7.8: Replicación de ADN
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Una vez que se propuso, la estructura de doble hélice del ADN inmediatamente sugirió un mecanismo simple para la duplicación precisa de la información almacenada en el ADN. Cada cadena contiene toda la información necesaria para especificar la secuencia de la cadena complementaria. El proceso comienza cuando una molécula de ADNbc se abre para producir dos regiones monocatenarias. Donde el ADN está desnudo, es decir, no asociado con otras moléculas (proteínas), la apertura de las dos cadenas puede ocurrir fácilmente. Normalmente, las hebras individuales simplemente se vuelven a asociar entre sí. Para replicar el ADN se tiene que estabilizar la región abierta y organizar la maquinaria catalítica. Consideraremos cómo se hace esto sólo en términos generales, en la práctica se trata de un proceso complejo y altamente regulado que involucra una serie de componentes.
Los dos primeros problemas que tenemos que abordar pueden parecer arbitrarios, pero resultan ser características comunes (conservadas) de la síntesis de ADN. Las enzimas (ADN-dependientes, ADN polimerasas) que catalizan la síntesis de nuevas cadenas de ADN no pueden iniciar la síntesis por sí mismas, tienen que añadir nucleótidos a un polímero de ácido nucleico existente. En contraste, los catalizadores que sintetizan ARN (ADN-dependientes, ARN polimerasas) no requieren una cadena de ácido nucleico preexistente, pueden iniciar la síntesis de nueva cadena de ARN, basada en la secuencia de ADN complementaria, de novo. Tanto ADN como ARN polimerasas enlazan el extremo 5' de una molécula de trifosfato de nucleótido con el extremo 3' preexistente de una molécula de ácido nucleico. Se dice que esta reacción de polimerización procede en la dirección 5' a 3'. Como veremos más adelante, las moléculas involucradas en la replicación del ADN y la síntesis de ARN se basan en señales dentro del ADN que son reconocidas por las proteínas y que determinan dónde comienza y se detiene la síntesis, y cuándo ocurre la replicación de ácidos nucleicos, pero por ahora supongamos que algún proceso ha determinado dónde se inicia la replicación. Comenzamos nuestra discusión con la replicación del ADN.
El primer paso en la replicación del ADN es abrir localmente la molécula de ADNbc. Una ADN polimerasa dependiente de ARN especializada, conocida como primasa, colisiona con, se une a, y sintetiza una molécula de ARN corta, conocida como cebador. Debido a que las dos cadenas de la molécula de ADN apuntan en direcciones opuestas (son antiparalelas), un complejo de primasa se asocia con cada cadena de ADN, y se generan dos cebadores, uno en cada hebra. Una vez que estos cebadores de ARN están en su lugar, las ADN polimerasas dependientes de ADN reemplaza a la primasa y comienza a catalizar la reacción de adición de nucleótidos; qué nucleótido se agrega se determina por qué nucleótido está presente en la cadena de ADN existente. La reacción de adición de nucleótidos involucra varios nucleótidos que colisionan con el complejo ADN-cebador-polimerasa; solo se une el nucleótido apropiado, complementario al residuo de nucleótido en la cadena de ADN existente y se usa en la reacción.
Los nucleótidos existen en diversas formas fosforiladas dentro de la célula, incluyendo nucleótido monofosfato (NMP), nucleótido difosfato (NDP) y nucleótido trifosfato (NTP). Para hacer que la reacción de polimerización de ácidos nucleicos sea termodinámicamente favorable, la reacción utiliza la forma NTP de los monómeros nucleotídicos, generados a través de la reacción:
(5'P) NTP (3'OH) + (5'P) NTP (3'OH) + H 2 0 (5'P) NTP-NMP (3'OH) + difosfato.
Durante la reacción se libera el difosfato terminal del NTP entrante (una reacción termodinámicamente favorable) y el nucleótido monofosfato se agrega al polímero existente a través de la formación de un enlace fosfodiéster [-C-O-P-O-C]. Esta reacción crea un nuevo extremo 3' OH para el polímero que, a su vez, puede reaccionar con otro NTP. En teoría, este proceso puede continuar hasta que la hebra recién sintetizada llegue al final de la molécula de ADN. Para que el proceso continúe, sin embargo, la región bicatenaria del ADN original tendrá que abrirse más, exponiendo más ADN monocatenario. Tenga en cuenta que este proceso se está moviendo, a través de complejos independientes, en ambas direcciones a lo largo de la molécula de ADN. Debido a que la reacción de polimerización solo procede por adición 3', a medida que se abren nuevas regiones monocatenarias, se deben crear nuevos cebadores (por primasa) y luego extenderse (por ADN polimerasa). Si intentas dibujar cómo se ve esto, te darás cuenta de que i) este proceso es asimétrico en relación con el sitio de inicio de replicación; ii) el proceso genera moléculas híbridas de ARN-ADN; y iii) que eventualmente una ADN polimerasa extensiva se ejecutará en la parte del cebador de ARN de una molécula “aguas arriba”. Sin embargo, existe una complejidad: las regiones de ARN no se encuentran en las moléculas de ADN “maduras”, por lo que hay un mecanismo que las elimine. Esto se debe a que el complejo de ADN polimerasa contiene más de una actividad catalítica. Cuando el complejo de ADN polimerasa alcanza la cadena de ácido nucleico aguas arriba, corre hacia esta región que contiene ARN; una actividad de ARN exonucleasa elimina los nucleótidos de ARN y los reemplaza con nucleótidos de ADN usando la cadena de ADN existente como cebador. Una vez que se elimina la porción de ARN, una actividad de ADN ligasa actúa para unir las dos moléculas de ADN. Estas reacciones, impulsadas por la hidrólisis de nucleótidos, terminan produciendo una cadena continua de ADN. Para una mirada dinámica al proceso echa un vistazo a este video 208 que es agradable, pero “plano” (para reducir la complejidad del proceso) y no inicia al inicio del proceso.
Consideraciones evolutivas: En este punto bien podrías preguntarte, por qué (por el bien de los cielos) es tan complejo el proceso de replicación del ADN. ¿Por qué no usar una ADN polimerasa que no necesite un cebador de ARN, o cualquier cebador para el caso, ya que la ARN polimerasa no necesita un cebador? ¿Por qué no tener polimerasas que agregan nucleótidos igualmente bien a cualquiera de los extremos de un polímero? Que tal mecanismo sea posible se sugiere por la presencia de enzimas en células eucariotas que pueden llevar a cabo la adición de un nucleótido al extremo 5' de una molécula de ARN (la reacción de remate 5' asociada a la síntesis de ARNm) que brevemente consideraremos más adelante. Pero, tales actividades simplemente no se utilizan en la replicación del ADN. La verdadera respuesta es que no estamos seguros de las razones. Estas podrían ser reliquias evolutivas, un proceso establecido dentro del último ancestro común de todos los organismos y extremadamente difícil o imposible de cambiar a través de mecanismos evolutivos, o simplemente digno del esfuerzo (en términos de sus efectos sobre el éxito reproductivo). Alternativamente, podría haber fuertes ventajas selectivas asociadas con el sistema que impidan tales cambios. Lo que está claro es que así es como el sistema parece funcionar en todos los organismos conocidos, por lo que para fines prácticos, tenemos que recordar algunos de los detalles clave involucrados, estos incluyen la dirección de la síntesis de polímeros y la necesidad (en el caso del ADN) de un cebador de ARN.
Referencias
- Video de replicación de ADN: http://bcove.me/x3ukmq4x