7.1B: Replicación de ADN en procariotas

El ADN procariota es replicado por la ADN polimerasa III en la dirección 5' a 3' a una velocidad de 1000 nucleótidos por segundo.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Explicar las funciones de las enzimas involucradas en la replicación del ADN procariota

Claves para llevar

Puntos Clave

• La helicasa separa el ADN para formar una bifurcación de replicación en el origen de la replicación donde comienza la replicación del ADN.
• Las bifurcación de replicación se extienden bidireccionalmente a medida que la replicación
• Los fragmentos de Okazaki se forman en la hebra rezagada, mientras que la hebra principal se replica continuamente.
• La ADN ligasa sella los huecos entre los fragmentos de Okazaki.
• La primasa sintetiza un cebador de ARN con un 3′-OH libre, que la ADN polimerasa III utiliza para sintetizar las cadenas hijas.

Términos Clave

• Replicación del ADN: un proceso biológico que ocurre en todos los organismos vivos que es la base de la herencia biológica
• helicasa: una enzima que desenrolla la hélice del ADN antes de la maquinaria de replicación
• origen de replicación: una secuencia particular en un genoma en el que se inicia la replicación

Replicación de ADN en Procariotas

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, 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. El ADN pol III es la enzima requerida para la síntesis de ADN; el ADN pol I y el ADN pol II son principalmente necesarios para la reparación.

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 en el origen de la replicación se extienden bidireccionalmente a medida que avanza la replicación. Las proteínas de unión monocatenaria cubren las cadenas 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 puede extenderse solo 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 que no puede agregar nucleótidos si no se dispone de un grupo 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, cebando la síntesis de ADN. Un cebador proporciona el extremo 3′-OH libre para iniciar la replicación. La ADN polimerasa luego extiende este cebador de ARN, agregando nucleótidos uno por uno que son complementarios a la cadena molde.

Figura: Replicación de ADN en procariotas: 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.

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 (la cadena principal), complementaria a la cadena de ADN parental de 3' a 5', se sintetiza continuamente hacia la horquilla de replicación porque la polimerasa puede agregar nucleótidos en esta dirección. La otra cadena (la hebra rezagada), complementaria al ADN parental de 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 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 rezagada será de 3′ a 5′, mientras que la de la hebra delantera será de 5′ a 3′. La pinza deslizante (una proteína en forma de anillo que se une al ADN) mantiene la ADN polimerasa en su lugar a medida que continúa agregando nucleótidos. 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, mientras que los huecos son rellenados por desoxirribonucleótidos. Las mellas que permanecen 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 fosfato 5' del otro fragmento.

La tabla resume las enzimas involucradas en la replicación del ADN procariota y las funciones de cada una.

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 agrega nucletidos 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	Sintetiza 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.