Replicación del ADN. Guía para 4º Medio, plan común
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La guía de Prof. Gustavo Toledo detalla el proceso de replicación del ADN, resaltando su naturaleza semiconservativa y la función de diversas proteínas como helicasa, ADN polimerasa y ligasa. Describe cómo se sintetizan las dos hebras de ADN: la hebra adelantada de manera continua y la hebra retrasada de manera discontinua mediante fragmentos de Okazaki. También se explica el rol crucial de los cebadores de ARN y las enzimas involucradas en la eliminación y unión de fragmentos para completar la replicación.
Replicación del ADN. Guía para 4º Medio, plan común
- 1. San Fernando College Prof. Gustavo Toledo Guía creada para los 4°s medios del 2011 REPLICACIÓN DEL DNA La replicación del ADN es el proceso por el cual la totalidad de una doble cadena de ADN se copia para producir una segunda, que es idéntica a la original. Los objetivos de este ejercicio son los siguientes: Comprender las funciones de las proteínas responsables de la replicación del ADN, incluidas la helicasa, Las proteínas SSB, la primasa, la abrazadera deslizante del ADN polimerasa (sliding clamp), la ADN polimerasa, la RNasa H y la ADN ligasa. Comprender por qué la hebra adelantada se sintetiza continuamente y la hebra retrasada se sintetiza discontinuamente. LA FÁBRICA DE REPLICACIÓN La replicación del ADN es un intrincado proceso que requiere la acción concertada de muchas proteínas diferentes. Las proteínas de replicación se agrupan en determinados lugares de la célula y pueden ser consideradas como una pequeña "fábrica de replicación" que manufactura copias de ADN. El ADN que se va a copiar es incorporado a la fábrica, como la cinta (ADN) de una película que pasa a través de un proyector (enzimas). La doble hélice de ADN entrante se divide en dos hebras y cada una de las hebras simples originales se convierte en la mitad de una nueva doble hélice de ADN. Debido a que cada doble hélice de ADN resultante conserva una hebra del ADN original, se dice que la replicación del ADN es semiconservativa. La replicación del ADN requiere de una variedad de proteínas. Cada proteína ejecuta una función específica en la producción de una nueva hebra de ADN. La Helicasa, hecha de seis proteínas dispuestas en forma de anillo, abre la doble hélice del ADN en dos hebras individuales. Las proteínas de unión al ADN monocatenario (Single-strand binding proteins, o SSBs,) son tetrámeros que forman una cubierta proteica en la hebra simple de ADN. Esto previene que las hebras vuelvan a unirse para formar un ADN de doble hélice. La Primasa es una ARN polimerasa que sintetiza los pequeños fragmentos de ARN, denominados cebadores (primers) necesarios para iniciar el proceso de replicación de la hebra. La ADN polimerasa es una enzima que agrega nucleótidos para formar una hebra de ADN. La abrazadera deslizante (sliding clamp) es una proteína accesoria que ayuda a mantener a la ADN polimerasa en la hebra de ADN durante la replicación. La RNAsa H remueve los cebadores de ARN que previamente empezaron la síntesis de la hebra de ADN. La ADN ligasa une los cortos fragmentos de ADN para crear una larga y continua hebra de ADN. SEPARACIÓN DE LAS HEBRAS Veamos los pasos de la replicación del ADN en más detalle. Para empezar el proceso de la replicación del ADN, las dos hebras de la doble hélice se desenrollan y son separadas entre sí por la enzima helicasa. El punto donde el ADN es separado en dos hebras monocatenarias y donde nuevos ADN serán sintetizados, se conoce como horquilla de replicación. Las proteínas de unión al ADN monocatenario, o SSBs, cubren rápidamente a las nuevas hebras monocatenarias expuestas. Las SSBs mantienen separadas las dos hebras durante la replicación del ADN. Sin las SSBs, las hebras de ADN complementario podrían fácilmente volver a unirse. Las SSBs se unen débilmente al ADN y son desplazadas cuando las enzimas polimerasas comienzan la síntesis de las nuevas hebras de ADN. SÍNTESIS DE NUEVAS HEBRAS Ahora que están separadas, las dos hebras simples de ADN pueden actuar como moldes para la producción de dos nuevas hebras de ADN complementarias. Recuerde que la doble hélice consta de dos hebras antiparalelas de ADN complementarias con hebras dispuestas en direcciones opuestas (5’-3’). Las enzimas polimerasas sólo pueden sintetizar hebras de ácidos nucleídos en dirección 5 'a 3', uniendo el grupo fosfato 5' de un nucleótido entrante en el grupo Hidroxilo 3' al final de la cadena creciente de ácido nucleico. Debido a que la cadena crece, por extensión, del grupo hidroxilo 3', la hebra de síntesis se dice que procederá en una dirección 5' a 3'. Incluso cuando las hebras se separan, la DNA polimerasa no puede empezar a copiar el ADN. La ADN polimerasa sólo puede extender una cadena de ácido nucleico, pero no puede comenzar una desde cero. Para dar a la ADN polimerasa un lugar para empezar la replicación, una RNA polimerasa llamada primasa, primero copia un corto tramo de la hebra de ADN. Esto crea un segmento de ARN complementario, de hasta 60 nucleótidos de longitud que es llamado cebador. Ahora, la DNA polimerasa puede copiar la hebra de ADN. La ADN polimerasa comienza en el extremo 3' del ARN cebador y, utilizando la hebra del ADN original, empieza a sintetizar una nueva hebra de ADN complementaria. Se
