14.4: Replicación de ADN en procariotas

Habilidades para Desarrollar

• Explicar el proceso de replicación del ADN en procariotas
• Discutir el papel de diferentes enzimas y proteínas en el apoyo a este proceso

La replicación del ADN ha sido muy bien estudiada en procariotas principalmente por el pequeño tamaño del genoma y los mutantes disponibles. E. coli tiene 4.6 millones de pares de bases en un solo cromosoma circular y todo se replica en aproximadamente 42 minutos, comenzando desde un único origen de replicación y procediendo alrededor del círculo en ambas direcciones. Esto significa que se agregan aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo. El proceso es bastante rápido y ocurre sin muchos errores.

La replicación del ADN emplea una gran cantidad de proteínas y enzimas, cada una de las cuales juega un papel crítico durante el proceso. Uno de los actores clave es la enzima ADN polimerasa, también conocida como ADN pol, que agrega nucleótidos uno por uno a la cadena de ADN en crecimiento que son complementarios a la cadena molde. La adición de nucleótidos requiere energía; esta energía se obtiene de los nucleótidos que tienen tres fosfatos unidos a ellos, similar al ATP que tiene tres grupos fosfato unidos. Cuando se rompe el enlace entre los fosfatos, la energía liberada se utiliza para formar el enlace fosfodiéster entre el nucleótido entrante y la cadena en crecimiento. En procariotas se conocen tres tipos principales de polimerasas: ADN pol I, ADN pol II y ADN pol III. Ahora se sabe que el ADN pol III es la enzima requerida para la síntesis de ADN; el ADN pol I y el ADN pol II se requieren principalmente para su reparación.

¿Cómo sabe por dónde empezar la maquinaria de replicación? Resulta que existen secuencias nucleotídicas específicas llamadas orígenes de replicación donde comienza la replicación. En E. coli, que tiene un único origen de replicación en su único cromosoma (al igual que la mayoría de los procariotas), tiene aproximadamente 245 pares de bases de longitud y es rica en secuencias AT. El origen de replicación es reconocido por ciertas proteínas que se unen a este sitio. Una enzima llamada helicasa desenrolla el ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases nitrogenadas. Se requiere hidrólisis de ATP para este proceso. A medida que el ADN se abre, se forman estructuras en forma de Y llamadas horquillas de replicación. Dos bifurcación de replicación se forman en el origen de la replicación y éstas se extienden bidireccionalmente a medida que avanza la replicación. Las proteínas de unión monocatenaria recubre las cadenas simples de ADN cerca de la horquilla de replicación para evitar que el ADN monocatenario vuelva a enrollarse en una doble hélice. La ADN polimerasa es capaz de agregar nucleótidos solo en la dirección 5' a 3' (una nueva cadena de ADN solo se puede extender en esta dirección). También requiere un grupo 3'-OH libre al que puede añadir nucleótidos formando un enlace fosfodiéster entre el extremo 3'-OH y el fosfato 5' del siguiente nucleótido. Esto significa esencialmente que no puede añadir nucleótidos si no se dispone de un grupo 3'-OH libre. Entonces, ¿cómo agrega el primer nucleótido? El problema se resuelve con la ayuda de una imprimación que proporciona el extremo 3'-OH libre. Otra enzima, la ARN primasa, sintetiza un cebador de ARN que tiene aproximadamente cinco a diez nucleótidos de longitud y complementario al ADN. Debido a que esta secuencia ceba la síntesis de ADN, se le llama apropiadamente el cebador. La ADN polimerasa ahora puede extender este cebador de ARN, agregando nucleótidos uno por uno que son complementarios a la cadena molde (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Se forma una horquilla de replicación cuando la helicasa separa las cadenas de ADN en el origen de la replicación. El ADN tiende a enrollarse más fuertemente antes de la horquilla de replicación. La topoisomerasa rompe y reforma la cadena principal de fosfato del ADN antes de la horquilla de replicación, aliviando así la presión que resulta de este superenrollamiento. Las proteínas de unión monocatenaria se unen al ADN monocatenario para evitar que la hélice se vuelva a formar. La primasa sintetiza un cebador de ARN. La ADN polimerasa III utiliza este cebador para sintetizar la cadena de ADN hija. En la cadena principal, el ADN se sintetiza continuamente, mientras que en la hebra rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos llamados fragmentos de Okazaki. La ADN polimerasa I reemplaza el cebador de ARN con ADN. La ligasa de ADN sella los huecos entre los fragmentos de Okazaki, uniendo los fragmentos en una sola molécula de ADN. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Se aísla una cepa celular en la que se altera la unión de los fragmentos de Okazaki y se sospecha que se ha producido una mutación en una enzima que se encuentra en la horquilla de replicación. ¿Qué enzima es más probable que mute?

