Replicacion Celular

1.- Replicación del ADN:

La replicación del ADN es un proceso semiconservativo que es catalizado por la enzima ADN polimerasa.

1.1.- ADN polimerasas:

Las células eucariotas y procariotas poseen diferentes ADN polimerasas con funciones distintas en la replicación y reparación del ADN.

Las células procariotas tienen tres tipos de ADN polimerasa: I, II y III. 

Por otra parte, las eucariotas tienen cinco tipos de ADN polimerasa: α, β, γ, δ, ε.

·         La polimerasa γ se localiza en la mitocondria y lleva a cabo la replicación del ADN mitocondrial.

·         Las otras cuatro se encuentran en el núcleo:

o   Las polimerasas α,  δ y ε participan en la replicación.

o   La polimerasa   β participa principalmente en la reparación del ADN dañado.

Además, todas las ADN polimerasas comparten dos propiedades:

·         Sintetizan el ADN solo en dirección 5’à 3’, añadiendo a la cadena en crecimiento un dNTP al grupo 3’ hidroxilo.

·         Pueden añadir un nuevo desoxirribonucleótido solamente a una hebra con un cebador o iniciador preformado que está unido por puentes de hidrógeno a la hebra molde: no son capaces de iniciar la síntesis de ADN de novo, catalizando la polimerización de los dNTP libres.

1.2.- Horquilla de Replicación:

En los procesos de replicación es posible observar las llamadas horquillas de replicación, que representan las regiones de síntesis activa de ADN. En cada horquilla las hebras parentales se separan y son sintetizadas dos nuevas hebras hijas.

Puesto que las hebras del ADN son antiparalelas, y la ADN polimerasa trabaja en dirección 5’à3’, solamente una hebra se sintetiza de manera continua (hebra conductora), mientras que la otra(hebra tardía) se sintetiza por “pedazos” llamados fragmentos de Okazaki, que posteriormente son unidos entre sí por acción de la ADN ligasa.

Coma ya se mencionó, para que la ADN polimerasa inicie la replicación, requiere de cebadores. Entonces, ¿cómo se inicia la síntesis de los fragmentos de Okazaki? Se realiza gracias a fragmentos de ARN que son sintetizados de novo gracias a  la enzima primasa. Dichos fragmentos actúan como cebadores, que luego son eliminados por la ARNasa H y por la polimerasa I. En este caso, la polimerasa I actúa como una exonucleasa, es decir, permite la hidrólisis de ADN o ARN en dirección 5’à3’ ó 3’à5’, para así eliminar los ribonucleótidos y reempezarlos por desoxirribonucleótidos.

Conocido esto, podemos dar funciones a las diversas polimerasa:

·         ADN polimerasa III: es la más importante en la replicación. Sintetiza la hebra conductora y los fragmentos de Okazaki a partir de los cebadores de ARN.

·         ADN polimerasa I: elimina los iniciadores de ARN y rellena los espacios entre los fragmentos de Okazaki.

·         ADN polimerasa α: está unida a la primasa. Sintetiza fragmentos cortos de ARN-ADN durante la síntesis de la hebra tardía.

·         ADN polimerasa δ: sintetiza la hebra conductora. Puede actuar como la polimerasa I.

Además, existen proteínas accesorias que ayudan a la ADN polimerasa:

·         Proteínas de enganche de carga: se unen al ADN en la zona de unión entre cebador y molde.

·         Proteínas de enganche deslizante: se unen de manera adyacente a las proteínas de enganche de carga a modo de anillo. Luego de liberadas las ADN polimerasas, permiten la síntesis ininterrumpida.

Para resumir, además de las enzimas ADN polimerasa, ADN ligasa y primasa, existen otras dos:

·         Helicasas: catalizan el desenrrollamiento del ADN parental. Las hebras se mantienen abiertas gracias a las proteínas de unión al ADN monocatenario.

·         Topoisomerasa: al abrirse los extremos del ADN por acción de la las helicasas, estos tienden al superenrrollamiento, el que se evita gracias a la acción de las topoisomerasas

1.3.- Fidelidad de la Replicación:

Las ADN polimerasas aumentan la exactitud de la replicación a través de la selección de la base correcta y la doble lectura  del ADN recién sintetizado para la eliminación de bases desapareadas.

