Replicacin de ADN

Replicacin de ADN. La doble hlice es desenrrollada y cada hebra hace de plantilla para la sntesis de la nueva cadena. El ADN polimerasa aade los nucletidos complementarios a los de la cadena original.El proceso dereplicacin deADNes el mecanismo que permite al ADN duplicarse (es decir, sintetizar una copia idntica). De esta manera de una molcula de ADN nica, se obtienen dos o ms "rplicas" de la primera. Esta duplicacin del material gentico se produce de acuerdo con un mecanismosemiconservador, lo que indica que las dos cadenas complementarias del ADN original, al separarse, sirven de molde cada una para la sntesis de una nueva cadena complementaria de la cadena molde, de forma que cada nuevadoble hlicecontiene una de las cadenas del ADN original. Gracias a la complementacin entre lasbasesque forman la secuencia de cada una de las cadenas, el ADN tiene la importante propiedad de reproducirse idnticamente, lo que permite que la informacin gentica se transmita de unaclulamadre a lasclulashijas y es la base de laherenciadel material gentico.Lamolculade ADN se abre como una cremallera por ruptura de lospuentes de hidrgenoentre lasbasescomplementarias puntos determinados: losorgenes de replicacin. Lasprotenasiniciadoras reconocensecuenciasde nucletidos especficas en esos puntos y facilitan la fijacin de otrasprotenasque permitirn la separacin de las dos hebras de ADN formndose unahorquilla de replicacin. Un gran nmero deenzimasyprotenasintervienen en el mecanismo molecular de la replicacin, formando el llamado complejo de replicacin oreplisoma. Estasprotenasyenzimasson homlogas eneucariotasyarqueas, pero difieren enbacterias.ndice[ocultar] 1Caractersticas generales del ADN 2Semiconservadora 3Secuencial y bidireccional desde puntos fijos 3.1El origen de replicacin 3.2Secuencialidad 3.3La replicacin avanza en forma de horquilla 3.4Bidireccionalidad 4Semidiscontinua 5ADN Polimerasas 6Modo de operacin 7Proceso general 7.1Iniciacin 7.2Elongacin 7.3Terminacin (de los genomas lineales) 8Vase tambin 9Notas 10Referencias 11Bibliografa 12Enlaces externosCaractersticas generales del ADN[editar] Es una cadena molecular, quiere decir que es una sustancia constituida por distintos tipos de molculas sencillas ligadas entre s para as ir formando cadenas. Es bastante largo y extremadamente delgado. Si aumentramos cien veces el tamao del ncleo celular alcanzara el tamao de la punta de un alfiler, mientras que el ADN plegado en ese mismo ncleo alcanzara la longitud de un campo de ftbol. Hay cuatro tipos de eslabones, esos son las molculas denominadas nucletidos en la cadena. Sus nombres son: cido adenlico (adenina), cido guanlico (guanina), cido citidlico (citosina) y cido timidlico (timina) y las abreviaturas, A, G, C, T, para cada una.Semiconservadora[editar]

Tres posibles modelos de replicacin. a) Conservadora, b) Dispersora, c) Semiconservadora (mecanismo real).En cada una de las molculas hijas se conserva una de las cadenas originales, y por eso se dice que la replicacin delADNes semi conservadora. Hasta que finalmente se pudo demostrar que la replicacin es semiconservadora, se consideraron tres posibles modelos para el mecanismo de la replicacin: Semiconservadora (modelo correcto). En cada una de las molculas hijas se conserva una de las cadenas originales. Conservadora. Se sintetiza una molcula totalmente nueva, copia de la original. Dispersora, o dispersante. Las cadenas hijas constan de fragmentos de la cadena antigua y fragmentos de la nueva.