Responder

ADN ligasa, ya que esta enzima une los fragmentos de Okazaki.

La horquilla de replicación se mueve a razón de 1000 nucleótidos por segundo. La ADN polimerasa solo puede extenderse en la dirección 5' a 3', lo que plantea un ligero problema en la horquilla de replicación. Como sabemos, la doble hélice de ADN es antiparalela; es decir, una hebra está en la dirección 5' a 3' y la otra está orientada en la dirección 3' a 5'. Una cadena, que es complementaria a la cadena de ADN parental 3' a 5', se sintetiza continuamente hacia la horquilla de replicación debido a que la polimerasa puede agregar nucleótidos en esta dirección. Esta cadena sintetizada continuamente se conoce como la cadena principal. La otra cadena, complementaria al ADN parental 5' a 3', se extiende lejos de la horquilla de replicación, en pequeños fragmentos conocidos como fragmentos de Okazaki, cada uno requiriendo un cebador para iniciar la síntesis. Los fragmentos de Okazaki llevan el nombre del científico japonés que los descubrió por primera vez. La hebra con los fragmentos de Okazaki se conoce como la hebra rezagada.

La cadena principal se puede extender con un cebador solo, mientras que la hebra rezagada necesita un nuevo cebador para cada uno de los fragmentos cortos de Okazaki. La dirección general de la hebra retrasada será de 3' a 5', y la de la cadena delantera 5' a 3'. Una proteína llamada pinza deslizante mantiene la ADN polimerasa en su lugar a medida que continúa agregando nucleótidos. La pinza deslizante es una proteína en forma de anillo que se une al ADN y mantiene la polimerasa en su lugar. La topoisomerasa evita el sobrebobinado de la doble hélice de ADN antes de la horquilla de replicación a medida que el ADN se abre; lo hace causando muescas temporales en la hélice del ADN y luego volver a sellarla. A medida que avanza la síntesis, los cebadores de ARN son reemplazados por ADN. Los cebadores se eliminan por la actividad exonucleasa del ADN pol I, y los huecos se rellenan con desoxirribonucleótidos. Las mellas que quedan entre el ADN recién sintetizado (que reemplazó al cebador de ARN) y el ADN previamente sintetizado son selladas por la enzima ADN ligasa que cataliza la formación de enlace fosfodiéster entre el extremo 3'-OH de un nucleótido y el extremo 5' fosfato del otro fragmento.

Una vez que el cromosoma se ha replicado completamente, las dos copias de ADN se mueven a dos células diferentes durante la división celular. El proceso de replicación del ADN puede resumirse de la siguiente manera.

Etapas de replicación de ADN

1. El ADN se desenrolla en el origen de la replicación.
2. La helicasa abre las horquillas de replicación formadoras de ADN; estas se extienden bidireccionalmente.
3. Las proteínas de unión monocatenaria recubren el ADN alrededor de la horquilla de replicación para evitar el rebobinado del ADN.
4. La topoisomerasa se une en la región por delante de la bifurcación de replicación para evitar el superenrollamiento.
5. La primasa sintetiza cebadores de ARN complementarios a la cadena de ADN.
6. La ADN polimerasa comienza a agregar nucleótidos al extremo 3'-OH del cebador.
7. Continúa el alargamiento tanto de la hebra rezagada como de la hebra delantera.
8. Los cebadores de ARN se eliminan por actividad exonucleasa.
9. Los huecos son llenados por ADN pol añadiendo dNTPs.
10. La brecha entre los dos fragmentos de ADN está sellada por ADN ligasa, lo que ayuda en la formación de enlaces fosfodiéster.

