Replicación del ADN I
Introducción
¡Hola!
Es un gusto encontrarte nuevamente, espero que estés aprendiendo mucho, sobre todo, que tu ánimo no decaiga y sigas conociendo más acerca de los temas que se te presentan. Por lo tanto te invito a continuar en la segunda clase denominada Replicación del ADN de la UDA de Biología Molecular.
En esta ocasión abordaremos el tema de la Replicación del ADN, la cuál corresponde a la primera etapa en el Dogma Central de la Biología Molecular que se revisó en la clase anterior. En esta clase se hablará sobre la replicación del ADN en procariotas mientras que la próxima sesión comprenderá la replicación del ADN en eucariotas. Esto con la finalidad de que conozcas las diferencias y similitudes del proceso en ambos sistemas.
Comenzaremos la clase con las características generales del proceso de replicación y posteriormente se describirán cada una de las etapas que lo componen, así como los participantes de cada una de las mismas.
Así que, sin más que agregar, comencemos con buena actitud esta clase.
Desarrollo del tema
Replicación del ADN
Una de las características más notables del ADN es su capacidad de replicarse, es decir, de formar copias de sí mismo. Tras la propuesta de Watson y Crick sobre la estructura del ADN (clase1), los científicos se centraron en tratar de explicar como es que esta se replica.
La replicación del ADN ocurre durante el ciclo celular. Es una función esencial para la célula por lo que debe ser ejecutada a la perfección. Además, es una tarea enorme y compleja. Imagínate tener que copiar 3,000,000,000 de nucleótidos, que es lo que mide el genoma humano.
Veamos cuales son las características generales del proceso de replicación, es decir, las características presentes tanto en la replicación en procariotas como en eucariotas.
- La replicación es semiconservativa, es decir, cada cadena de ADN sirve de molde para la síntesis de su complementaria. De esta manera cada una de las moléculas nuevas conserva una cadena original y otra recién sintetizada (Imagen 1).
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
- Es Bidireccional, es decir, se lleva a cabo en ambos sentidos a partir del origen de replicación. Se lleva a cabo siempre en la dirección de 5′ a 3′.
- Es discontinua. La replicación se sucede en sentido 5′ a 3′, esto se debe a que se requiere tener un grupo OH libre para que se añada el siguiente nucleótido. Además, las cadenas se van generando de manera simultánea, pero existe un problema, ambas son antiparalelas. Esto provoca que una de las cadenas deba sintetizarse en la dirección 3′ a 5′, lo que genera un problema. Sin embargo, este se solucionó con el descubrimiento de los científicos japoneses Reiji y Tsuneko Okazaki los cuales determinaron que una de las cadenas de ADN se sintetizaba en fragmentos cortos, denominados Fragmentos de Okazaki. De esta manera se tiene una cadena líder, que se sintetiza de forma continua y una cadena retrasada que se sintetiza en fragmentos (Imagen 2).
La replicación se lleva a cabo en unidades de ADN denominadas replicones y poseen todos los elementos de control necesarios para que se lleve a cabo el proceso. Estos elementos son: un origen de replicación, que es donde inicia la replicación y un sitio de término, donde finaliza el proceso. Cada replicón se dispara una y solo una vez durante el ciclo celular. En el lugar del cromosoma en donde inicia la replicación se forma lo que se conoce como horquilla de replicación (Imagen 3). En esta las dos cadenas se separan formando lo que se conoce como una burbuja de replicación.
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Para facilitar el estudio del proceso de replicación, este se divide en 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. Vamos a comenzar con la etapa de iniciación. Recuerda que lo que se va a abordar en las siguientes secciones corresponde al proceso en procariotas, en eucariotas se revisará en la clase siguiente.
Replicación en Procariotas
Iniciación
El genoma de los procariotas es circular, es decir, poseen una única molécula de ADN conformando un único cromosoma. La molécula se encuentra unida de forma covalente en sus extremos (Imagen 4).