Experimento de Meselson y Stahl.Elexperimento deMeselsonyStahlen 1958 permiti demostrar que el mecanismo real se ajusta a la hiptesis de replicacin semiconservadora. Para ello se hicieron crecer clulas deEscherichia colien presencia denitrgeno-15, unistopodelnitrgenoms pesado de lo habitual. En consecuencia, el istopo se incorpor a las cadenas de ADN que se iban sintetizando, hacindolas ms pesadas.Una vez conseguido el primer objetivo, las clulas fueron transferidas a un medio que contenanitrgeno-14, es decir, un medio ms ligero, donde continuaron su crecimiento (divisin celular, que requiere la replicacin del ADN). Se purific el ADN y se analiz mediante unacentrifugacinen gradiente decloruro de cesio, en donde hay msdensidaden el fondo deltuboque en la parte media del mismo.En la primera generacin (figura 2.b) se obtuvo una nica banda de ADN con densidad intermedia. En la segunda generacin (figura 2.c) se obtuvieron dos bandas, una con densidad ligera y otra con densidad intermedia o hbrida. En la tercera generacin se obtuvieron dos bandas, una ligera (con una abundancia del 75%) y otra intermedia (con el 25% restante).La banda intermedia o hbrida representa una molcula de ADN que contiene una cadena pesada (original) y otra ligera (recin sintetizada). Las cadenas ligeras representan una molcula de ADN en la que las dos cadenas han sido sintetizadas (no existan an cuando las clulas se pusieron en presencia denitrgeno-15).El hecho de que cada vez haya ms molculas ligeras y se mantenga el nmero de molculas intermedias demuestra que la replicacin del ADN es semiconservadora. Si fuera conservadora, aparecera siempre una banda pesada y el resto ligeras (figuras 1.a, 1.b, 1.c) . Si fuera dispersante slo apareceran bandas hbridas de densidad intermedia en todas las generaciones.1Secuencial y bidireccional desde puntos fijos[editar]Losorgenes de replicacinson los puntos fijos a partir de los cuales se lleva cabo la replicacin, que avanza de forma secuencial formando estructuras con forma dehorquilla. Por otro lado, la replicacin se lleva a cabo bidireccionalmente, es decir, a partir de cada origen se sintetizan las dos cadenas en ambos sentidos.El origen de replicacin[editar]La cantidad de ADN que se puede sintetizar a partir de un nico origen de replicacin se denominareplicno unidad funcional de replicacin. Elgenomabacteriano es un replicn nico circular. Enorganismos eucariticos, la replicacin del ADN se inicia en mltiples orgenes a la vez (hay uno cada 20kbaproximadamente), es decir, hay varios replicones.2

En las clulaseucariotashay variosreplicones.

Experimento de Cairns.Los experimentos realizados porCairns(1963) conbacteriasEscherichia colipermitieron determinar la existencia de ese punto fijo u origen de replicacin a partir del cual el genoma empezaba a replicarse. Los experimentos consistan en mantener un cultivo deE. colicreciendo en un medio que contenatimidinatritiada (timinamarcada contritio), de forma que el ADN quedara marcado radiactivamente pudiendo efectuarse una autorradiografa. A continuacin se observaba almicroscopio. Los resultados indicaban que la replicacin enE. colise iniciaba en un punto concreto (OriC).3Secuencialidad[editar]SueokayYoshikawa(1963) realizaron estudios genticos de complementacin demutacionesque permitieron determinar que desde losorgenesla replicacin avanza de forma secuencial. Trabajaron conBacillus subtilisporque era posible obtener cultivos sincronizados de forma que todas lasclulasdel cultivo estuvieran en la misma fase delciclo celular. El mtodo consista en laconjugacin bacterianade cepas silvestres con cepas mutantes incapaces de sintetizar determinadosaminocidos. Conociendo la localizacin de losgenesque codifican las protenas implicadas en la sntesis de los diferentes aminocidos en el cromosoma bacteriano, y haciendo crecer las bacterias receptoras en un "medio mnimo" (donde slo pudiesen crecer las que hubieran recibido alguno de estos genes), al extraer ADN a diferentes tiempos se observ que, tras la ltima extraccin apareca con mayor frecuencia el gen implicado en la sntesis de uno de losaminocidos(el correspondiente a la "posicin 1"), que el gen adyacente implicado en la sntesis de otro aminocido ("posicin 2"). De la misma forma, el gen que ocupaba la "posicin 3" apareca con menor frecuencia que el que ocupaba la "posicin 2", y as sucesivamente.Como los primeros genes en replicarse en la bacteria donadora seran los primeros en transferirse, el experimento permiti demostrar, a partir de las frecuencias relativas de los diferentes genes en las bacterias receptoras, que la replicacin sigue un orden (es secuencial).La replicacin avanza en forma de horquilla[editar]Debido a que en laclulaambas cadenas de la doble hlice de ADN se duplican al mismo tiempo, stas deben separarse para que cada una de ellas sirva de molde para la sntesis de una nueva cadena. Por eso, la replicacin avanza con una estructura en forma dehorquillaformndose una burbuja u ojo de replicacin (tambin llamada estructura cuando el ADN es circular debido a la similaridad entre la letra griega y la forma que adopta el cromosoma bacteriano en estados intermedios de replicacin, no obstante pudiendo aparecer estructuras alternativas),3que avanza en direccin a la regin de ADN no duplicado dejando atrs los dos moldes de ADN de cadena simple donde se est produciendo la replicacin.2Bidireccionalidad[editar]El movimiento de lahorquillaes bidireccional en la mayora de los casos, es decir, a partir de un punto se sintetizan las dos cadenas en ambos sentidos. Esto ocurre en la mayora de los organismos, pero se dan excepciones en algunosprocariontesdebido a que los mecanismos de replicacin que tienen lugar dependen de la propia estructura de su material hereditario (si el ADN es circular, lineal, bicatenario o monocatenario).3As, en casos particulares como elADN mitocondrial, algunosplsmidosy algunos genomas monocatenarios defagospequeos, la replicacin se da unidireccionalmente pudiendo haber uno o dos orgenes de replicacin.

