Desarrollo de la Replicacion

Replicación

Cada vez que una célula se divide, su genoma completo debe replicarse, necesitando una compleja maquinaria para copiar las grandes moléculas de DNA.

En la replicación cada una de las cadenas de DNA originales actúa como patrón para la formación de una nueva cadena complementaria, por esto se dice que la replicación es semiconservativa.

 Existe una región concreta de replicación en el DNA, la Horquilla de replicación. Esta es un complejo multienzimático que contiene la DNA polimerasa. Este complejo es el causante de la síntesis del DNA de las dos hebras hijas.

La replicación tiene un sentido bidireccional, el DNA es sintetizado para ambos lados del origen de replicación, como se puede ver en la imagen, creando dos horquillas y una burbuja.  

El proceso de replicación comienza en los orígenes de replicación, este DNA constituye a secuencias cortas que atraen a proteínas iniciadoras y además tramos especialmente fáciles de abrir con muchos pates A-T. Estas proteínas se unen a las dos cadenas de DNA, las separan y rompen los puentes de hidrogeno entre las bases. Los cromosomas eucariotas tienen varios orígenes de replicación mientras que los procariotas solamente cuentan con uno.

El crecimiento de las hebras hijas se da nucleótido a nucleótido (en ambas cadenas) a medida que la horquilla de replicación avanza. Pero existe un pequeño problema, la DNA polimerasa, que es la enzima responsable de sintetizar el DNA, solo puede sintetizar los nucleótidos en sentido 5´ a 3´. Una de las hebras (la continua) que esta en este sentido no va a generar ningún incógnita en su replicación, pero la otra hebra (la atrasada) que tiene un sentido opuesto al de replicación de la DNA polimerasa debe  utilizar otro mecanismo para su síntesis de DNA.

Para comenzar la replicación se necesita otra enzima la DNA Helicasa, que es la responsable de la separación de las hebras de DNA, creando así la horquilla de replicación. Esta hidroliza ATP cuando se une a una molécula de DNA de una sola cadena, permitiendo así hacer trabajos mecánicos, desplazarse con rapidez por una cadena de DNA, cuando encuentra un fragmento de doble hélice lo desenrolla. También existen unas llamadas proteínas de unión al DNA monocatenario, que estabilizan la hebra molde de DNA desenrollada, manteniéndola en un estado extendido.  

Luego de esto la DNA Primasa, utiliza ribonucleótidos trifosfato para sintetizar pequeñas cadenas de RNA sobre la cadena atrasada (cebadores). Estos son útiles ya que la DNA Polimerasa no puede sintetizar “de novo” una cadena de nucleótidos, entonces lo que hace es continuar sintetizando nucleótidos a partir de estos cebadores. Se cree que la razón de que los cebadores sean de RNA no de DNA se debe a que una enzima capas de sintetizar cadenas “de novo” no puede contener un sistema eficiente de autocorrección.

 En la hebra continua (5´ a 3´) solo se necesita un cebador de RNA, luego de esto la DNA polimerasa puede hacer su trabajo y elongár la cadena de nucleótidos continuamente.      

La replicación de la cadena con sentido 3´ a 5´ tiene un mecanismo de crecimiento discontinuo. Para esto es necesario el uso de múltiples cebadores de RNA, estos se posicionan sobre la hebra retrasada en sentido 5´ a 3´ para “engañar” a la DNA polimerasa y así esta pueda comenzar a elongár la cadena, creando un fragmento nuevo llamado Fragmento de Okasaki  (cebador de RNA + cadena de DNA), esta elongación termina cuando la DNA polimerasa se encuentra con otro cebador de RNA. Este proceso se repite múltiples veces.

Luego de esto, cuando ya se logró llegar al final de la hebra molde aparecen otras enzimas que a partir de un gran número de fragmentos de Okasaki crea una hebra continua de DNA. La DNA polimerasa, gracias a su mecanismo de autocorrección, actúa con rapidez eliminando los cebadores de RNA y sustituyéndolos por fragmentos de DNA. Luego de esto otra enzima, la DNA Ligasa, une los extremos 3´ de cada fragmento al extremo 5´ del fragmento anterior, completando el proceso.

La terminación de la replicación se debe a secuencias terminadoras en procariotas.  

A medida que la horquilla se va desplazando genera “problemas de enrollamiento y empaquetamiento”. Para esto se necesita otras enzimas, las Topoisomerasas, estas corrigen el superenrollamiento que realiza la horquilla. La Topoisomerasas I, genera de forma transitoria la ruptura de una sola cadena, permitiendo que dos secciones de hélice de DNA giren libremente. Luego la DNA Ligasa las vuelve a unir. La Topoisomerasas II, introduce rupturas simultáneas en ambas cadenas.            

  Es importante aclara que hay una diferencia entre las polimerasas eucariotas y procariotas. Mientras que las procariotas cuentan unicamente con tres polimerasas, las eucariotas tienen muchas mas.  

La replicación es muy precisa, tiene un error aproximadamente cada 10 9  pares de bases. El elevado grado de fidelidad de esta requiere la existencia de un mecanismo de “coerción de pruebas”.  La DNA polimerasa es muy importante para esto, justo antes de la adición de un nuevo nucleótido a la cadena, el nucleótido correcto tiene más afinidad con la polimerasa que el incorrecto, ya que la pareja de nucleótidos correcta es enérgicamente más favorable que la incorrecta. En aquellos casos que un nucleótido incorrecto allá sido unido a la cadena en crecimiento, error de apareamiento o falta de algún nucleótido en el extremo 3´ no son efectivas ya que la polimerasa no puede elongár esa cadena. Otro importante factor que minimiza el error en la replicación es la sustitución de los cebadores de DNA por RNA, ya que el error en la síntesis de ARN es mucho mayor que en la síntesis de DNA. Se cree que esto se debe a que el RNA no debe ser tan preciso como en DNA, ya que no necesita ser conservado por generaciones como si lo necesita el DNA.  

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