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Replicación del ADN: la doble hélice se abre y se desenrolla, luego cada hebra separada (turquesa) actúa como una plantilla para replicar una nueva hebra asociada (verde). Los nucleótidos (bases) se combinan para sintetizar las nuevas cadenas asociadas en dos nuevas hélices dobles.

En biología molecular , la replicación del ADN es el proceso biológico de producir dos réplicas idénticas de ADN a partir de una molécula de ADN original . [1] La replicación del ADN ocurre en todos los organismos vivos y actúa como la parte más esencial para la herencia biológica . Esto es esencial para la división celular durante el crecimiento y la reparación de los tejidos dañados, mientras que también asegura que cada una de las nuevas células reciba su propia copia del ADN . [2] La célula posee la propiedad distintiva de división, lo que hace que la replicación del ADN sea esencial.

El ADN está formado por una doble hélice de dos hebras complementarias . La doble hélice describe la aparición de un ADN de doble hebra que, por tanto, se compone de dos hebras lineales que corren opuestas entre sí y se retuercen juntas para formar. [3] Durante la replicación, estas hebras se separan. Cada hebra de la molécula de ADN original sirve luego como plantilla para la producción de su contraparte, un proceso denominado replicación semiconservadora . Como resultado de la replicación semiconservadora, la nueva hélice estará compuesta por una hebra de ADN original y una hebra recién sintetizada. [4] Los mecanismos de corrección de errores y corrección celular garantizan unafidelidad para la replicación del ADN. [5] [6]

En una célula , la replicación del ADN comienza en lugares específicos u orígenes de replicación en el genoma [7] que contiene el material genético de un organismo. [8] El desenrollado del ADN en el origen y la síntesis de nuevas hebras, acomodado por una enzima conocida como helicasa , da como resultado que las horquillas de replicación crezcan bidireccionalmente desde el origen. Varias proteínas están asociadas con la horquilla de replicación para ayudar en el inicio y continuación de la síntesis de ADN . De manera más prominente, la ADN polimerasa sintetiza las nuevas hebras agregando nucleótidosque complementan cada hebra (plantilla). La replicación del ADN ocurre durante la etapa S de la interfase .

La replicación del ADN (amplificación del ADN) también se puede realizar in vitro (artificialmente, fuera de una célula). Pueden usarse ADN polimerasas aisladas de células y cebadores de ADN artificiales para iniciar la síntesis de ADN en secuencias conocidas en una molécula de ADN molde. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR), la reacción en cadena de la ligasa (LCR) y la amplificación mediada por transcripción (TMA) son ejemplos. En marzo de 2021, los investigadores informaron evidencia que sugiere que una forma preliminar de transferencia de ARN , un componente necesario de la traducción , es la síntesis biológica de nuevas proteínas de acuerdo con el código genético., podría haber sido una molécula replicadora en sí misma en el desarrollo temprano de la vida, o abiogénesis . [9] [10]

Estructura del ADN [ editar ]

El ADN existe como una estructura de doble hebra, con ambas hebras enrolladas juntas para formar la característica doble hélice . Cada hebra de ADN es una cadena de cuatro tipos de nucleótidos . Los nucleótidos en el ADN contienen un azúcar desoxirribosa , un fosfato y una nucleobase . Los cuatro tipos de nucleótidos corresponden a las cuatro nucleobases adenina , citosina , guanina y timina , comúnmente abreviadas como A, C, G y T. La adenina y la guanina son bases purínicas , mientras que la citosina y la timina son pirimidinas . Estos nucleótidos formanenlaces fosfodiéster , creando el esqueleto fosfato-desoxirribosa de la doble hélice del ADN con las nucleobases apuntando hacia adentro (es decir, hacia la hebra opuesta). Las nucleobases se emparejan entre hebras a través de enlaces de hidrógeno para formar pares de bases . La adenina se empareja con la timina (dos enlaces de hidrógeno) y la guanina se empareja con la citosina (tres enlaces de hidrógeno ).

Las hebras de ADN tienen una direccionalidad , y los diferentes extremos de una sola hebra se denominan "extremo 3 ′ (tres primos)" y "extremo 5 ′ (cinco primos)". Por convención, si se da la secuencia de bases de una sola hebra de ADN, el extremo izquierdo de la secuencia es el extremo 5 ', mientras que el extremo derecho de la secuencia es el extremo 3'. Las hebras de la doble hélice son antiparalelas, siendo una de 5 ′ a 3 ′ y la hebra opuesta de 3 ′ a 5 ′. Estos términos se refieren al átomo de carbono de la desoxirribosa al que se une el siguiente fosfato de la cadena. La direccionalidad tiene consecuencias en la síntesis de ADN, porque la ADN polimerasa puede sintetizar ADN en una sola dirección agregando nucleótidos al extremo 3 'de una hebra de ADN.

