20.21: Replicación de ADN

Según el dogma central de la genética molecular, el ADN es el componente genéticamente activo de los cromosomas de una célula. Es decir, el ADN en el núcleo celular contiene toda la información necesaria para controlar la síntesis de las proteínas, enzimas y otras moléculas que se necesitan a medida que esa célula crece, continúa el metabolismo y finalmente se reproduce. Así, cuando una célula se divide, su ADN debe transmitir información genética a ambas células hijas. De alguna manera debe poder dividirse en copias duplicadas. Este proceso se llama replicación. Dadas las dobles cadenas complementarias del ADN, es relativamente fácil ver cómo el ADN como molécula está bien estructurado para la replicación, como se muestra en la Figura \(\PageIndex{1}\). Cada hebra sirve como plantilla para una nueva hebra. Así, después de replicar el ADN, cada nueva doble hélice de ADN tendrá una hebra de la molécula de ADN original, y una molécula recién sintetizada. Esto se conoce como replicación semiconservativa.

Figura\(\PageIndex{1}\): La replicación del ADN. La replicación se produce por medio del desenrollamiento parcial de las dos cadenas acompañado de la síntesis de una nueva cadena complementaria a cada una de las originales. ^[1]

Existe un mecanismo bastante complejo para la replicación del ADN, que involucra muchas enzimas y factores proteicos diferentes. Consideremos algunos de los aspectos más importantes de la replicación del ADN. Primero, es necesario abrir la doble hebra para replicar cada hebra molde. Para ello, un conjunto de proteínas y enzimas se unen y abren la doble hélice en un punto de origen en la molécula. Esto forma horquillas de replicación, puntos donde se abre el ADN bicatenario, permitiendo que se produzca la replicación. Una enzima helicasa se une en las horquillas de replicación, con la función de desenrollar aún más el ADN y permitir que la horquilla de replicación se mueva a lo largo de la doble cadena a medida que se replica el ADN. Otra enzima, la ADN girasa, también se requiere para aliviar el estrés en el dúplex causado por el desenrollamiento de la doble cadena. Además, se necesitan proteínas de unión monocatenarias para evitar que las cadenas simples reformen una cadena doble. Otra enzima esencial en esta fase de iniciación es la primasa, que crea un cebador de ARN en cada hebra sencilla de ADN para comenzar la replicación.

Todas estas funciones iniciales son necesarias para preparar el ADN para la enzima principal que luego construye nuevas hebras, la ADN polimerasa. Existen múltiples enzimas polimerasa, pero por el momento vamos a la ADN polimerasa III, la principal ADN polimerasa en E. coli. La ADN polimerasa III cataliza la reacción mediante la cual se agrega un nuevo nucleótido a una cadena de ADN en crecimiento. Esa reacción se ve en la Figura \(\PageIndex{2}\). Las enzimas ADN polimerasa necesitan un grupo OH 3' libre para comenzar a sintetizar una nueva cadena, lo que explica la necesidad del cebador de ARN, que da un grupo 3'OH para que comience la ADN polimerasa III. ^[2]

Figura\(\PageIndex{2}\) La polimerización de nucleótidos de ADN. El grupo hidroxilo 3' ataca al grupo trifosfato en el nucleótido entrante. Se forma un nuevo enlace fosfodiéster y sale un grupo pirofosfato. Esto deja dos fosfatos, la energía liberada al descomponer un grupo fosfato de alta energía, y una cadena elogada de ADN con un nuevo grupo hidroxilo 3' al que se puede agregar otro nucleótido.

Esto lleva a otra restricción en la ADN polimerasa III. Una hebra, la hebra delantera se puede polimerizar continuamente ya que la nueva hebra que se crea va de 5' a 3' de la horquilla de replicación, pero como las hebras originales son antiparalelas, la otra hebra, la hebra rezagada va en la dirección equivocada para la polimerización. En este caso, la reacción de polimerización comienza lejos de la horquilla de replicación y vuelve a funcionar hacia ella. Esto significa que la hebra rezagada se sintetiza en segmentos desconectados, conocidos como fragmentos de Okazaki, en lugar de continuamente. Posteriormente, otra ADN polimerasa, en el caso de E. coli, la ADN polimerasa I, elimina los cebadores de ARN y rellena las discontinuidades faltantes. Luego, otra enzima, la ADN ligasa, conecta roturas entre grupos 3'OH y grupos fosfato 5' en las cadenas recién sintetizadas que existen debido a estas discontinuidades. Si bien las enzimas de este proceso difieren en eucariotas, cumplen mecanismos similares. Incluso con esta complejidad de este proceso, la ADN polimerasa III es capaz de agregar nuevos nucleótidos a una velocidad de 250-1,000 nucleótidos por segundo. ^[3]

Una serie de ventajas de la estructura bicatenaria unida por enlaces de hidrógeno es evidente en el proceso de replicación. El emparejamiento de bases complementario asegura que las dos nuevas moléculas de ADN serán las mismas que las originales. El gran número de enlaces de hidrógeno, cada uno de los cuales es relativamente débil, hace poco probable la separación completa de las dos cadenas, pero un enlace de hidrógeno, o incluso algunos, se puede romper con bastante facilidad. Por lo tanto, la porción de helicasa del complejo de replicación puede separar las dos hebras de la misma manera que opera una cremallera. Al igual que los dientes de una cremallera, los enlaces de hidrógeno proporcionan una gran resistencia cuando todos trabajan juntos, pero la herramienta adecuada puede separarlos uno a la vez.

Referencias

1. ↑ Mariana Ruiz. Wikimedia Commons. 24 de enero de 2007. Recuperado: 11 de agosto de 2009.
2. ↑ Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principios de Bioquímica (^5ª ed). Nueva York: W.H. Freeman and Company, 2008. pp. 985-991.
3. ↑ Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principios de Bioquímica (^5ª ed). Nueva York: W.H. Freeman and Company, 2008. pp. 982-991.