- 2. San Fernando College Prof. Gustavo Toledo Guía creada para los 4°s medios del 2011 requieren dos enzimas polimerasas, una para cada hebra de ADN parental. Debido a la naturaleza antiparalela de las hebras de ADN, las enzimas polimerasa en las dos hebras comienzan a moverse en direcciones opuestas. Una Polimerasa puede permanecer en su ADN molde y copiarlo en forma continua. A esta hebra se le denomina Hebra adelantada. Sin embargo, la otra polimerasa replicará la hebra en forma discontinua, ya que se requiere de la síntesis de un nuevo cebador. Esta Hebra molde recibe el nombre de hebra retrasada y dará origen a los fragmentos de Okazaki. Se utiliza una sola enzima DNA polimerasa para replicar la hebra retrasada completa, en vez de desprenderse del DNA al terminar un fragmento de Okazaki y ser reemplazada por otra nueva. La polimerasa está forzada en repetidas ocasiones a liberar el ADN para que se deslice “río arriba” y comenzar la ampliación de otro ARN cebador. La abrazadera deslizante de la ADN polimerasa ayuda a mantener a esta ADN polimerasa sobre la hebra de ADN a medida que se mueve a través de la maquinaria de replicación. Esta enzima permite que la polimerasa sea progresiva. LA HEBRA RETRASADA Antes de que la hebra de ADN retrasada abandone la fábrica de replicación, deben ser removidos sus ARN cebadores y, además, los fragmentos de Okazaki deben ser unidos para crear una línea continua de ADN. El primer paso es la eliminación de los ARN cebadores. La RNasa H, la cual reconoce a la hélice híbrida ARN-ADN, degrada el ARN hidrolizando su enlace fosfodiéster. Luego, el espacio creado por la RNAsa H es rellenado por la ADN polimerasa, la cual extiende el extremo 3 ' del fragmento de Okazaki vecino. Por último, los fragmentos de Okazaki son unidos por la DNA ligasa que unen el extremo 3' de un fragmento al grupo fosfato 5' del fragmento vecino en una reacción dependiente de ATP. REPLICACIÓN EN ACCIÓN Ahora estamos listos para revisar los pasos de la replicación 1. El proceso comienza cuando la enzima helicasa desenrolla la doble hélice para exponer las dos hebras individuales de ADN y la creación de horquillas de replicación. La replicación del ADN se lleva a cabo simultáneamente en cada horquilla. El mecanismo de replicación es idéntico en cada horquilla. Recuerde que las proteínas que participan en la replicación forman clusters y están ancladas en la célula. Por lo tanto, las proteínas de la replicación no viajan a lo largo del ADN. Por el contrario, la hélice de ADN se mueve a través de una fábrica de replicación estacionaria como la cinta de un film se mueve a través de un proyector. 2. Las proteínas de unión al ADN monocatenario (Single-strand binding proteins, o SSBs), cubren las hebras simples de ADN para evitar que ambas hebras vuelvan a unirse por puentes de H. Las proteínas SSBs son fácilmente desplazadas por la ADN polimerasa. 3. La enzima Primasa utiliza la secuencia del ADN original como un molde para sintetizar un corto ARN Cebador (Oligonucleótido de 5 a 10 nucleótidos de longitud cuyo 3’-OH utiliza la ADN-polimerasa como punto de partida para la síntesis de ADN). Los Cebadores son necesarios porque la ADN polimerasa sólo puede extender una cadena de nucleótidos, no iniciar una. 4. ADN polimerasa comienza a sintetizar una nueva hebra de ADN extendiéndola desde el ARN cebador en dirección 5 'a 3'. Cada uno de las hebras de ADN padres es copiada por una ADN polimerasa. Recuerde, ambas hebras moldes se mueven en la misma dirección a través de la fábrica de replicación y la ADN polimerasa sólo puede sintetizar ADN desde el extremo 5' hacia el extremo 3'. Debido a estos dos factores, una de las hebras de ADN debe ser fabricada discontinuamente, en piezas cortas, que posteriormente se unirán. 5. A medida que la replicación continúa, RNasa H (Enzima que cataliza específicamente la ruptura endonucleolítica de un enlace fosfodiéster entre dos ribonucleótidos de una doble hélice híbrida de ADN y ARN) reconoce los ARN cebadores, unidos al ADN molde, y los elimina hidrolizando el ARN. 6. Luego, la ADN polimerasa puede llenar el espacio dejado por la RNasa H. 7. El proceso de la replicación del ADN es completado cuando la enzima ligasa une las cortas pedazos formándose una hebra continua.