El emparejamiento de bases complementarias en el ADN (mediante enlaces de hidrógeno ) significa que la información contenida dentro de cada hebra es redundante. Los enlaces fosfodiéster (intracatenarios) son más fuertes que los enlaces de hidrógeno (entre cadenas). El trabajo real de los enlaces fosfodiéster es donde los polímeros de ADN conectan el carbono 5 'de un nucleótido con el carbono 3' de otro nucleótido, mientras que los enlaces de hidrógeno estabilizan las dobles hélices del ADN a través del eje de la hélice pero no en la dirección del eje 1. . [11] Esto permite que los filamentos sean separados uno del otro. Por lo tanto, los nucleótidos de una sola hebra se pueden usar para reconstruir nucleótidos en una hebra asociada recién sintetizada. [12]

ADN polimerasa [ editar ]

Artículo principal: ADN polimerasa
Las ADN polimerasas agregan nucleótidos al extremo 3 'de una hebra de ADN. [13] Si se incorpora accidentalmente un desajuste, se inhibe la extensión adicional de la polimerasa. La corrección elimina el nucleótido no coincidente y la extensión continúa.

Las ADN polimerasas son una familia de enzimas que llevan a cabo todas las formas de replicación del ADN. [14] Las ADN polimerasas en general no pueden iniciar la síntesis de nuevas hebras, sino que solo pueden extender una hebra de ADN o ARN existente emparejada con una hebra molde. Para comenzar la síntesis, se debe crear un fragmento corto de ARN, llamado cebador , y emparejarlo con la hebra de ADN molde.

La ADN polimerasa agrega una nueva hebra de ADN al extender el extremo 3 'de una cadena de nucleótidos existente, agregando nuevos nucleótidos que coinciden con la hebra molde de uno en uno mediante la creación de enlaces fosfodiéster . La energía para este proceso de polimerización del ADN proviene de la hidrólisis de los enlaces de fosfato de alta energía (fosfoanhídrido) entre los tres fosfatos unidos a cada base no incorporada . Las bases libres con sus grupos fosfato unidos se denominan nucleótidos ; en particular, las bases con tres grupos fosfato unidos se denominan nucleósidos trifosfatos. Cuando se agrega un nucleótido a una cadena de ADN en crecimiento, la formación de un enlace fosfodiéster entre el fosfato proximal del nucleótido y la cadena en crecimiento se acompaña de la hidrólisis de un enlace fosfato de alta energía con la liberación de los dos fosfatos distales como pirofosfato. . La hidrólisis enzimática del pirofosfato resultante en fosfato inorgánico consume un segundo enlace fosfato de alta energía y hace que la reacción sea efectivamente irreversible. [Nota 1]

En general, las ADN polimerasas son muy precisas, con una tasa de error intrínseco de menos de un error por cada 107 nucleótidos añadidos. [15] Además, algunas ADN polimerasas también tienen capacidad de corrección de pruebas; pueden eliminar los nucleótidos del extremo de una hebra en crecimiento para corregir bases mal emparejadas. Finalmente, los mecanismos de reparación de desajustes posteriores a la replicación monitorean el ADN en busca de errores, siendo capaces de distinguir los desajustes en la cadena de ADN recién sintetizada de la secuencia de la cadena original. Juntos, estos tres pasos de discriminación permiten una fidelidad de replicación de menos de un error por cada 109 nucleótidos añadidos. [15]

La tasa de replicación del ADN en una célula viva se midió primero como la tasa de elongación del ADN del fago T4 en E. coli infectada con fagos . [16] Durante el período de aumento exponencial del ADN a 37 ° C, la tasa fue de 749 nucleótidos por segundo. La tasa de mutación por par de bases por replicación durante la síntesis de ADN del fago T4 es de 1,7 por 108 . [17]

Proceso de replicación [ editar ]

Artículos principales: replicación del ADN procariota y replicación del ADN eucariota
Descripción general de los pasos de la replicación del ADN
Pasos en la síntesis de ADN

La replicación del ADN, como todos los procesos de polimerización biológica, procede en tres pasos coordinados y catalizados enzimáticamente: iniciación, alargamiento y terminación.

Iniciación [ editar ]

Papel de los iniciadores para el inicio de la replicación del ADN.
Formación de complejo de prerreplicación.

Para que una célula se divida , primero debe replicar su ADN. [18] La replicación del ADN es un proceso de todo o nada; una vez que comienza la replicación, continúa hasta completarse. Una vez que se completa la replicación, no vuelve a ocurrir en el mismo ciclo celular. Esto es posible gracias a la división del inicio del complejo de prerreplicación .

Complejo de prerreplicación [ editar ]

Artículo principal: complejo de prerreplicación

En la mitosis tardía y la fase G1 temprana , un gran complejo de proteínas iniciadoras se ensambla en el complejo de pre-replicación en puntos particulares del ADN, conocidos como " orígenes ". [7] En E. coli, la proteína iniciadora principal es DnaA ; en la levadura , este es el complejo de reconocimiento de origen . [19] Las secuencias utilizadas por las proteínas iniciadoras tienden a ser "ricas en AT" (ricas en bases de adenina y timina), porque los pares de bases de AT tienen dos enlaces de hidrógeno (en lugar de los tres formados en un par CG) y, por lo tanto, son más fáciles de formar -separar. [20] En eucariotas, el complejo de reconocimiento de origen cataliza el ensamblaje de proteínas iniciadoras en el complejo de prerreplicación. Cdc6 y Cdt1 luego se asocian con el complejo de reconocimiento de origen unido en el origen para formar un complejo más grande necesario para cargar el complejo Mcm en el ADN. El complejo Mcm es la helicasa que desenredará la hélice de ADN en los orígenes de replicación y las bifurcaciones de replicación en eucariotas. El complejo Mcm se recluta en la fase G1 tardía y se carga mediante el complejo ORC-Cdc6-Cdt1 en el ADN a través de la remodelación de proteínas dependiente de ATP. La carga del complejo Mcm en el ADN de origen marca la finalización de la formación del complejo de prerreplicación. [21]