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
La enzima encargada de ir adicionando cada uno de los nucleótidos y por lo tanto de sintetizar las nuevas cadenas es la ADN polimerasa sin embargo, esta enzima no es capaz de iniciar la síntesis desde cero. Requiere un nucleótido previo para iniciar la síntesis. Además, la enzima por sí sola no es capaz de separar las dos cadenas de ADN por lo que requiere de la participación de más componentes. Es por eso que se dice que la replicación es un proceso que requiere la participación de complejos multienzimáticos. En la etapa de iniciación participan las siguientes proteínas:
- DnaA –> Factor de iniciación
- DnaB –> Helicasa
- DnaC –> Chaperona de la helicasa
- Girasa –> Topoisomerasa
- Proteínas de unión a cadena sencilla (SBB)
Pasemos ahora a la etapa de la iniciación. Para que comience la replicación se requiere que las dos cadenas de ADN se separen. Esto se lleva a cabo en el origen de replicación, denominado OriC. En procariotas solo existe un origen de replicación y en este se encuentran los sitios de reconocimiento para la unión de la proteína DnaA. Esta proteína es el iniciador de la replicación. Es una proteína de unión al ATP y es la responsable de abrir las dos cadenas de ADN en el OriC.
La apertura del OriC involucra dos tipos de secuencias presentes en el origen, los repetidos de 9 pb (5′ TTATCCACA3′) y los repetidos de 13pb (5’GATCTnTTnTTTT). Estos elementos definen el límite de 245 pb mínimas para que el origen funcione adecuadamente. La proteína DnaA se une a los repetidos de 9 pb y mediante un cambio conformacional ocasiona que la región de los repetidos de 13 pb se abra. Lo anterior debido a la torsión que se ejerce sobre la molécula de ADN al momento de que DnaA cambia de configuración (Imagen 5).
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Una vez abiertas las dos cadenas, se unen dos complejos «pre-iniciadores» denominados DnaB y DnaC. DnaB tiene actividad helicasa, es decir, es la que se encarga de abrir las dos cadenas de ADN mediante la ruptura de los puentes de hidrógeno formados entre las bases nitrogenadas de ambas cadenas. DnaC reprime la actividad helicasa de DnaB hasta que se requiera. El complejo DnaB-DnaC consta de 6 monómeros de DnaC unidos a un hexámero de DnaB (Imagen 6).
DnaB no abre la cadena doble del ADN, requiere que ya se encuentre abierta. La unión al ADN de cadena sencilla es la señal para hidrolizar al ATP y liberar a DnaC (Imagen 7).
Cuando se une DnaB, esta va desplazando a DnaA de la secuencia de 13 pb y expande la longitud de la región abierta, utilizando su actividad helicasa. Esta acción requiere de la hidrólisis del ATP. Una vez separadas las dos cadenas, se requieren proteínas adicionales para mantenerla desenrollada. Es aquí donde participa la girasa y las proteínas de unión a cadena sencilla (SBB). La girasa produce una relajación en la cadena, esto mediante cortes que liberan la tensión entre las mismas. El corte lo hace de tal manera que permite que una cadena rote alrededor de la otra. Por otro lado, las SBB se encargan de estabilizar al ADN de cadena sencilla, evitando que las cadenas se vuelvan a cerrar. Una vez abiertas las cadenas, todo esta listo para que dé inicio la etapa de elongación.
Elongación
Una vez abierta y estabilizada la cadena, para que dé inicio la síntesis de las nuevas cadenas de ADN se requiere la presencia de una primasa. Lo anterior debido a que las ADN polimerasas tienen la característica de que no pueden iniciar la síntesis de una cadena de «de novo». Solo pueden hacer crecer una cadena existente. Y es aquí en donde entra la primasa, la cual cataliza la formación de pequeños segmentos de ARN, 11 nucleótidos de longitud, llamados cebadores o primers. Estos últimos proporcionan el grupo OH libre que requiere la ADN polimerasa para iniciar la síntesis (Imagen 8).
Como se había mencionado anteriormente, una de las cadenas se sintetiza de forma continua (líder) y la otra se va a sintetizar en fragmentos (retrasada). En el caso de la cadena líder, solo se requiere que se sintetice el primer una sola vez, mientras que en la cadena retardada se debe generar un primer cada que se sintetiza un fragmento de Okazaki.
