Principales Eventos Moleculares de la Replicación del ADN

Principales Eventos Moleculares de la Replicación del ADN

Arthur Kornberg comparó el ADN con una grabación de instrucciones que se pueden copiar una y otra vez. ¿Cómo hacen las células estas copias casi perfectas, y el proceso siempre varía?

Los científicos han dedicado décadas de esfuerzo a comprender cómo se replica el ácido desoxirribonucleico (ADN). En términos simples, la replicación implica el uso de una hebra existente de ADN como molde para la síntesis de una nueva hebra idéntica. El enzimólogo americano y ganador del Premio Nobel, Arthur Kornberg, comparó este proceso con una grabación de instrucciones para realizar una tarea: "Se pueden hacer copias de él, a partir de una grabación, para que esta información pueda ser usada de nuevo y en otra parte En el tiempo y el espacio "(Kornberg, 1960).

En realidad, el proceso de replicación es mucho más complejo de lo sugerido por la analogía de Kornberg. Los investigadores suelen utilizar células bacterianas simples en sus experimentos, pero todavía no tienen todas las respuestas, sobre todo cuando se trata de replicación eucariótica. Sin embargo, los científicos están familiarizados con los pasos básicos en el proceso de replicación y continúan dependiendo de esta información como base para continuar la investigación y la experimentación.

La Maquinaria Molecular de la Replicación de ADN Bacteriano

Una célula bacteriana típica tiene entre 1 millón y 4 millones de pares de bases de ADN, en comparación con los 3.000 millones de pares de bases del genoma del ratón común (Mus musculus). Sin embargo, incluso en las bacterias, con sus genomas más pequeños, la replicación del ADN implica una serie altamente coordinada de eventos moleculares increíblemente sofisticados. Estos eventos se dividen en cuatro etapas principales: iniciación, desenrollamiento, síntesis de primers y elongación.

Iniciación y Desconexión

Durante la iniciación, las llamadas proteínas iniciadoras se unen al origen de replicación, una secuencia de pares de bases de nucleótidos conocida como oric. Esta unión desencadena eventos que desenrollan la doble hélice de ADN en dos moléculas de ADN de cadena sencilla. Varios grupos de proteínas están involucrados en este desenrollamiento (Figura 1]. Por ejemplo, las helicasas de ADN son responsables de romper los enlaces de hidrógeno que unen las bases de nucleótidos complementarias entre sí; Estos enlaces de hidrógeno son una característica esencial del modelo de ADN tridimensional de James Watson y Francis Crick. Debido a que las hebras únicas recién desenrolladas tienen una tendencia a reincorporarse, otro grupo de proteínas, las proteínas de unión de una sola hebra, mantienen las hebras individuales estables hasta que comienza el alargamiento. Una tercera familia de proteínas, las topoisomerasas, reduce parte de la tensión torsional causada por el desenrollado de la doble hélice.

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Figura 1: Facilitación del desenrollado del ADN.

Durante la replicación del ADN, varias proteínas facilitan el desenrollamiento de la doble hélice del ADN en dos hebras simples. Las topoisomerasas (rojas) reducen la deformación torsional causada por el desenrollamiento de la doble hélice del ADN; La helicasa de ADN (amarillo) rompe los enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarias; Las proteínas de unión de una sola cadena (SSBs) estabilizan las hebras separadas e impiden que se reúnan.

Como se ha mencionado anteriormente, se conoce como origen de la replicación la ubicación en la que una cadena de ADN comienza a desenrollarse en dos hebras individuales separadas. Como se muestra en la Figura 1, cuando la doble hélice se desenrolla, la replicación continúa a lo largo de las dos hebras individuales al mismo tiempo pero en direcciones opuestas (es decir, de izquierda a derecha sobre una hebra y de derecha a izquierda sobre la otra). Esto forma dos horquillas de replicación que se mueven a lo largo del ADN, replicándose a medida que avanzan.

Primer Síntesis

La síntesis de cebadores marca el comienzo de la síntesis real de la nueva molécula de ADN. Los cebadores son tramos cortos de nucleótidos (aproximadamente 10 a 12 bases de longitud) sintetizados por una enzima de ARN polimerasa llamada primase. Los iniciadores son necesarios porque las polimerasas de ADN, las enzimas responsables de la adición real de nucleótidos a la nueva cadena de ADN, sólo pueden añadir desoxirribonucleótidos al grupo 3'-OH de una cadena existente y no pueden comenzar la síntesis de novo. Primase, por otro lado, puede añadir ribonucleótidos de novo. Más tarde, una vez completado el alargamiento, el cebador se retira y se sustituye por nucleótidos de ADN.

Elongación

Finalmente, el alargamiento - la adición de nucleótidos a la nueva hebra de ADN - comienza después de que se haya añadido el cebador. La síntesis de la hebra en crecimiento implica la adición de nucleótidos, uno por uno, en el orden exacto especificado por la hebra original (plantilla). Recuerde que una de las características clave del modelo de ADN de Watson-Crick es que la adenina está siempre emparejada con timina y la citosina siempre está emparejada con guanina. Así, por ejemplo, si la hebra original lee A-G-C-T, la nueva hebra leerá T-C-G-A.

El ADN se sintetiza siempre en la dirección 5 'a 3', lo que significa que los nucleótidos se añaden sólo al extremo 3 'de la hebra en crecimiento. Como se muestra en la Figura 2, el grupo 5'-fosfato del nuevo nucleótido se une al grupo 3'-OH del último nucleótido de la hebra en crecimiento. Los científicos aún no han identificado una polimerasa que pueda agregar bases a los extremos 5 'de las cadenas de ADN.

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Figura 2: Nuevo ADN es sintetizado a partir de desoxirribonucleósido trifosfatos (dNTPs).

(A) Un desoxirribonucleósido trifosfato (dNTP). (B) Durante la replicación del ADN, el grupo 3'-OH del último nucleótido de la nueva hebra ataca al grupo 5'-fosfato del dNTP entrante. Se separan dos fosfatos. (C) Forma un enlace fosfodiéster entre los dos nucleótidos, y se liberan iones fosfato.

El descubrimiento de la polimerasa del ADN

Mientras estudia la bacteria E. coli, el enzimólogo Arthur Kornberg descubrió que las polimerasas de ADN catalizan la síntesis de ADN. El experimento de Kornberg implicó mezclar todos los "ingredientes" básicos necesarios para la síntesis de ADN de E. coli en un tubo de ensayo, incluyendo nucleótidos, extracto de E. coli y ATP, y luego purificar y probar las enzimas involucradas. Usando este método, Kornberg no solo descubrió ADN polimerasas, sino que también realizó parte del trabajo inicial que demuestra cómo las enzimas agregan nuevos nucleótidos a las cadenas de ADN en crecimiento (Kornberg, 1959).

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