Si las condiciones ambientales son adecuadas en la fase G1 tardía, se activan los complejos ciclina G1 y G1 / S - Cdk , que estimulan la expresión de genes que codifican componentes de la maquinaria sintética del ADN. La activación de G1 / S-Cdk también promueve la expresión y activación de complejos S-Cdk, que pueden desempeñar un papel en la activación de los orígenes de replicación según la especie y el tipo de célula. El control de estos Cdks varía según el tipo de célula y la etapa de desarrollo. Esta regulación se comprende mejor en la levadura en ciernes , donde las ciclinas S Clb5 y Clb6 son las principales responsables de la replicación del ADN. [22]Los complejos Clb5,6-Cdk1 desencadenan directamente la activación de los orígenes de replicación y, por lo tanto, son necesarios a lo largo de la fase S para activar directamente cada origen. [21]

De manera similar, también se requiere Cdc7 a través de la fase S para activar los orígenes de replicación. Cdc7 no está activo durante todo el ciclo celular y su activación está estrictamente programada para evitar el inicio prematuro de la replicación del ADN. En G1 tardío, la actividad de Cdc7 aumenta abruptamente como resultado de la asociación con la subunidad reguladora Dbf4 , que se une directamente a Cdc7 y promueve su actividad de proteína quinasa. Se ha descubierto que Cdc7 es un regulador limitante de la actividad de origen. Juntos, G1 / S-Cdks y / o S-Cdks y Cdc7 colaboran para activar directamente los orígenes de replicación, lo que lleva al inicio de la síntesis de ADN. [21]

Complejo de preiniciación [ editar ]

Artículo principal: complejo de preiniciación de la transcripción

En la fase S temprana, la activación de S-Cdk y Cdc7 conduce al ensamblaje del complejo de preiniciación, un complejo proteico masivo formado en el origen. La formación del complejo de preiniciación desplaza a Cdc6 y Cdt1 del complejo de replicación de origen, inactivando y desensamblando el complejo de prerreplicación. La carga del complejo de preiniciación en el origen activa la helicasa Mcm, provocando el desenrollamiento de la hélice de ADN. El complejo de preiniciación también carga α-primasa y otras ADN polimerasas en el ADN. [21]

Después de que la α-primasa sintetiza los primeros cebadores, las uniones cebador-plantilla interactúan con el cargador de la abrazadera, que carga la abrazadera deslizante en el ADN para comenzar la síntesis de ADN. Los componentes del complejo de preiniciación permanecen asociados con las bifurcaciones de replicación a medida que se alejan del origen. [21]

Alargamiento [ editar ]

La ADN polimerasa tiene actividad 5′-3 ′. Todos los sistemas de replicación de ADN conocidos requieren un grupo hidroxilo 3 ′ libre antes de que pueda iniciarse la síntesis (nota: la plantilla de ADN se lee en la dirección 3 ′ a 5 ′, mientras que una nueva hebra se sintetiza en la dirección 5 ′ a 3 ′; esto a menudo es confundido). Se reconocen cuatro mecanismos distintos para la síntesis de ADN:

  1. Todas las formas de vida celular y muchos virus de ADN , fagos y plásmidos utilizan una primasa para sintetizar un cebador de ARN corto con un grupo 3 'OH libre que posteriormente es alargado por una ADN polimerasa.
  2. Los retroelementos (incluidos los retrovirus ) emplean un ARN de transferencia que ceba la replicación del ADN proporcionando un 3 'OH libre que se usa para el alargamiento por la transcriptasa inversa .
  3. En los adenovirus y la familia de bacteriófagos φ29 , el grupo 3 'OH es proporcionado por la cadena lateral de un aminoácido de la proteína unida al genoma (la proteína terminal) a la que la ADN polimerasa agrega nucleótidos para formar una nueva hebra.
  4. En los virus de ADN monocatenario, un grupo que incluye circovirus , geminivirus , parvovirus y otros, y también en los muchos fagos y plásmidos que utilizan el mecanismo de replicación del círculo rodante (RCR), la endonucleasa RCR crea una muesca en la hebra del genoma. (virus monocatenarios) o una de las cadenas de ADN (plásmidos). El extremo 5 'de la hebra mellada se transfiere a un residuo de tirosina en la nucleasa y luego la ADN polimerasa utiliza el grupo 3' OH libre para sintetizar la nueva hebra.

El primero es el más conocido de estos mecanismos y es utilizado por los organismos celulares. En este mecanismo, una vez que se separan las dos cadenas, la primasa agrega cebadores de ARN a las cadenas molde. La cadena principal recibe un cebador de ARN mientras que la cadena retrasada recibe varios. La hebra principal se extiende continuamente desde el cebador mediante una ADN polimerasa con alta procesividad , mientras que la hebra rezagada se extiende de forma discontinua desde cada cebador formando fragmentos de Okazaki . La ARNasa elimina los fragmentos de ARN del cebador y una ADN polimerasa de baja procesividad distinta de la polimerasa replicativa entra para llenar los huecos. Cuando esto se completa, se puede encontrar una sola muesca en la hebra principal y varias muescas en la hebra retrasada.La ligasa trabaja para rellenar estos cortes, completando así la molécula de ADN recién replicada.

