Replicación

Es el proceso mediante el cual a partir de una molécula progenitora de ADN se obtienen dos células hijas con la misma secuencia que el ADN original.

Proteínas de Replicación

ADN-Polimerasa

Son enzimas encargadas de catalizar la formación de los enlaces fosfodiéster en el sentido 5′-3′. Estas enzimas son las ADN-polimerasas I, II, III.

• La ADN-polimerasa I se utiliza principalmente en el relleno de pequeños segmentos de ADN durante los procesos de reparación y de replicación.
• El papel exacto de la ADN-polimerasa II no se sabe, pero puede servir como una polimerasa alternativa en el caso de que la ADN-polimerasa I resulte dañada por una mutación.
• La ADN-polimerasa III es la principal polimerasa activa durante la replicación del ADN.

Helicasas

Son enzimas que rompen los enlaces de hidrógeno que unen a las bases nitrogenadas complementarias y, por tanto, son las enzimas encargadas de abrir la doble hélice.

Topoisomerasas

Su función es desenrollar la doble hélice de ADN. La ADN-girasa.

Primasa

Es una enzima que cataliza la formación de un fragmento de ARN (cebador) que inicia la replicación.

Proteínas SSB

Son proteínas que unen las cadenas sencillas de ADN que se van formando.

ADN-Ligasa

Es una enzima que une las cadenas sencillas de ADN que se van formando.

Replicación Continua

La replicación se produce de manera simultánea en las dos cadenas de ADN (bidireccional). Empieza en un punto determinado del ADN y a partir de ese punto se copian las dos hebras a la vez. Pero hay un problema y es que las dos cadenas de la doble hélice discurren en direcciones opuestas, una de las cadenas debería sintetizarse en sentido 5′-3′ y otra en sentido 3′-5′. Pero todas las enzimas polimerasas añaden nucleótidos en sentido 5′-3′. Por tanto, la replicación continua solo es posible en la cadena molde 3′-5′ y en la cadena complementaria la replicación se produce de forma discontinua, o sea, se van replicando pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki). Una vez completada la replicación del ADN puede proseguir indefinidamente.

Replicación Discontinua

Síntesis del Cebador y Elongación

Para que la replicación comience es necesario que exista un fragmento de doble cadena formado por un molde y un oligonucleótido (cebador). En la replicación discontinua, para sintetizar un fragmento de Okazaki se debe generar cada vez un nuevo cebador, este cebador lo sintetiza la ARN-polimerasa (la enzima de transcripción) o, más frecuentemente, la primasa. La enzima ADN-polimerasa III continúa hasta que alcanza al ARN cebador del fragmento de Okazaki sintetizado previamente.

Eliminación del Cebador y Rellenado del Hueco

La enzima ADN-polimerasa I es una polimerasa cuando añade nucleótidos de uno en uno y una exonucleasa cuando quita nucleótidos de uno en uno. Para completar el fragmento de Okazaki, la ADN-polimerasa usa sus dos capacidades: completa un fragmento de Okazaki mediante la eliminación del ARN cebador anterior y lo sustituye por nucleótidos de ADN.

Ligazón

La ADN-polimerasa no puede enlazar los fragmentos de Okazaki al ADN sintetizado previamente. Una enzima, la ADN-ligasa, une los dos fragmentos mediante un enlace fosfodiéster, esta reacción consume energía.

Replicación en Eucariotas

• Los cromosomas de eucariotas contienen moléculas de ADN muy largas. Para abreviar el proceso de la replicación, se inicia en varios puntos de la cadena (replicones).
• Hay 5 tipos de ADN-polimerasa que se reparten las tareas de elongación y corrección de errores.
• En los cromosomas de organismos eucariotas el ADN se encuentra asociado a histonas, proteínas básicas que no tienen los procariotas y que se duplican durante la replicación.
• La replicación del ADN se va completando hasta llegar al extremo del cromosoma. Cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada queda incompleta ya que la ADN-polimerasa no puede rellenar el hueco, al ser incapaz de rellenar en el sentido 3′-5′. Esto hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide. Fenómeno que se asocia al envejecimiento y a la muerte celular.