Una vez generado el primer todo esta listo para que se una la ADN polimerasa. Las ADN polimerasas se consideran Holoenzimas, ensambles grandes de proteínas. También se les llama replicasas. Poseen actividad de síntesis en la dirección 5′ –> 3′, es decir, van adicionando los nucleótidos de uno en uno en el extremo OH libre en el carbono 3′ de la desoxirribosa. La elección de cual nucleótido colocar se hace tomando como referencia la cadena molde.
Te invito a visualizar el siguiente video.
En procariotas, específicamente en E.coli, existen 5 ADN polimerasas:
- Polimerasa I .- Participa en los procesos de reparación al daño del ADN. También se encarga de remover los primers antes de que actúe la ligasa.
- Polimerasa II.- Participa en el reinicio de la horquilla de replicación cuando se bloquea su progreso por daño al ADN.
- Polimerasa III.- Principal en el proceso de replicación. Es la responsable de la síntesis de las nuevas cadenas de ADN.
- Polimerasa IV y V.- Están involucradas en permitir que continúe la replicación aun cuando existan ciertos tipos de daño al ADN.
La mayoría de las ADN polimerasas poseen actividad exonucleasa 3′–>5′, lo que les permite remover algún nucleótido que se haya pegado de forma incorrecta y de esta manera corregir errores.
En el proceso de replicación del ADN la polimerasa que se encarga de la síntesis de las nuevas cadenas es la polimerasa III. La cual esta formada por 10 proteínas diferentes, organizadas en 4 complejos (Imagen 9).
- Subunidad α.- Actividad ADN polimerasa.
- Subunidad ε .- Actividad exonucleasa 3’🡪5’
- Subunidad θ.- Estimula la actividad exonucleasa.
- Subunidad τ .-Se encarga de mantener juntos los dos sitios catalíticos.
- Subunidad β.- Forma lo que se conoce como “abrazadera” y se encarga de mantener los núcleos catalíticos en las cadenas de ADN que sirven como templado. Tiene forma de anillo.
- Complejo γ.- Formado por 7 proteínas que forman lo que se conoce como “cargador de la abrazadera”. Se encarga de posicionar la abrazadera en el ADN.
Una vez ensamblada la ADN polimerasa, se forma lo que se conoce como el Replisoma y da comienzo la síntesis de las nuevas cadenas.
Visualiza los siguientes recursos:
La síntesis de las cadenas continúa hasta alcanzar la región terminadora, que es donde termina la etapa de elongación y comienza la de terminación.
Terminación
Al ser un genoma circular, los replisomas que iniciaron en el origen de replicación eventualmente se encontrarán en una orientación cabeza-cabeza. Los dos replisomas convergen en una región específica del cromosoma. Esta región se denomina ter. Esta región sirve como sitio de unión para una proteína denominada Tus, la cual se encarga de detener el avance del replisoma. Esta proteína se une a los sitios TerA y TerC (Imagen 10).
Tomado de Beattie TR y Reyes-Lamothe R (2015).
La proteína Tus presenta dos caras, una permisiva, que permite el avance del replisoma, y otra no permisiva que lo detiene (Imagen 11).
Tomado de Beattie TR y Reyes-Lamothe R (2015).
Una vez que los replisomas alcanzan esta región, se detienen y se desacoplan de la cadena de ADN, liberando así las dos cadenas recién sintetizadas. Dando por terminada la replicación. En la siguiente clase abordaremos como sucede este proceso en eucariotas.
Conclusión
En resumen, en esta clase se abordaron las características generales del proceso de replicación y conociste cómo es que este se lleva a cabo en procariotas. Es importante recordar los elementos necesarios para que se dé inicio a la replicación, así como cada una de las proteínas que participan en el proceso. Esto con la finalidad de que aprecies las diferencias y similitudes que existen entre procariotas y eucariotas en el proceso de replicación.
Es así como concluimos nuestra segunda clase. ¡Vas avanzando muy bien, te felicito! No olvides que para concluir la sesión debes hacer la tarea asignada y enviarla. Te encuentro en la siguiente clase, hasta luego
Fuentes de información
- Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018). Lewin’s Genes XII. Editorial Jones and Bartlett
- Alberts B. et al. (2015). Molecular Biology of the cell. Garland Science