text{millones} de pares de bases en el ADN de tu genoma, todos los cuales deben ser copiados con exactitud cuando cualquiera de tus billones de células se divide1^1.
Los mecanismos básicos de la replicación del ADN son similares entre los organismos. En este artículo, nos centraremos en cómo ocurre la replicación del ADN en la bacteria E. coli, pero los mecanismos de replicación son similares en los seres humanos y otros eucariontes.
Revisemos las proteínas y enzimas que realizan la replicación y veamos cómo trabajan en conjunto para asegurar la replicación correcta y completa del ADN.

La idea básica

La replicación del ADN es semiconservativa, lo que significa que cada cadena de la doble hélice del ADN funciona como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
Este proceso nos lleva de una molécula de inicio a dos moléculas "hijas", en las que cada nueva doble hélice contiene una cadena nueva y una vieja.
En parte, ¡eso es todo lo que sucede en la replicación de ADN! Pero en realidad, lo más interesante de este proceso es cómo lo realiza una célula.
Las células necesitan copiar su ADN muy rápidamente y con muy pocos errores (o se arriesgan a problemas como el cáncer). Para ello, utilizan una variedad de enzimas y proteínas que trabajan en conjunto para asegurar que la replicación del ADN se lleva a cabo sin incidentes y con precisión.

La ADN polimerasa

Una de las moléculas claves en la replicación del ADN es la enzima ADN polimerasa. Las ADN polimerasas son responsables de la síntesis de ADN: añaden nucleótidos uno por uno a la cadena creciente de ADN, e incorporan solo aquellos que sean complementarios al molde.
Estas son algunas características clave de las ADN polimerasas:
  • Siempre necesitan un molde.
  • Solo pueden agregar nucleótidos al extremo 3' de la cadena de ADN.
  • No pueden comenzar una cadena de ADN desde cero, sino que requieren de una cadena preexistente o segmento corto de nucleótidos llamado cebador.
  • Pueden corregir, o revisar su trabajo, eliminando la gran mayoría de nucleótidos "equivocados" que se agregan accidentalmente a la cadena.
La adición de nucleótidos requiere energía. Esta energía proviene de los nucleótidos mismos, que tienen tres fosfatos unidos a ellos (muy similar a la molécula portadora de energía ATP). Cuando se rompe el enlace entre los fosfatos, la energía liberada se utiliza para formar un enlace entre el nucleótido entrante y la cadena creciente.
En procariontes como E. coli, participan principalmente dos ADN polimerasas en la replicación del ADN: ADN pol III (la principal fabricante de ADN) y ADN pol I, que desempeña un crucial papel auxiliar que analizaremos más adelante.

El comienzo de la replicación de ADN

¿Cómo saben las ADN polimerasas y otros factores dónde comenzar la replicación? La replicación siempre comienza en lugares específicos del ADN, que se llaman orígenes de replicación y se reconocen por su secuencia.
E. coli, como la mayoría de las bacterias, tiene solo un origen de replicación en su cromosoma. El origen es de aproximadamente 245245 pares de bases de largo y tiene en su mayoría pares A/T (que se mantienen unidos por menos puentes de hidrógeno que los pares de bases G/C), por lo que es más fácil separar las cadenas de ADN.
Proteínas especializadas reconocen el origen, se unen a este sitio y abren el ADN. Conforme se abre el ADN, se forman dos estructuras en forma de Y llamadas horquillas de replicación, en conjunto conforman lo que se llama burbuja de replicación. Las horquillas de replicación se mueven en direcciones opuestas a medida que avanza la replicación.
¿Cómo es que avanza realmente la replicación en las horquillas? La helicasa es la primera enzima de la replicación que se carga en el origen de replicación3^3. El trabajo de la helicasa es permitir el avance de las horquillas de replicación "desenrollando" el ADN (rompiendo los puentes de hidrógeno entre los pares de bases nitrogenadas).
Proteínas llamadas proteínas de unión a cadenas sencillas cubren las cadenas de ADN separadas cerca de la horquilla de replicación, impidiéndoles volver a unirse en una doble hélice.

Los cebadores y la primasa

Las ADN polimerasas solo pueden agregar nucleótidos en el extremo 3' de una cadena de ADN existente, ya que utilizan el grupo -OH libre en el extremo 3' como un "gancho" y añaden un nucleótido a este grupo en la reacción de polimerización. Entonces, ¿cómo es que la ADN polimerasa añade el primer nucleótido en una horquilla de replicación nueva?
Por sí sola, ¡no puede! El problema se soluciona con la ayuda de una enzima llamada primasa. La primasa hace un cebador de ARN, un corto segmento de ácido nucleico complementario al molde, que proporciona un extremo 3' con el que la ADN polimerasa puede trabajar. Un cebador típico es de cinco a diez nucleótidos de largo. El cebador ceba la ADN polimerasa, es decir, le proporciona lo que necesita para funcionar.
Una vez que el cebador de ARN está en su sitio, la ADN polimerasa lo "extiende", añadiendo nucleótidos uno a uno para hacer una cadena nueva de ADN complementaria a la cadena molde.