La primasa utilizada en este proceso difiere significativamente entre bacterias y arqueas / eucariotas . Las bacterias utilizan una primasa perteneciente a la superfamilia de proteínas DnaG que contiene un dominio catalítico del tipo de pliegue TOPRIM. [23] El pliegue TOPRIM contiene un núcleo α / β con cuatro hebras conservadas en una topología similar a Rossmann . Esta estructura también se encuentra en los dominios catalíticos de la topoisomerasa Ia, la topoisomerasa II, las nucleasas de la familia OLD y las proteínas reparadoras del ADN relacionadas con la proteína RecR.

La primasa utilizada por arqueas y eucariotas, por el contrario, contiene una versión altamente derivada del motivo de reconocimiento de ARN (RRM). Esta primasa es estructuralmente similar a muchas ARN polimerasas virales dependientes de ARN, transcriptasas inversas, ciclasas generadoras de nucleótidos cíclicos y ADN polimerasas de las familias A / B / Y que participan en la replicación y reparación del ADN. En la replicación eucariota, la primasa forma un complejo con Pol α. [24]

Varias ADN polimerasas asumen diferentes roles en el proceso de replicación del ADN. En E. coli , el ADN Pol III es la enzima polimerasa responsable principalmente de la replicación del ADN. Se ensambla en un complejo de replicación en la bifurcación de replicación que exhibe una procesividad extremadamente alta, permaneciendo intacto durante todo el ciclo de replicación. Por el contrario, el ADN Pol I es la enzima responsable de reemplazar los cebadores de ARN con ADN. El ADN Pol I tiene una actividad exonucleasa de 5 ′ a 3 ′ además de su actividad polimerasa, y usa su actividad exonucleasa para degradar los cebadores de ARN delante de él a medida que extiende la cadena de ADN detrás de él, en un proceso llamado traducción de muescas.. Pol I es mucho menos procesadora que Pol III porque su función principal en la replicación del ADN es crear muchas regiones de ADN cortas en lugar de unas pocas regiones muy largas.

En eucariotas , la enzima de baja procesividad, Pol α, ayuda a iniciar la replicación porque forma un complejo con primasa. [25] En eucariotas, se cree que la síntesis de la cadena principal la realiza Pol ε; sin embargo, esta opinión ha sido cuestionada recientemente, lo que sugiere un papel para Pol δ. [26] La eliminación del cebador se completa con Pol δ [27] mientras que la reparación del ADN durante la replicación se completa con Pol ε.

A medida que continúa la síntesis de ADN, las hebras de ADN originales continúan desenrollándose a cada lado de la burbuja, formando una horquilla de replicación con dos puntas. En las bacterias, que tienen un solo origen de replicación en su cromosoma circular, este proceso crea una " estructura theta " (que se asemeja a la letra griega theta: θ). Por el contrario, los eucariotas tienen cromosomas lineales más largos e inician la replicación en múltiples orígenes dentro de estos. [28]

Bifurcación de replicación [ editar ]

Esquema de la bifurcación de replicación.
a: plantilla, b: hebra principal, c: hebra retrasada, d: horquilla de replicación, e: cebador, f: fragmentos de Okazaki
Muchas enzimas están involucradas en la bifurcación de replicación del ADN.

La horquilla de replicación es una estructura que se forma dentro del ADN helicoidal largo durante la replicación del ADN. Es creado por helicasas, que rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las dos hebras de ADN en la hélice. La estructura resultante tiene dos "puntas" ramificadas, cada una formada por una sola hebra de ADN. Estas dos hebras sirven como plantilla para las hebras principales y rezagadas, que se crearán a medida que la ADN polimerasa empareje nucleótidos complementarios con las plantillas; las plantillas pueden denominarse correctamente plantilla de hebra principal y plantilla de hebra retrasada.

La ADN polimerasa lee el ADN en la dirección 3 'a 5', lo que significa que la nueva hebra se sintetiza en la dirección 5 'a 3'. Dado que las plantillas de hebra principal y retrasada están orientadas en direcciones opuestas en la bifurcación de replicación, un problema importante es cómo lograr la síntesis de la nueva hebra retrasada de ADN, cuya dirección de síntesis es opuesta a la dirección de la bifurcación de replicación creciente.

Línea principal [ editar ]

La cadena principal es la cadena de ADN nuevo que se sintetiza en la misma dirección que la horquilla de replicación en crecimiento. Este tipo de replicación del ADN es continua.

Hebra rezagada [ editar ]

La hebra rezagada es la hebra de ADN nuevo cuya dirección de síntesis es opuesta a la dirección de la horquilla de replicación en crecimiento. Debido a su orientación, la replicación de la hebra retrasada es más complicada en comparación con la de la hebra principal. Como consecuencia, se ve que la ADN polimerasa de esta hebra se "queda atrás" de la otra hebra.