Mecanismos de Replicación

1. La replicación comienza en ciertas zonas donde hay una secuencia de nucleótidos conocida como el origen de la replicación.
2. Separación de las cadenas: en ella intervienen unas enzimas, las helicasas, que rompen los enlaces por puentes de hidrógeno que mantiene unidas las bases complementarias y abren la doble hélice.
3. Mantenimiento de la separación de las cadenas gracias a las proteínas SSB.
4. Formación de nuevas hebras: la síntesis real de nuevas cadenas es catalizada por las enzimas ADN-polimerasa que van añadiendo nucleótidos uno a uno. La replicación es bidireccional y siempre se produce en el sentido 5′-3′, pues las polimerasas solo ponen nucleótidos en ese sentido. Como la replicación solo ocurre en un sentido y las dos cadenas de ADN son antiparalelas, la otra cadena se forma de manera discontinua sintetizando los fragmentos de Okazaki.
5. La ADN-ligasa, que conecta los fragmentos de Okazaki recién formados con la cadena de ADN, queda retardada en crecimiento.

Transcripción

Proceso por el cual se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen (ADN) a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias pertenecientes al ARNm. Para la transcripción es necesario:

• Una cadena de ADN que actúe como molde.
• Las enzimas: la transcripción está controlada por enzimas ADN-polimerasas. En el caso de los procariotas por ARN-polimerasa y en eucariotas por la ARN-polimerasa I, II, III.
• Los ribonucleótidos trifosfato A, G, C, U. La ARN-polimerasa une los nucleótidos trifosfato en sentido 5′-3′ mediante enlaces fosfodiéster. La cadena de ARN es complementaria, en ella no aparece la Timina que ha sido sustituida por el Uracilo.

Fases

Iniciación

Es la parte más compleja. Antes de que comience, la enzima ARN-polimerasa tiene que reconocer una región de ADN (centro promotor) a la que se asocia. La ADN-polimerasa cambia su configuración y desenrolla una vuelta de hélice del ADN, esto crea una burbuja de transcripción que permite que la secuencia de bases de ADN quede expuesta y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir. Esta burbuja se desplaza a lo largo del ADN junto con la ADN-polimerasa.

En los organismos eucariotas: para reconocer este comportamiento se requiere de la unión al ADN de proteínas. Estos factores son necesarios para que se una la ARN-polimerasa II y empiece la transcripción.

Elongación

La enzima ARN-polimerasa lee el ADN en la dirección 3′-5′, sin embargo, la adición del ribonucleótido se realiza en el sentido 5′-3′. Los ribonucleótidos se van añadiendo de acuerdo a las reglas de complementariedad A-U, C-G. En los organismos eucariotas se transcriben exones (regiones codificadas) e intrones (regiones no codificadas).

Terminación

La ARN-polimerasa continúa la transcripción hasta que encuentra una secuencia terminadora en el ADN. El ARNm se separa. En los organismos procariotas la secuencia terminadora es una región palindrómica, como consecuencia, el ARN forma una horquilla que hace que el ADN se separe del molde y se interrumpa la síntesis de ARNm. En los organismos eucariotas se forma una horquilla en el ARN. Cuando se produce la separación de ARN, una enzima une el extremo final 3′ poli A.

Maduración del ARN

El transcrito primario es la molécula de ARN que resulta directamente del proceso de transcripción.

• En procariotas: hay transcritos primarios para el ARNt y ARNr, pero no para el ARNm, por lo que se usa directamente en la traducción.
• En eucariotas: los precursores de los tres tipos de ARN no pueden desempeñar directamente su función, sino que tienen que sufrir la maduración del ARN que tiene lugar en el núcleo, solo cuando se ha completado este proceso las moléculas de ARN pueden ser transportadas al citoplasma, donde realizarán su función a través de los poros nucleares. La mayor parte de los genes que codifican las proteínas están fragmentados. Cada gen consta de varios fragmentos: intrones (regiones no codificantes que se transcriben pero no se traducen) y exones (se encuentran entre los intrones y se conservan en el ARN maduro, suelen ser codificantes). Los intrones se eliminan durante la maduración y se juntan los exones para formar una secuencia continua que especifica el polipéptido funcional.