Cadena líder y cadena rezagada

En E. coli, la ADN polimerasa que se encarga de la mayor parte de la síntesis es la ADN polimerasa III. Hay dos moléculas de ADN polimerasa III en una horquilla de replicación, cada una de las cuales trabaja duro en una de las dos nuevas cadenas de ADN.
Las ADN polimerasas solo pueden hacer ADN en dirección 5' a 3', esto plantea un problema durante la replicación. Una doble hélice de ADN siempre es antiparalela; en otras palabras, una cadena corre en dirección 5' a 3', mientras que la otra corre de 3' a 5'. Esto hace necesario que las dos cadenas nuevas, que también son antiparalelas a sus moldes, se produzcan de formas ligeramente diferentes.
Una cadena nueva, que corre de 5' a 3' hacia la horquilla de replicación, es fácil. Esta cadena se produce continuamente porque la ADN polimerasa se mueve en la misma dirección que la horquilla de replicación. Esta cadena sintetizada continuamente se llama cadena líder.
La otra cadena nueva, que corre de 5' a 3' y se aleja de la horquilla, es más difícil. Esta cadena se produce en fragmentos porque, conforme avanza la horquilla, la ADN polimerasa (que se aleja de la horquilla) debe separarse y volver a unirse al ADN recién expuesto. Esta cadena más difícil, que se produce en fragmentos, se llama cadena rezagada.
Los pequeños fragmentos se llaman fragmentos de Okazaki, en honor al científico japonés que los descubrió. La cadena líder puede extenderse a partir de un solo cebador, mientras que la cadena rezagada necesita un cebador nuevo para cada uno de los fragmentos cortos de Okazaki.

El equipo de mantenimiento y limpieza

Además de las principales proteínas mencionadas anteriormente, se necesitan algunas otras proteínas y enzimas para mantener la replicación del ADN funcionando sin problemas. Una es una proteína llamada pinza deslizante, que mantiene a las moléculas de ADN polimerasa III en su lugar al sintetizar ADN. La pinza deslizante es una proteína en forma de anillo e impide que la ADN polimerasa de la cadena rezagada se vaya flotando cuando vuelve a comenzar en un nuevo fragmento Okazaki4^4.
La topoisomerasa también juega un papel importante de mantenimiento durante la replicación del ADN. Esta enzima impide que la doble hélice de ADN que está por delante de la horquilla de replicación se enrolle demasiado cuando se abre el ADN. Actúa haciendo mellas temporales en la hélice para liberar la tensión, las cuales vuelve a sellar para evitar daños permanentes.
Por último, se debe hacer un poco de trabajo de limpieza si queremos que el ADN no contenga ARN ni brechas. La ADN polimerasa I, la otra polimerasa que participa en la replicación, elimina los cebadores de ARN y los sustituye por ADN. La enzima ADN ligasa sella las brechas que permanecen después de reemplazar los cebadores.

Resumen de la replicación del ADN en E. coli

Veamos el panorama para conocer cómo las enzimas y proteínas que participan en la replicación trabajan juntas para sintetizar ADN nuevo.
  • La helicasa abre el ADN en la horquilla de replicación.
  • Las proteínas de unión a cadenas sencillas cubren el ADN alrededor de la horquilla de replicación para evitar que el ADN se vuelva a enrollar.
  • La topoisomerasa trabaja por delante de la horquilla de replicación para evitar el superenrollamiento.
  • La primasa sintetiza cebadores de ARN complementarios a la cadena de ADN.
  • La ADN polimerasa III extiende los cebadores, agregando sobre el extremo 3', para hacer la mayor parte del ADN nuevo.
  • Los cebadores de ARN se eliminan y la ADN polimerasa I los sustituyen por ADN.
  • La ADN ligasa sella las brechas entre fragmentos de ADN.

La replicación del ADN en eucariontes

Los fundamentos de la replicación del ADN son similares entre bacterias y eucariontes, como los seres humanos, pero también hay algunas diferencias:
  • Los eucariontes tienen varios cromosomas lineales, cada uno con múltiples orígenes de replicación. ¡Los seres humanos pueden tener hasta 100100 000000 orígenes de replicación5^5!
  • La mayoría de las enzimas de E. coli tienen contrapartes en la replicación eucarionte del ADN, pero una única enzima de E. coli puede ser representada por varias enzimas en eucariontes. Por ejemplo, hay cinco ADN polimerasas humanas con papeles importantes en la replicación5^5.
  • La mayorías de los cromosomas eucariontes son lineales. Debido a la forma en que se hace la cadena rezagada, en cada ronda de replicación se pierde un poco de ADN en los extremos de los cromosomas lineales (los telómeros).
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