La hebra rezagada se sintetiza en segmentos cortos y separados. En el molde de la hebra rezagada , una primasa "lee" el ADN molde e inicia la síntesis de un cebador corto de ARN complementario . Una ADN polimerasa extiende los segmentos cebados, formando fragmentos de Okazaki . Los cebadores de ARN se eliminan y reemplazan con ADN, y los fragmentos de ADN se unen mediante ADN ligasa .

Dinámica en la bifurcación de replicación [ editar ]

La pinza de ADN humano ensamblada, un trímero de la proteína PCNA .

En todos los casos, la helicasa está compuesta por seis polipéptidos que envuelven solo una hebra del ADN que se replica. Las dos polimerasas están unidas a la helicasa heximer. En eucariotas, la helicasa envuelve la hebra principal y en los procariotas envuelve la hebra rezagada. [29]

A medida que la helicasa desenrolla el ADN en la bifurcación de replicación, el ADN de adelante se ve obligado a rotar. Este proceso da como resultado una acumulación de giros en el ADN que tenemos por delante. [30] Esta acumulación forma una resistencia a la torsión que eventualmente detendría el progreso de la bifurcación de replicación. Las topoisomerasas son enzimas que rompen temporalmente las hebras de ADN, aliviando la tensión causada por desenrollar las dos hebras de la hélice de ADN; Las topoisomerasas (incluida la ADN girasa ) logran esto agregando superenrollamientos negativos a la hélice de ADN. [31]

El ADN monocatenario desnudo tiende a plegarse sobre sí mismo formando estructuras secundarias ; estas estructuras pueden interferir con el movimiento de la ADN polimerasa. Para evitar esto, las proteínas de unión de una sola hebra se unen al ADN hasta que se sintetiza una segunda hebra, evitando la formación de estructuras secundarias. [32]

El ADN de doble hebra se enrolla alrededor de histonas que desempeñan un papel importante en la regulación de la expresión génica, por lo que el ADN replicado debe enrollarse alrededor de histonas en los mismos lugares que el ADN original. Para garantizar esto, los acompañantes de histonas desmontan la cromatina antes de que se replique y reemplazan las histonas en el lugar correcto. Algunos pasos de este reensamblaje son algo especulativos. [33]

Las proteínas de abrazadera forman una abrazadera deslizante alrededor del ADN, lo que ayuda a la ADN polimerasa a mantener contacto con su plantilla, lo que ayuda con la procesividad. La cara interior de la pinza permite que el ADN pase a través de ella. Una vez que la polimerasa llega al final de la plantilla o detecta el ADN de doble hebra, la abrazadera deslizante sufre un cambio conformacional que libera la ADN polimerasa. Las proteínas de carga de pinza se utilizan para cargar inicialmente la pinza, reconociendo la unión entre la plantilla y los cebadores de ARN. [6] : 274-5

Proteínas de replicación del ADN [ editar ]

En la bifurcación de la replicación, muchas enzimas de replicación se ensamblan en el ADN en una máquina molecular compleja llamada replisoma . La siguiente es una lista de las principales enzimas de replicación del ADN que participan en el replisoma: [34]

EnzimaFunción en la replicación del ADN
Helicasa de ADNTambién conocida como enzima desestabilizadora de hélice. La helicasa separa las dos hebras de ADN en la horquilla de replicación detrás de la topoisomerasa.
ADN polimerasaEnzima responsable de catalizar la adición de sustratos de nucleótidos al ADN en la dirección 5 'a 3' durante la replicación del ADN. También realiza corrección de errores y corrección de pruebas. Existen muchos tipos diferentes de ADN polimerasa, cada uno de los cuales realiza diferentes funciones en diferentes tipos de células.
Pinza de ADNUna proteína que evita que las ADN polimerasas en alargamiento se disocien de la hebra parental de ADN.
Proteína de unión a ADN monocatenarioSe une al ADNss y evita que la doble hélice del ADN se vuelva a hibridar después de que la helicasa de ADN lo desenrolle, manteniendo así la separación de la hebra y facilitando la síntesis de la nueva hebra.
TopoisomerasaRelaja el ADN de su naturaleza superenrollada.
ADN girasaAlivia la tensión de desenrollamiento por ADN helicasa; este es un tipo específico de topoisomerasa
ADN ligasaRecuida las hebras semiconservadoras y une los fragmentos Okazaki de la hebra rezagada.
PrimaseProporciona un punto de partida de ARN (o ADN) para que la ADN polimerasa comience la síntesis de la nueva hebra de ADN.
TelomerasaAlarga el ADN telomérico agregando secuencias de nucleótidos repetitivas a los extremos de los cromosomas eucariotas . Esto permite que las células germinales y las células madre eviten el límite de Hayflick en la división celular. [35]

Maquinaria de replicación [ editar ]

Replisome de E. coli. En particular, el ADN de la hebra rezagada forma un bucle. La estructura exacta del replisoma no se comprende bien.

Las maquinarias de replicación consisten en factores involucrados en la replicación del ADN y que aparecen en las plantillas de ADNss. Las maquinarias de replicación incluyen primosotores son enzimas de replicación; ADN polimerasa, ADN helicasas, pinzas de ADN y ADN topoisomerasas y proteínas de replicación; por ejemplo, proteínas de unión a ADN monocatenarias (SSB). En las maquinarias de replicación estos componentes se coordinan. En la mayoría de las bacterias, todos los factores involucrados en la replicación del ADN se encuentran en horquillas de replicación y los complejos permanecen en las horquillas durante la replicación del ADN. Estas maquinarias de replicación se denominan replisomas o sistemas de replicasa de ADN . Estos términos son términos genéricos para proteínas ubicadas en horquillas de replicación. En eucariotas y algunas células bacterianas, los replisomas no se forman.