Distincin entre la replicacin unidireccional y la bidireccional mediante el recuento de copias degenes marcadores. O es elorigen de replicaciny A, B, C, D, E son genes marcadores.

En la mayora de los casos la replicacin es bidireccional.No obstante, la replicacin se puede considerar, de forma general, bidireccional.La evidencia experimental del crecimiento bidireccional de la hebra de ADN viene dada por una tcnica basada en el marcajeradiactivodel ADN usandotimidinamarcada contritio. Primero se aade timidina sin marcar y luego marcada con tritio; siguiendo el rastro de tritio se observa hacia dnde se ha replicado la molcula de ADN.3Tambin se puede, mediante el recuento de copias degenes marcadores, determinar si la replicacin es unidireccional o bidireccional. Otras tcnicas se basan en medir la distancia desde los ojos de replicacin hasta los extremos de un ADN lineal (o circular convertido en lineal medianteenzimas de restriccin).Semidiscontinua[editar]

La replicacin es semidiscontnua.La replicacin siempre se produce en sentido 5' 3', siendo el extremo 3'-OH libre el punto a partir del cual se produce la elongacin del ADN. Esto plantea un problema, y es que las cadenas tienen que crecer simultneamente 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 debera ser sintetizada en direccin 3' 5'.Este problema lo resolvieron los cientficos japonesesReiji OkazakiyTsuneko Okazakien la dcada de 1960, al descubrir que una de las nuevas cadenas de ADN se sintetiza en forma de trozos cortos que, en su honor, se denominanfragmentos de Okazaki. Su longitud suele variar entre 1000 y 2000nucletidosen lasbacteriasy entre 100 y 400 nucletidos eneucariontes.La cadena que se sintetiza en el mismo sentido que avanza lahorquilla de replicacinse denomina hebra adelantada (en ingls,leading strand, que a veces se traduce por lder o conductora) y se sintetiza de forma continua por laADN polimerasa, mientras que la que se sintetiza en sentido contrario al avance se denomina hebra rezagada o retrasada (en ingls,lagging strand), cuya sntesis se realiza de forma discontinua teniendo que esperar a que la horquilla de replicacin avance para disponer de una cierta longitud de ADN molde.2ADN Polimerasas[editar]Artculo principal:ADN polimerasaEste artculo o seccin necesitareferenciasque aparezcan en unapublicacin acreditada, como revistas especializadas, monografas, prensa diaria o pginas de Internetfidedignas. Este aviso fue puesto el 14 de julio de 2009.Puedesaadirlaso avisaral autor principal del artculoen su pgina de discusin pegando:{{subst:Aviso referencias|Replicacin de ADN}} ~~~~