La tabla\(\PageIndex{1}\) resume las enzimas involucradas en la replicación del ADN procariota y las funciones de cada una.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Replicación del ADN procariota: enzimas y su función

Enzima/proteína	Función específica
ADN pol I	La actividad exonucleasa elimina el cebador de ARN y se reemplaza con ADN recién sintetizado
ADN pol II	Función de reparación
ADN pol III	Enzima principal que añade nucleótidos en la dirección 5'-3'
Helicasa	Abre la hélice de ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas
Ligasa	Sella los huecos entre los fragmentos de Okazaki para crear una cadena de ADN continua
Primase	Sintetica los cebadores de ARN necesarios para iniciar la replicación
Abrazadera deslizante	Ayuda a mantener la ADN polimerasa en su lugar cuando se agregan nucleótidos
Topoisomerasa	Ayuda a aliviar el estrés en el ADN al desenrollar al causar roturas y luego volver a sellar el ADN
Proteínas de unión monocatenaria (SSB)	Se une al ADN monocatenario para evitar el rebobinado del ADN.

Enlace al aprendizaje

Revise el proceso completo de replicación del ADN aquí.

Resumen

La replicación en procariotas parte de una secuencia que se encuentra en el cromosoma llamada origen de replicación, el punto en el que se abre el ADN. La helicasa abre la doble hélice del ADN, dando como resultado la formación de la horquilla de replicación. Las proteínas de unión monocatenaria se unen al ADN monocatenario cerca de la horquilla de replicación para mantener la horquilla abierta. La primasa sintetiza un cebador de ARN para iniciar la síntesis por la ADN polimerasa, que puede agregar nucleótidos solo en la dirección 5' a 3'. Una hebra se sintetiza continuamente en la dirección de la bifurcación de replicación; esto se llama la hebra principal. La otra hebra se sintetiza en una dirección alejada de la horquilla de replicación, en tramos cortos de ADN conocidos como fragmentos de Okazaki. Esta hebra se conoce como la hebra rezagada. Una vez completada la replicación, los cebadores de ARN se reemplazan por nucleótidos de ADN y el ADN se sella con ADN ligasa, lo que crea enlaces fosfodiéster entre el 3'-OH de un extremo y el fosfato 5' de la otra cadena.

Glosario

helicasa

durante la replicación, esta enzima ayuda a abrir la hélice del ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno

hebra rezagada

durante la replicación, la cadena que se replica en fragmentos cortos y lejos de la bifurcación de replicación

hebra principal

cadena que se sintetiza continuamente en la dirección 5'-3' que se sintetiza en la dirección de la bifurcación de replicación

ligasa

enzima que cataliza la formación de un enlace fosfodiéster entre los extremos 3' OH y 5' fosfato del ADN

Fragmento de Okazaki

Fragmento de ADN que se sintetiza en tramos cortos en la hebra retrasada

primasa

enzima que sintetiza el cebador de ARN; el cebador es necesario para que el ADN pol inicie la síntesis de una nueva cadena de ADN

imprimación

tramo corto de nucleótidos que se requiere para iniciar la replicación; en el caso de la replicación, el cebador tiene nucleótidos de ARN

bifurcación de replicación

Estructura en forma de Y formada durante el inicio de la replicación

proteína de unión monocatenaria

durante la replicación, proteína que se une al ADN monocatenario; esto ayuda a mantener separadas las dos cadenas de ADN para que puedan servir como moldes

abrazadera deslizante

proteína en forma de anillo que contiene el pol de ADN en la cadena de ADN

topoisomerasa

enzima que causa socavamiento o sobrebobinado del ADN cuando se está produciendo la replicación del ADN