Dado que las maquinarias de replicación no se mueven en relación con las plantillas de ADN, como las fábricas, se las denomina fábrica de replicación . [36] En una figura alternativa, las fábricas de ADN son similares a los proyectores y los ADN son como películas cinematográficas que pasan constantemente a los proyectores. En el modelo de la fábrica de replicación, después de que ambas helicasas de ADN para las cadenas principales y las cadenas rezagadas se cargan en los ADN de la plantilla, las helicasas corren a lo largo de los ADN entre sí. Las helicasas permanecen asociadas durante el resto del proceso de replicación. Peter Meister y col. observados directamente los sitios de replicación en la levadura en ciernes mediante el seguimiento de la proteína verde fluorescenteADN polimerasas α marcadas con (GFP). Detectaron la replicación del ADN de pares de los loci marcados espaciados simétricamente de un origen de replicación y encontraron que la distancia entre los pares disminuía notablemente con el tiempo. [37] Este hallazgo sugiere que el mecanismo de replicación del ADN va con las fábricas de ADN. Es decir, las parejas de fábricas de replicación se cargan en los orígenes de replicación y las fábricas asociadas entre sí. Además, las plantillas de ADN se trasladan a las fábricas, lo que genera la extrusión de las plantillas de ADNss y nuevos ADN. El hallazgo de Meister es la primera evidencia directa del modelo de fábrica de replicación. Investigaciones posteriores han demostrado que las helicasas de ADN forman dímeros en muchas células eucariotas y las maquinarias de replicación bacteriana permanecen en una única ubicación intranuclear durante la síntesis de ADN. [36]

Las fábricas de replicación realizan el desenredo de cromátidas hermanas. El desenredo es esencial para distribuir las cromátidas en las células hijas después de la replicación del ADN. Debido a que las cromátidas hermanas después de la replicación del ADN se mantienen entre sí mediante anillos de Cohesina , existe la única posibilidad de que se desenrede en la replicación del ADN. La fijación de las maquinarias de replicación como fábricas de replicación puede mejorar la tasa de éxito de la replicación del ADN. Si las horquillas de replicación se mueven libremente en los cromosomas, la catenación de los núcleos se agrava e impide la segregación mitótica. [37]

Terminación [ editar ]

Los eucariotas inician la replicación del ADN en múltiples puntos del cromosoma, por lo que las horquillas de replicación se encuentran y terminan en muchos puntos del cromosoma. Debido a que los eucariotas tienen cromosomas lineales, la replicación del ADN no puede llegar al final de los cromosomas. Debido a este problema, el ADN se pierde en cada ciclo de replicación desde el final del cromosoma. Los telómeros son regiones de ADN repetitivo cercanas a los extremos y ayudan a prevenir la pérdida de genes debido a este acortamiento. El acortamiento de los telómeros es un proceso normal en las células somáticas . Esto acorta los telómeros del cromosoma de ADN hijo. Como resultado, las células solo pueden dividirse un cierto número de veces antes de que la pérdida de ADN impida una mayor división. (Esto se conoce como el límite de Hayflick ).La línea de células germinales , que pasa el ADN a la siguiente generación, la telomerasa extiende las secuencias repetitivas de la región de los telómeros para evitar la degradación. La telomerasa puede activarse por error en las células somáticas, lo que a veces conduce a la formación de cáncer . El aumento de la actividad de la telomerasa es una de las características del cáncer.

La terminación requiere que el progreso de la bifurcación de replicación del ADN se detenga o se bloquee. La terminación en un locus específico, cuando ocurre, implica la interacción entre dos componentes: (1) una secuencia del sitio de terminación en el ADN y (2) una proteína que se une a esta secuencia para detener físicamente la replicación del ADN. En varias especies bacterianas, esto se denomina proteína de unión al sitio terminal de replicación del ADN, o proteína Ter .

Debido a que las bacterias tienen cromosomas circulares, la terminación de la replicación ocurre cuando las dos horquillas de replicación se encuentran en el extremo opuesto del cromosoma parental. E. coli regula este proceso mediante el uso de secuencias de terminación que, cuando se unen a la proteína Tus , permiten que pase solo una dirección de la horquilla de replicación. Como resultado, las horquillas de replicación están obligadas a encontrarse siempre dentro de la región de terminación del cromosoma. [38]

Reglamento [ editar ]

Artículos principales: División celular y ciclo celular.
El ciclo celular de las células eucariotas.

Eucariotas [ editar ]

Dentro de los eucariotas, la replicación del ADN se controla dentro del contexto del ciclo celular . A medida que la célula crece y se divide, progresa a través de etapas en el ciclo celular; La replicación del ADN tiene lugar durante la fase S (fase de síntesis). El progreso de la célula eucariota a través del ciclo está controlado por puntos de control del ciclo celular . La progresión a través de los puntos de control se controla mediante interacciones complejas entre varias proteínas, incluidas las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas . [39] A diferencia de las bacterias, el ADN eucariótico se replica en los confines del núcleo. [40]

El punto de control G1 / S (o punto de control de restricción) regula si las células eucariotas entran en el proceso de replicación del ADN y división posterior. Las células que no pasan por este punto de control permanecen en la etapa G0 y no replican su ADN.

