Replicación del ADN

Preparación y Requisitos Previos para la Replicación

• La replicación se produce durante la fase S (de síntesis) del ciclo celular.
• La duración de estas fases del ciclo celular varía considerablemente en los distintos tipos de células. En el caso de una célula humana típica y con rápida proliferación, un ciclo completo tomará 24 horas: la fase G1 (crecimiento) podría durar unas 11 horas, la fase S unas 8 horas, la G2 (crecimiento y preparación para la mitosis) unas 4 horas y la M (mitosis) una hora.
• El ADN de una célula humana existe mayoritariamente en forma de 46 cromosomas (23 pares = 2n) dentro del núcleo. Una pequeña fracción del total está presente como ADN mitocondrial, que tiene aproximadamente 16 500 pares de bases y contiene 37 genes, todos ellos esenciales para la función mitocondrial normal.

Iniciación

• Orígenes de la replicación: ciertas proteínas reconocen secciones de ADN (ricas en AT) a partir de las cuales puede comenzar la replicación.
  • Los procariotas poseen un único origen de replicación.
  • Los eucariotas tienen múltiples orígenes de replicación. En el ADN humano hay más de 30 000 orígenes de replicación, sin los cuales la fase S duraría unas 40 veces más.
• En los procariotas, una proteína llamada DnaA se une a un origen de replicación. En los eucariotas, esto lo realiza el complejo de reconocimiento del origen, un complejo de unión al ADN de 6 unidades.
• La helicasa dependiente de ATP DnaB (procariotas), desenreda la doble hélice del ADN → separa las 2 hebras para exponer 2 hebras simples.
• Helicasa (en eucariotas):
  • Se mueve en la dirección 5′ → 3′ a lo largo de la molécula de ADN
  • Forma la horquilla de replicación utilizando la energía de la hidrólisis del ATP para romper los enlaces de hidrógeno entre las bases nucleotídicas de las cadenas complementarias, separándolas
  • El síndrome de Bloom es un trastorno de predisposición al cáncer causado por mutaciones en el gen de la helicasa BLM, una de las casi 100 helicasas presentes en el ser humano.
• Proteínas de unión de hebras simples se unen a las hebras simples desenredadas → evitan que se vuelvan a unir entre sí después de haber sido separadas por la helicasa
• A medida que las 2 hebras del ADN molde se desenvuelven:
  • El ADN que se encuentra por delante de la horquilla de replicación se ve obligado a girar en la dirección opuesta.
  • El ADN se retuerce sobre sí mismo sin la presencia de las topoisomerasas:
    • Catalizan la rotura y la unión reversible de las hebras de ADN.
    • Las roturas transitorias producidas por estas enzimas permiten que las dos hebras de ADN giren libremente, una alrededor de la otra → la replicación puede proceder sin causar una tensión de torsión indebida en la plantilla de ADN, lo que podría provocar la rotura de las hebras de ácido nucleico.
    • En los procariotas, los antibióticos derivados de fluoroquinolonas inhiben las topoisomerasas II (ADN girasa) y IV.
    • En eucariotas, los agentes quimioterapéuticos irinotecán y topotecán inhiben la topoisomerasa I, mientras que el etopósido y el tenipósido inhiben la topoisomerasa II.

Elongación

• Un cebador es necesario para la síntesis de las hebras hijas del ADN
  • Es un trozo corto de ARN (8–10 pares de bases)
  • Complemento de la cadena molde
  • Sintetizada por la primasa (una ARN polimerasa dependiente del ADN)
    • En los eucariotas, es una subunidad de la ADN polimerasa alfa
• Síntesis de ADN
  • La replicación se produce de forma continua en la cadena principal y de forma discontinua en la cadena secundaria
• Hebra principal
  • Replicación continúa debido al grupo 3′ OH libre
  • Solo requiere 1 inicio (primer)
• Hebra retardada
  • Replicación discontinua para asegurar siempre un grupo 3′ OH libre para la elongación
  • Forma fragmentos de Okazaki (1 000–2 000 nucleótidos de longitud)
  • Se necesita un cebador para cada segmento de ADN.
• Proceder en dirección 5′ → 3′
• Los pares de bases se añaden al extremo 3′ OH libre de la cadena hija.
• Catalizada por la ADN polimerasa (polimerasa δ en eucariotas y ADN polimerasa III en procariotas)
  • Forma un enlace éster entre el grupo 3′ OH y el α-fosfato del nucleótido
  • Pirofosfato liberado
• Corrección de errores
  • Realizado solo por polimerasas con actividad exonucleasa 3′ → 5′
• Eliminación del cebador (primer)
  • Extirpado en la dirección opuesta de la síntesis (i.e., 5′ → 3′)
  • Procariotas: por la RNasa H y la actividad exonucleasa 5′ → 3′ de la ADN polimerasa I
  • Eucariotas: por la FEN-1 (endonucleasa de aleta-1)
• Llenar los espacios
  • Los espacios son rellenados con desoxinucleótidos complementarios
  • Procariotas: la ADN polimerasa I añade los desoxinucleótidos de uno en uno y luego los corrige
  • Eucariotas: ADN polimerasa δ
• Unir los extremos
  • La ADN ligasa une los extremos libres de las hebras hijas.
  • La reacción implica:
    • Transferencia de AMP al extremo de fosfato 5′.
    • El AMP se escinde y el extremo 5′ fosfato se une al extremo 3′ OH del otro fragmento.
• Después de la duplicación del ADN, hay 46 cromosomas dobles (4n)
  • Tras la anafase, y la citocinesis (de la mitosis) se reduce a 46 cromosomas simples (2n)

Terminación

• Se inicia por la unión de las proteínas de terminación (proteínas ter) a las secuencias de terminación
• Terminación diferente en procariotas (ADN circular) y eucariotas (ADN lineal)
• Cromosomas eucariotas → lineales
  • Habrá una brecha.
• Si durante la replicación el cebador complementario se encuentra en el extremo 5′-OH de la cadena hija, no hay un extremo 3′-OH libre para la ligadura
• El hueco que deja el cebador no se puede rellenar; esto significa que después de cada replicación, falta un pequeño trozo al final del ADN
• De ahí la existencia de una secuencia repetitiva no codificante (GGGTTA) de más de 10 000 pares de bases al final del cromosoma eucariota (telómero)
• Las secuencias codificantes (genes) solo dejan de replicarse completamente después de 30–50 ciclos celulares; esto limita la esperanza de vida de la mayoría de las células somáticas.

Telómeros y Relevancia Clínica

• Telómeros
  • Fragmentos de ADN no codificante en los extremos 3′ de los cromosomas
  • Cada telómero está formado por varios miles de pares de bases (repeticiones en tándem de TTAGGG)
  • Función de un telómero:
    • Previene la pérdida de genes estructurales
    • La hebra rezagada se acorta después de cada ronda de replicación debido a la eliminación del ARN por lo que el ADN se pierde en el telómero y no en la secuencia codificante.
    • Funciona como un reloj celular ya que la célula experimenta la senescencia replicativa o la muerte celular apoptótica cuando la longitud de los telómeros desciende por debajo de un límite crítico. La longitud del ADN determina la duración de la vida de una célula en cultivo.

• Telomerasa
  • Transcriptasa inversa especial que lleva su propia plantilla de ARN
  • Mantiene los telómeros
  • Presente en las células que se dividen rápidamente, en las embrionarias y en las cancerosas
    • La actividad está especialmente potenciada en las células cancerosas, por lo que sus telómeros se mantienen largos y pueden seguir dividiéndose sin tener en cuenta el reloj molecular, incluso si llegan al final de su vida útil normal