1.4.- Orígenes e Iniciación de la Replicación: 

En procariotas y eucariotas la replicación comienza en una secuencia específica de unión a proteína iniciadoras llamada origen de replicación. La proteína iniciadora comienza desenrollando el origen del ADN y recluta a las otras proteínas implicadas en la síntesis del ADN.

En las eucariotas, a diferencia de las procariotas, se requieren múltiples orígenes de replicación.

1.5.- Telómeros y telomerasa: replicación de los extremos de los cromosomas:

La ADN polimerasa extiende los cebadores en dirección 5’à3’, dejando a los extremos 5’ de las moléculas lineales de ADN sin copiar. Por lo tanto, estos extremos (telómeros), se sintetizan en ausencia de una hebra molde de ADN gracias a la enzima telomerasa, que es una transcriptasa inversa (sintetiza ADN a partir de ARN). El molde de ARN es portado por la propia telomerasa y es complementario a las secuencias repetidas de los telómeros.

El ADN telomérico es una secuencia repetida simple con un extremo 3’ suelto en la hebra conductora recién sintetizada (página 190-191). La telomerasa tiene un molde de ARN que es complementario. El extremo suelto del ADN telomérico se une al ARN de la telomerasa, que luego servirá como molde para la extensión de la hebra conductora en una unidad más de repetición. Luego, se elimina los cebadores, dejando un extremo 3’ suelto, que puede formar lazos.

2.- Reparación del ADN:

El ADN es susceptible a mutaciones que pueden derivar en bloqueos de transcripción o traducción. Para revertir los daños hay dos vías:

·         Inversión directa de la reacción química responsable del daño al ADN.

·         Eliminación de las bases dañadas seguida su reposición con ADN recién sintetizado.

2.1.- Inversión directa del ADN dañado:

Se emplea este mecanismo para ciertos daños, entre ellos, para los dímeros de pirimidina (unión de pirimidinas vecinas a través de un anillo de ciclobutano) que resultan de la exposición a la luz ultravioleta y para los residuos de guanina alquilada por la adición de metilos y etilos en la posición O⁶ del anillo de purina. Entre los mecanismos están:

·         Fotorreactivación: revierte los dímeros de pirimidinas. Se utiliza la energía de la luz visible para romper el anillo de ciclobutano. Los humanos carecen de este sistema.

·         Reparación de la metilación: se modifica la base a su forma normal gracias a la enzima O⁶ metilguanina-metiltransferasa, que transfiere el metilo de la base a una de sus cisteínas.

2.2.- Reparación por escisión:

Son los mecanismos más importantes. Aquí, el fragmento de ADN dañado es reconocido y eliminado. El espacio vacío generado se rellena con la síntesis de una nueva hebra de ADN, utilizando la hebra complementaria no dañada como molde. Hay tres tipos de reparación por  escisión:

·         Por escisión de base: se lleva a cabo, entre otros, en la reparación del ADN que contiene uracilo, que pude surgir por dos mecanismos, pero el principal de ellos es por la desaminación de una citosina. La base “anómala” se elimina gracias a la ADN glicosilasa y el espacio vacante se rellena por acción de la ADN polimerasa y la ligasa.

·         Por escisión de nucleótidos: reconoce gran cantidad de bases (ej: dímeros de pirimidina). En el caso de la E. coli, el complejo se denomina escinucleasa y está formado por tres proteínas: UvrA, UvrB y UvrC. La primera reconoce al ADN dañado. Las otras dos cortan al segmento del ADN alterado en los extremos 3’ y 5’ respectivamente. Se elimina el oligonucleótido gracias a una helicasa y el espacio vacío se rellena por la ADN polimerasa I y ligasa. En humanos, una deficiencia de los genes de reparación del ADN pueden causar Xeroderma pigmentoso

·         Reparación no complementaria: debido a una doble lectura, se reconocen las bases no apareadas recién sintetizadas. Se escinde el fragmento erróneo y se reemplaza.

2.3.- Reparación post-replicación:

Los puntos 2.1 y 2.2 son mecanismos de reparación antes de la replicación. Si no funcionan, durante la replicación los errores en el ADN no pueden ser leídos por la ADN polimerasa, dejando un “espacio en blanco” y sigue con su actividad en los sitios que están bien. Este espacio o gap puede ser reparado por una de dos vías:

·         Reparación recombinante: una hebra no está dañada y puede rellenar el espacio opuesto mediante la recombinación entre secuencias homólogas de ADN.

·         Reparación opuesta al error: el espacio opuesto al ADN dañado se rellena con la síntesis de ADN nuevo.