Después de pasar por el punto de control G1 / S, el ADN debe replicarse solo una vez en cada ciclo celular. Cuando el complejo Mcm se aleja del origen, el complejo de pre-replicación se desmantela. Debido a que un nuevo complejo de Mcm no se puede cargar en un origen hasta que se reactivan las subunidades de prerreplicación, no se puede usar un origen de replicación dos veces en el mismo ciclo celular. [21]

La activación de S-Cdks en la fase S temprana promueve la destrucción o inhibición de los componentes del complejo de pre-replicación individuales, evitando el reensamblaje inmediato. S y M-Cdks continúan bloqueando el ensamblaje del complejo de pre-replicación incluso después de que se completa la fase S, asegurando que el ensamblaje no pueda ocurrir nuevamente hasta que toda la actividad de Cdk se reduzca en la mitosis tardía. [21]

En la levadura en gemación, la inhibición del ensamblaje es causada por la fosforilación dependiente de Cdk de los componentes del complejo de prerreplicación. Al inicio de la fase S, la fosforilación de Cdc6 por Cdk1 provoca la unión de Cdc6 a la proteína ligasa de ubiquitina de SCF. , que provoca la destrucción proteolítica de Cdc6. La fosforilación dependiente de Cdk de las proteínas Mcm promueve su exportación fuera del núcleo junto con Cdt1 durante la fase S, evitando la carga de nuevos complejos Mcm en los orígenes durante un solo ciclo celular. La fosforilación de Cdk del complejo de replicación de origen también inhibe el ensamblaje del complejo de prerreplicación. La presencia individual de cualquiera de estos tres mecanismos es suficiente para inhibir el ensamblaje del complejo de prerreplicación. Sin embargo, las mutaciones de las tres proteínas en la misma célula desencadenan la reiniciación en muchos orígenes de replicación dentro de un ciclo celular. [21] [41]

En las células animales, la proteína geminina es un inhibidor clave del ensamblaje del complejo de prerreplicación . Geminin se une a Cdt1, evitando su unión al complejo de reconocimiento de origen. En G1, los niveles de geminina se mantienen bajos por la APC, que ubiquitina a la geminina para apuntar a su degradación. Cuando se destruye la geminina, se libera Cdt1, lo que le permite funcionar en un ensamblaje complejo previo a la replicación. Al final de G1, la APC se inactiva, lo que permite que la geminina se acumule y se una a Cdt1. [21]

La replicación del cloroplasto y genomas mitocondriales se produce independientemente del ciclo celular, a través del proceso de replicación D-loop .

Enfoque de replicación [ editar ]

En las células de vertebrados, los sitios de replicación se concentran en posiciones llamadas focos de replicación . [37] Los sitios de replicación pueden detectarse mediante inmunotinción de cadenas hijas y enzimas de replicación y monitoreando los factores de replicación marcados con GFP. Mediante estos métodos se encuentra que aparecen focos de replicación de diferentes tamaños y posiciones en la fase S de la división celular y su número por núcleo es mucho menor que el número de horquillas de replicación genómica.

P. Heun y col. , [37] (2001) rastrearon focos de replicación marcados con GFP en células de levadura en ciernes y revelaron que los orígenes de replicación se mueven constantemente en la fase G1 y S y la dinámica disminuyó significativamente en la fase S. [37] Tradicionalmente, los sitios de replicación se fijaban en la estructura espacial de los cromosomas mediante matrices nucleares o láminas . Los resultados de Heun niegan los conceptos tradicionales, las levaduras en ciernes no tienen láminas, y apoyan que los orígenes de replicación se autoensamblan y forman focos de replicación.

Al disparar los orígenes de replicación, controlados espacial y temporalmente, se regula la formación de focos de replicación. DA Jackson et al. (1998) revelaron que los orígenes vecinos se disparan simultáneamente en células de mamíferos. [37] La yuxtaposición espacial de los sitios de replicación trae consigo la agrupación de horquillas de replicación. La agrupación rescata las bifurcaciones de replicación estancadasy favorece el progreso normal de las horquillas de replicación. El progreso de las horquillas de replicación se ve inhibido por muchos factores; colisión con proteínas o con complejos que se unen fuertemente al ADN, deficiencia de dNTP, mellas en el ADN de la plantilla, etc. Si las bifurcaciones de replicación se estancan y las secuencias restantes de las bifurcaciones estancadas no se replican, las hebras hijas tienen sitios no replicados obtenidos con mellas. Los sitios no replicados en la hebra de uno de los padres mantienen unida a la otra hebra, pero no a las hebras hijas. Por lo tanto, las cromátidas hermanas resultantes no pueden separarse entre sí y no pueden dividirse en 2 células hijas. Cuando los orígenes vecinos se disparan y una bifurcación de un origen se detiene, la bifurcación desde otro origen accede en una dirección opuesta a la bifurcación detenida y duplica los sitios no replicados. Como otro mecanismo del rescate existe la aplicación deorígenes de replicación latentes que los orígenes en exceso no activan en la replicación normal del ADN.