Estructura en 3D de un ADN polimerasa.LaADN polimerasaes laenzimaque cataliza la sntesis de la nueva cadena deADNa partir dedesoxirribonucletidosy de lamolculade ADN plantilla o molde que es la que ser replicada. La enzima copia la cadena de nucletidos de forma complementaria (AporT,CporG) para dar a cada clula hija una copia del ADN durante la replicacin.Modo de operacin[editar]En cada horquilla de replicacin, la ADN polimerasa y otras enzimas sintetizan dos nuevas cadenas de ADN que son complementarias respecto a las 2 cadenas originales. Durante este proceso, la ADN polimerasa reconoce una base nucleotdica no apareada de la cadena original y la combina con un nucletido libre que tiene la base complementaria correcta. Luego, la ADN polimerasa cataliza la formacin de nuevos enlaces covalentes que ligan el fosfato del nucletido libre entrante con el azcar del nucletido previamente agregado en la cadena hija en crecimiento. De esta forma, la ADN polimerasa sintetiza el esqueleto de azcar-fosfato de la cadena hija.

Funcin correctoraexonucleasa3' 5' de lasADN polimerasas.Las ADN polimerasas tambin realizan otras funciones durante el proceso de replicacin. Adems de participar en laelongacin, desempean una funcin correctora y reparadora gracias a su actividadexonucleasa3', que les confiere la capacidad de degradar el ADN partiendo de un extremo de ste. Es importante que existan estos mecanismos de correccin ya que de lo contrario los errores producidos durante la copia del ADN daran lugar amutaciones.Proceso general[editar]

Lahelicasarompe los puentes de hidrgeno de la doble hlice permitiendo el avance de la horquilla de replicacin. Latopoisomerasaimpide que el ADN se enrede debido al superenrollamiento producido por la separacin de la doble hlice. Lasprotenas SSBse unen a la hebra discontnua de ADN, impidiendo que sta se una consigo misma. LaADN polimerasasintetiza la cadena complementaria de forma continua en la hebra adelantada y de forma discontnua en la hebra rezagada. LaARN primasasintetiza el cebador de ARN necesario para la sntesis de la cadena complementaria a la cadena rezagada. LaADN ligasaune los fragmentos de Okazaki.El proceso se puede dividir en 3 fases:iniciacin,elongacinyterminacin. Elcebador: son pequeas unidades de ARN que se unen a los fragmentos para que la ADN polimerasa reconozca donde debe unirse.Los cebadores los quita la pol. I y coloca bases a la cadena en crecimiento por la ligasa.Iniciacin[editar]Mediante consumo deATPen direccin a la horquilla de replicacin, es decir, en direccin 5' 3' en la hebra rezagada y 3' 5' en la hebra adelantada,la helicasa acta rompiendo lospuentes de hidrgenoque mantienen unida ladoble hlice.3El siguiente conjunto de protenas reclutadas son las denominadasprotenas SSBnota 1encargadas de la estabilizacin del ADN monocatenario generado por la accin de las helicasas, impidiendo as que el ADN se renaturalice o forme de nuevo la doble hlice, de manera que pueda servir de molde. Estas protenas se unen de forma cooperativa, por lo que su unin al DNA conforme avanza la helicasa es rpida. Por otro lado, conforme las helicasas van avanzando se van generandosuperenrollamientosen la doble cadena de ADN por delante de la horquilla y si stos no fueran eliminados, llegado a un punto el replisoma ya no podra seguir avanzando. Lastopoisomerasasson las enzimas encargadas de eliminar los superenrollamientos cortando una o las dos cadenas de ADN y pasndolas a travs de la rotura realizada, sellando a continuacin la brecha.2Elongacin[editar]

