Replicacion del DNA

Es el mecanismo que permite al DNA duplicarse (es decir, sintetizar una copia idéntica). De esta manera de una molécula de DNA única, se obtienen dos más "clones" de la primera.

   Gracias a la complementariedad entre las bases que forman la secuencia de cada una de las cadenas, el DNA tiene la importante propiedad de reproducirse idénticamente, lo que permite que la información genética se transmita de una célula madre a las células hijas y es la base de la herencia del material genético.

Replicación de DNA. La doble hélice es desenrollada y cada hebra hace de plantilla para la síntesis de la nueva cadena. La DNA polimerasa añade los nucleótidos complementarios a los de la cadena original.

Modelos de Replicacion.

En cada una de las moléculas hijas se conserva una de las cadenas originales, y por eso se dice que la replicación del DNA es semi-conservadora.

•  Conservadora. Se sintetiza una molécula totalmente nueva, copia de la original.

• Dispersora, o dispersante. Las cadenas hijas constan de fragmentos de la cadena antigua y fragmentos de la nueva.

• Semiconservadora (modelo correcto). En cada una de las moléculas hijas se conserva una de las cadenas  

Tres posibles modelos de replicación. a) Conservadora, b) Dispersora, c) Semiconservadora (mecanismo real)

Secuencialidad.

LA REPLICACIÓN AVANZA EN FORMA DE HORQUILLA.

Debido a que en la célula ambas cadenas de la doble hélice de DNA se duplican al mismo tiempo, éstas deben separarse para que cada una de ellas sirva de molde para la síntesis de una nueva cadena. Por eso, la replicación avanza con una estructura en forma de horquilla.

Bidireccionalidad.

El movimiento de la horquilla es bidireccional en la mayoría de los casos, es decir, a partir de un punto se sintetizan las dos cadenas en ambos sentidos, que avanza en dirección a la región de DNA no duplicado dejando atrás los dos moldes de DNA de cadena simple donde se está produciendo la replicación.

En la mayoría de los casos la replicación es bidireccional. No obstante, la replicación se puede considerar, de forma general, bidireccional.

Semidescontinuidad.

La replicación siempre se produce en sentido 5' → 3', siendo el extremo 3'-OH libre el punto a partir del cual se produce la elongación del DNA. Esto plantea un problema, y es que las cadenas tienen que crecer simultáneamente a pesar de que son antiparalelas, es decir, que cada cadena tiene el extremo 5' enfrentado con el extremo 3' de la otra cadena.

Por ello, una de las cadenas debería ser sintetizada en dirección 3' → 5'.

Este problema lo resolvieron los científicos japoneses Reiji Okazaki y Tsuneko Okazaki en la década de 1960, al descubrir que una de las nuevas cadenas de ADN se sintetiza en forma de trozos cortos que, en su honor, se denominan fragmentos de Okazaki.

Su longitud suele variar entre 1000 y 2000 nucleótidos en las bacterias y entre 100 y 400 nucleótidos en eucariontes.

DNA Polimerasa.

La DNA polimerasa es la enzima que cataliza la síntesis de la nueva cadena de DNA a partir de desoxirribonucleótidos y de la molécula de DNA plantilla o molde que es la que será replicada. La enzima copia la cadena de nucleótidos de forma complementaria (A por T, C por G) para dar a cada célula hija una copia del DNA durante la replicación.

MODO DE OPERACIÓN:

En cada horquilla de replicación, la DNA polimerasa y otras enzimas sintetizan dos nuevas cadenas de DNA que son complementarias respecto a las 2 cadenas originales.

Su longitud suele variar entre 1000 y 2000 nucleótidos en las bacterias y entre 100 y 400 nucleótidos en eucariontes.

Funcion Correctora.

Además de participar en la elongación, desempeñan una función correctora y reparadora gracias a su actividad exonucleasa 3', que les confiere la capacidad de degradar el DNA partiendo de un extremo de éste. Es importante que existan estos mecanismos de corrección ya que de lo contrario los errores producidos durante la copia del DNA darían lugar a mutaciones.

Las fosfodiesterasas o nucleasas son enzimas hidrolasas que    catalizan la ruptura de los enlaces fosfodiéster, como por ejemplo los que se establecen en los ácidos nucleicos entre la pentosa de un nucleótido y el grupo fosfato de otro.

Función correctora exonucleasa 3' → 5' de las DNA polimerasas.

PROCESO GENERAL.

• La helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la doble hélice permitiendo el avance de la horquilla de replicación.
• La topoisomerasa impide que el DNA se enrede debido al super-enrollamiento producido por la separación de la doble hélice.
• Las proteínas SSB se unen la hebra discontinua de DNA, impidiendo que ésta se una consigo misma.
• La DNA polimerasa sintetiza la cadena complementaria de forma continua en la hebra adelantada y de forma discontinua en la hebra rezagada.
• La RNA primasa sintetiza el cebador de RNA necesario para la síntesis de la cadena complementaria a la cadena rezagada.
• La DNA ligasa une los fragmentos de Okazaki.

INICIACIÓN.

Para que pueda formarse la horquilla de replicación es necesario que las dos cadenas se separen para sintetizar el cebador y el DNA de la cadena de nueva síntesis. Para ello el DNA debe desenrollarse y el punto de partida viene determinado por una secuencia específica de nucleótidos conocida como origen de replicación. (Adenina y Timina).

Proteína iniciadora: desnaturalización del DNA y reclutamiento de proteínas. El origen de replicación aparece en naranja.

ELONGACION.

En el siguiente paso, la holoenzima DNA Pol III cataliza la síntesis de las nuevas cadenas añadiendo nucleótidos sobre el molde. Esta síntesis se da bidireccionalmente desde cada origen, con dos horquillas de replicación que avanzan en sentido opuesto. Cuando el avance de dos horquillas adyacentes las lleva a encontrarse, es decir, cuando dos burbujas se tocan, se fusionan, y cuando todas se han fusionado todo el cromosoma ha quedado replicado.

Enzimas que participan en la replicación: helicasa, proteínas SSB, topoisomerasa, RNA primasa, Holoenzima DNA Pol III.

Puesto que la holoenzima ADN Pol III necesita de un extremo 3'-OH libre, es necesario que una RNA primasa catalice la formación de un fragmento corto específico de RNA llamado cebador, que determinará el punto por donde la DNA polimerasa comienza a añadir nucleótidos.

Pero debido a la unidireccionalidad de la actividad polimerasa de la DNA Pol III, que sólo es capaz de sintetizar en sentido 5´ → 3', la replicación sólo puede ser continua en la hebra adelantada; en la hebra rezagada es discontinua, dando lugar a los fragmentos de Okazaki.

Hebra rezagada: síntesis de cebadores, unión de fragmentos de Okazaki y eliminación de los cebadores.

TERMINACIÓN.

El final de la replicación se produce cuando la DNA polimerasa III se encuentra con una secuencia de terminación (secuencia ter). Se produce entonces el desacople de todo el replisoma y la finalización de la replicación.