Replicación del ADN: la cadena principal y las actividades de la ADN polimerasa
Revisión de la ADN polimerasa
Hasta ahora, en nuestras discusiones sobre la replicación del ADN, hemos hablado de un puñado de enzimas que nos ayudan a cambiar y mover partes de las moléculas de ADN. Una de las enzimas más importantes aquí es la ADN polimerasa . Esta enzima es la que lleva los nucleótidos individuales al lado de la replicación. La ADN polimerasa construye la hebra hija emparejando nuevos nucleótidos con sus bases complementarias en la hebra madre.
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Cuando los científicos comenzaron a estudiar cómo funciona la ADN polimerasa, asumieron que siempre agregaba nucleótidos de manera continua. Es decir, pensaban que la enzima siempre seguía justo detrás de la bifurcación de replicación, depositando nucleótidos tan pronto como las hebras parentales estaban expuestas. Pero en la década de 1960, un biólogo molecular llamado Reiji Okazaki desafió ese punto de vista. Él y sus colegas habían comenzado a pensar que la acción de la ADN polimerasa no siempre era continua. Sus ideas surgieron de una combinación de descubrimientos que habían hecho en el laboratorio y un conocimiento profundo de la estructura del ADN.
Okazaki y los problemas antiparalelos
Okazaki entendía la molécula de ADN y sabía que las cadenas principales del ADN corren en direcciones opuestas. Recuerde que las hebras de una molécula de ADN están orientadas de forma antiparalela entre sí. Puede pensar en las dos hebras como flechas, con la punta de la flecha de una hebra coincidente con la cola de la otra hebra. Los científicos nombran los extremos de las hebras de ADN de acuerdo con los carbonos del anillo de azúcar. Un extremo se llama extremo 3 ‘y el otro extremo 5’. Entonces, en cualquier molécula completa de ADN, una hebra correrá de 3 ‘a 5’, y la otra correrá de 5 ‘a 3’.
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Okazaki y sus colegas sabían que algo andaba mal. Recuerde, las enzimas pueden ser exigentes con la forma en que hacen su trabajo. Entonces, para una de las hebras parentales de ADN, la replicación ocurre como siempre pensamos, con la ADN polimerasa trabajando continuamente para agregar nucleótidos. Pero parece mala suerte para la otra hebra, que corre en la dirección de 5 ‘a 3’. Si la ADN polimerasa no puede replicarse de esa manera, ¿cómo se replica también la otra hebra parental?
Hebra principal y hebra rezagada
Antes de continuar, debemos darle un nombre a cada uno de los dos hilos de los que estamos hablando. La primera se llama hebra principal . Esta es la cadena madre de ADN que corre en la dirección de 3 ‘a 5’ hacia la bifurcación, y puede ser replicada continuamente por la ADN polimerasa. La otra hebra se llama hebra rezagada . Esta es la hebra principal que corre en la dirección de 5 ‘a 3’ hacia la bifurcación, y se replica de forma discontinua. Ahora hablemos de la diferencia entre la replicación continua y discontinua.
Cuando la helicasa de ADN abre la bifurcación de replicación, el resultado son dos hebras parentales que están expuestas y esperando que se agreguen nuevos nucleótidos. El extremo libre de la hebra principal es un extremo de 3 ‘y el extremo más cercano a la horquilla de replicación es el extremo de 5’. Por lo tanto, la ADN polimerasa puede comenzar simplemente en el extremo libre, trabajando en la dirección de 3 ‘a 5’, y correr continuamente hacia la horquilla de replicación.
A medida que la ADN polimerasa hace su trabajo, la ADN helicasa sigue avanzando en la línea, abriendo cada vez más la horquilla de replicación. Entonces, las dos enzimas funcionan en sincronía entre sí. Cuantas más divisiones de ADN helicasa abren la bifurcación, más ADN polimerasa sigue agregando nucleótidos hijos. Esto es lo que significa que la replicación del ADN funcione de manera continua. Pero esto solo ocurre en la cadena principal.
Ahora veamos la hebra rezagada. Cuando la horquilla de replicación está abierta, su extremo de 3 ‘se encuentra en la base de la horquilla y el extremo de 5’ se encuentra en el extremo opuesto. Con esta orientación, la ADN polimerasa no tiene problemas para moverse hacia la base de la horquilla y replicarse directamente hacia el extremo 5 ‘. El problema surge cuando la ADN helicasa avanza, exponiendo aún más hebras rezagadas frente al punto en el que la ADN polimerasa comenzó a hacer su trabajo. La ADN polimerasa no puede retroceder y llenar ese lugar. Solo funciona en la dirección de 3 ‘a 5’. Entonces, en este punto, básicamente se salió de pista.
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Fragmentos de Okazaki
Aquí es donde entra en escena Reiji Okazaki . Él planteó la hipótesis de que en esta situación, la ADN polimerasa dejaría su trabajo una vez que se quedara sin espacio y luego volviera a la base de la horquilla, es decir, la nueva base de la horquilla, ahora que se abrió un poco más. y luego comenzaría de nuevo desde allí, hasta llegar al punto donde había comenzado la primera vez.
De esta manera, la ADN polimerasa podría replicar la cadena rezagada de la molécula de ADN, simplemente haciendo pequeñas longitudes a la vez. Okazaki y sus colegas trabajaron con la bacteria E. coli para averiguar si esta hipótesis era correcta. Finalmente, demostraron su teoría de la replicación discontinua y las pequeñas longitudes de ADN se conocieron como fragmentos de Okazaki . Entonces, los fragmentos de Okazaki son los pedazos cortos de ADN hijo que la ADN polimerasa produce en la hebra rezagada.
ADN ligasa
La hipótesis de Okazaki fue desafiada por el hecho de que nadie entendía cómo se unían los fragmentos. Aunque la ADN polimerasa es perfectamente capaz de hacer múltiples fragmentos, en realidad no puede unir los fragmentos adyacentes. Pero resulta que hay otra enzima aquí para ayudarnos. El trabajo de este es atar o unir los fragmentos de Okazaki entre sí. La elegante palabra científica para “empatar” es “ligar”.
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Entonces, el nombre de esta enzima proviene de la palabra ‘ligar’ y, como todas las demás enzimas, termina con el sufijo – ase . El nombre resultante es ADN ligasa . La ADN ligasa es la enzima que se une a los fragmentos de Okazaki adyacentes en la hebra rezagada, lo que da como resultado una hebra hija continua en la que la ADN polimerasa había trabajado de forma discontinua.
Resumen y revisión
La danza de los fragmentos de Okazaki y la ADN ligasa solo hace que el proceso de replicación del ADN sea más complicado de lo que pensamos. Pero lo crea o no, al final todos los detalles se juntan. Más tarde, haremos un recorrido completo por la replicación del ADN. Pero por ahora, repasemos lo que hemos aprendido sobre la hebra de ADN rezagada.
Cuando comienza la replicación, las dos hebras de ADN parentales se separan. Uno de estos se llama hebra principal y se replica continuamente en la dirección de 3 ‘a 5’. La otra hebra es la hebra retrasada , y se replica de forma discontinua en secciones cortas. Estas secciones se denominan fragmentos de Okazaki y son longitudes cortas de ADN. Los fragmentos de Okazaki están hechos por ADN polimerasa que trabaja a distancias cortas en la dirección de 3 ‘a 5’. Los fragmentos se unen mediante la enzima ADN ligasa para completar la replicación en la hebra rezagada de ADN.