Enzimasque participan en la replicacin deE. coli:helicasa,protenasSSB,topoisomerasa,ARN primasa, HoloenzimaADN Pol III.En el siguiente paso, la holoenzimaADN Pol IIIcataliza la sntesis de las nuevas cadenas aadiendonucletidossobre el molde. Esta sntesis se da bidireccionalmente desde cada origen, con doshorquillas de replicacinque 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.Puesto que la holoenzima ADN Pol III necesita de un extremo 3'-OH libre, es necesario que unaARN primasacatalice la formacin de un fragmento corto especfico deARNllamadocebador, que determinar el punto por donde laADN polimerasacomienza a aadir nucletidos. As, durante la sntesis, en cada horquilla de replicacin se van formando dos copias nuevas a partir del cebador sintetizado en cada una de las dos hebras deADNque se separaron en la fase de iniciacin, pero debido a la unidireccionalidad de la actividadpolimerasade la ADN Pol III, que slo es capaz de sintetizar en sentido 5 3', la replicacin slo puede ser continua en la hebra adelantada; en la hebra rezagada es discontinua, dando lugar a losfragmentos de Okazaki.La mitad deldmerode la holoenzima ADN Pol III sintetiza la hebra adelantada y la otra mitad la hebra rezagada.3La elongacion de la hebra rezagada ocurre por medio delmodelo del trombn.

Hebra rezagada: sntesis decebadores, unin defragmentos de Okazakiy eliminacin de los cebadores

Enzimasque participan en la eliminacin decebadoresy unin de losfragmentos de Okazaki. ElcebadordeARNest pintado en azul y el ADN que lo reemplaza en naranja.En la hebra rezagada, cuando laADN Pol IIIhace contacto con el extremo de otrofragmento de Okazakicontiguo, elcebadordeARNde ste es eliminado y los dos fragmentos de Okazaki de ADN recin sintetizado son unidos. Una vez se han juntado todos se completa ladoble hlicede ADN. La eliminacin de cebadores tambin se da en la hebra conductora, de sntesis continua, pero debido a que en sta hay un solo cebador es un proceso que slo tiene lugar una vez, mientras que en la hebra rezagada se dar tantas veces como fragmentos de Okazaki haya.En la eliminacin del cebador (tambin denominado iniciador oprimer) intervienen dos enzimas: por un lado laADN Pol I, que va eliminando el ARN con su actividad exonucleasa 5' 3' y simultneamente rellenando con ADN mediante su actividad polimerasa 5' 3' (proceso denominadonick-traslation). Al final queda rotura (o "mella") entre el extremo 3'-OH libre y el fosfato 5' de la cadena sintetizada; por ltimo, laADN ligasasella esa rotura catalizando la reaccin de condensacin entre el grupo fosfato y el OH de ladesoxirribosadelnucletidocontiguo, completando elenlace fosfodister; para ello, es preciso hidrolizar una molcula deATP.2Nota:diversos autores difieren en los enzimas implicados en esta etapa. Para algunos no es la propia ADN Pol I la que rellena el hueco tras eliminar elprimer, sino que lo hace la ADN Pol III (la misma que polimeriza el resto de la cadena). Del mismo modo, algunos autores siguen empleando el trminoribonucleasao (RNasa) para referirse a la ADN Pol I en esta etapa, ya que hasta hace poco se desconoca que la propia ADN Pol I tena la capacidad exonucleasa 5' 3, y se pensaba que esto lo realizaba otro enzima, que reciba este nombre genrico.Terminacin (de los genomas lineales)[editar]El final de la replicacin se produce cuando la ADN polimerasa III se encuentra con una secuencia de terminacin. Se produce entonces el desacople de todo el replisoma y la finalizacin de la replicacin.Vase tambin[editar] Ciclo celular Mitosis Punto de control Dogma central de la biologa molecularNotas[editar]1. Volver arribaProtenas SSB siglas de su nombre en inglssingle-stranded DNA binding proteins, protenas ligantes de ADN monocatenarioReferencias[editar]1. Volver arribaWatson, J. D.; Baker, T. A.; Bell, S. P.; Gann, A.; Levine, M. et Losick, R (2006). 2. Los cidos nucleicos transmiten informacin gentica.Biologa Molecular del Gen (5.ed.). Madrid: Mdica Panamericana.84-7903-505-6.2. Saltar a:abcdeWatson, J. D.; Baker, T. A.; Bell, S. P.; Gann, A.; Levine, M. et Losick, R (2006). 8. La duplicacin del DNA.Biologa Molecular del Gen (5 Ed.). Madrid: Mdica Panamericana.84-7903-505-6.3. Saltar a:abcdefCsar Benito Jimnez, Profesor Titular de Gentica, Departamento de Gen