Bacterias [ editar ]

Dam metila la adenina de los sitios GATC después de la replicación.

La mayoría de las bacterias no pasan por un ciclo celular bien definido, sino que copian continuamente su ADN; durante el crecimiento rápido, esto puede resultar en la ocurrencia concurrente de múltiples rondas de replicación. [42] En E. coli , la bacteria mejor caracterizada, la replicación del ADN se regula a través de varios mecanismos, que incluyen: la hemimetilación y el secuestro de la secuencia de origen, la proporción de trifosfato de adenosina (ATP) a difosfato de adenosina (ADP) , y la niveles de proteína DnaA. Todos estos controlan la unión de las proteínas iniciadoras a las secuencias de origen.

Debido a que E. coli metila las secuencias de ADN de GATC, la síntesis de ADN da como resultado secuencias hemimetiladas. Este ADN hemimetilado es reconocido por la proteína SeqA , que se une y secuestra la secuencia de origen; Además, el DnaA (necesario para el inicio de la replicación) se une menos bien al ADN hemimetilado. Como resultado, se evita que los orígenes recién replicados inicien inmediatamente otra ronda de replicación del ADN. [43]

El ATP se acumula cuando la célula se encuentra en un medio rico, lo que desencadena la replicación del ADN una vez que la célula alcanza un tamaño específico. El ATP compite con el ADP para unirse al DnaA y el complejo DnaA-ATP puede iniciar la replicación. También se requiere una cierta cantidad de proteínas DnaA para la replicación del ADN; cada vez que se copia el origen, el número de sitios de unión para el DnaA se duplica, lo que requiere la síntesis de más DnaA para permitir otro inicio de la replicación.

En bacterias de crecimiento rápido, como E. coli , la replicación cromosómica lleva más tiempo que dividir la célula. Las bacterias resuelven esto iniciando una nueva ronda de replicación antes de que termine la anterior. [44] La nueva ronda de replicación formará el cromosoma de la célula que nace dos generaciones después de la célula en división. Este mecanismo crea ciclos de replicación superpuestos.

Ver también: FtsZ , Min System , Plásmido , Número de copia de plásmido y Sistema de partición de plásmido

Problemas con la replicación del ADN [ editar ]

Artículo principal: estrés por replicación del ADN
La horquilla de replicación se reinicia por recombinación homóloga después del estrés de replicación
Consecuencias epigenéticas de los defectos de reensamblaje de nucleosomas en horquillas de replicación estancadas

Hay muchos eventos que contribuyen al estrés de la replicación, entre ellos: [45]

  • Incorrecta incorporación de ribonucleótidos
  • Estructuras de ADN inusuales
  • Conflictos entre replicación y transcripción
  • Insuficiencia de factores de replicación esenciales
  • Sitios frágiles comunes
  • Sobreexpresión o activación constitutiva de oncogenes
  • Inaccesibilidad de la cromatina

Reacción en cadena de la polimerasa [ editar ]

Artículo principal: reacción en cadena de la polimerasa

Los investigadores suelen replicar el ADN in vitro mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La PCR usa un par de cebadores para abarcar una región diana en el ADN molde y luego polimeriza las cadenas asociadas en cada dirección de estos cebadores usando una ADN polimerasa termoestable . La repetición de este proceso a lo largo de varios ciclos amplifica la región de ADN objetivo. Al comienzo de cada ciclo, la mezcla de plantilla y cebadores se calienta, separando la molécula y la plantilla recién sintetizadas. Luego, a medida que la mezcla se enfría, ambos se convierten en plantillas para el apareamiento de nuevos cebadores, y la polimerasa se extiende a partir de ellos. Como resultado, el número de copias de la región objetivo se duplica en cada ronda, aumentando exponencialmente .[46]

Ver también [ editar ]

  • La vida
  • Biología Celular)
  • División celular
  • Gene
  • La expresion genica
  • Epigenética
  • Genoma
  • Autopoiesis
  • Segregación cromosómica
  • Dispositivo de almacenamiento de datos
  • Autorreplicación
  • ADN de Hachimoji

Notas [ editar ]

  1. ^ La energéticaEste proceso también puede ayudar a explicar la direccionalidad de la síntesis: si el ADN se sintetizara en la dirección 3 ′ a 5 ′, la energía para el proceso provendría del extremo 5 ′ de la hebra en crecimiento en lugar de los nucleótidos libres. El problema es que si los trifosfatos de alta energía estuvieran en la cadena en crecimiento y no en los nucleótidos libres, la corrección de pruebas mediante la eliminación de un nucleótido terminal no coincidente sería problemática: una vez que se agrega un nucleótido, el trifosfato se pierde y queda un solo fosfato la columna vertebral entre el nuevo nucleótido y el resto de la hebra. Si el nucleótido añadido estuviera mal emparejado, la eliminación daría como resultado una hebra de ADN terminada por un monofosfato al final de la "hebra en crecimiento" en lugar de un trifosfato de alta energía. Por lo tanto, la hebra se atascaría y ya no podría crecer. En la actualidad,los trifosfatos de alta energía hidrolizados en cada paso se originan en los nucleótidos libres, no en la hebra polimerizada, por lo que este problema no existe.

Referencias [ editar ]

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