Replicación del ADN: revisión de enzimas, burbujas de replicación y hebras principales y rezagadas
El panorama general de la replicación del ADN
La replicación del ADN es un proceso complejo que a los científicos les llevó muchos años y mucho trabajo para comprender. Anteriormente, discutimos los pequeños detalles de la replicación semiconservadora: cómo se desenrolla la doble hélice del ADN y cómo se copia el ADN principal para producir hebras hijas. Aprendimos sobre un elenco de enzimas útiles que hacen posibles todos los movimientos moleculares. Pero comprender cómo encajan todas las piezas puede ser un desafío. Entonces, en esta lección, repasaremos todas las partes de la replicación del ADN y agregaremos algunos bits nuevos de información que ayudarán a completar la imagen.
Revisión de la replicación y las enzimas esenciales
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Comencemos por recordarnos los conceptos básicos de la replicación semiconservadora. Comenzamos con la molécula de ADN original, y ambas cadenas de esa molécula se denominan cadenas parentales. El objetivo de la replicación del ADN es crear una segunda molécula de ADN, utilizando las hebras parentales como plantilla para crear dos nuevas hebras hijas. El término semiconservativo se refiere al hecho de que ambas cadenas parentales se conservan o se guardan en cada una de las nuevas moléculas. Entonces, en la replicación semi-conservadora, las hebras parentales se separan, pero cada una permanece entera, mientras que se les agregan nuevas hebras hijas. El resultado final son dos moléculas de ADN, cada una de las cuales contiene una hebra madre y una hebra hija.
Ahora, repasemos todos los pasos de la replicación del ADN. En el camino, revisaremos cada enzima esencial y discutiremos cómo ayuda a completar cada paso. Dado que los nombres y funciones de las enzimas pueden resultar confusos, haremos una tabla de enzimas antes de comenzar. Mientras discutimos los pasos de la replicación del ADN, completaremos nuestro cuadro de enzimas para mantener toda nuestra información organizada.
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El primer paso ocurre cuando la helicasa de ADN desenrolla la doble hélice rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las hebras originales de ADN. Este proceso de división y desenrollado abre la molécula de ADN en forma de Y, que llamamos horquilla de replicación. Ya tenemos nuestra primera enzima, así que completemos eso. La helicasa de ADN es la enzima que desenrolla la doble hélice del ADN.
Antes de que se puedan agregar nuevas hebras hijas, las hebras parentales se preparan primero mediante un cebador de ARN . El cebador está construido por la enzima ARN primasa. Entonces, vayamos al gráfico: la ARN primasa es la enzima que construye un cebador de ARN en la cadena madre para iniciar la replicación del ADN.
Una vez que se construye el cebador de ARN, la siguiente enzima, la ADN polimerasa, está libre para hacer su trabajo. La ADN polimerasa se desliza en la horquilla de replicación y se coloca detrás del cebador de ARN. Comienza a agregar nucleótidos de ADN a cada hebra parental. La ADN polimerasa siempre funciona comenzando en el extremo 3 ‘del ADN y avanzando hacia el extremo 5’. Esto significa que en la hebra principal, funciona de forma continua, ya que sigue la helicasa de ADN, que constantemente abre la bifurcación cada vez más.
Pero en la hebra rezagada, la ADN polimerasa funciona de manera discontinua, haciendo fragmentos de Okazaki en la dirección opuesta. Entonces, ahora que entendemos qué hace la ADN polimerasa, volvamos a nuestro gráfico. La ADN polimerasa es la enzima que empareja y deposita nucleótidos para construir la cadena de ADN hija a lo largo de cada cadena de ADN principal.
Ahora nos quedamos con todos estos fragmentos de Okazaki que están separados entre sí, por lo que deben unirse mediante la enzima ADN ligasa. La ADN ligasa une los fragmentos de un extremo a otro, formando una hebra hija continua en la parte superior de la hebra madre rezagada. Entonces, esa fue nuestra última enzima: la ADN ligasa se une a los fragmentos adyacentes de Okazaki en la hebra rezagada de ADN.
Fragmentos de ARN Primasa y Okazaki
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Retrocedamos por un minuto. ¿Ha notado un par de elementos que no parecen encajar? Si es así, entonces está en el camino correcto. Hasta ahora, no hemos tenido la oportunidad de unir el concepto de cebador de ARN con el concepto de fragmentos de Okazaki. En lecciones anteriores, hablamos sobre cómo debe estar presente el cebador de ARN antes de que la ADN polimerasa pueda comenzar a hacer su trabajo. Más tarde, cuando hablamos de los fragmentos de Okazaki, mencionamos que la ADN polimerasa tiene que seguir retrocediendo y reiniciar su trabajo al comienzo de cada fragmento. Entonces, es posible que se esté preguntando sobre esto. ¿No tiene que haber un nuevo cebador de ARN para comenzar cada nuevo fragmento de Okazaki?
Bueno, la respuesta es sí. Cada vez que la ADN polimerasa reinicia su trabajo, necesita un cebador de ARN. Por supuesto, en la cadena principal, solo se necesita un cebador. Esta imprimación se construye sobre el extremo de 3 ‘, el extremo libre, antes de que la replicación comience a moverse hacia la horquilla. Pero en la hebra rezagada, ¡necesitamos un cebador de ARN para cada fragmento de Okazaki! Cada vez que la ADN polimerasa termina su recorrido y se mueve hacia atrás para otro intento, tiene que tener un cebador esperando allí para ayudarlo a comenzar de nuevo. Entonces, en la cadena rezagada, hay muchos cebadores de ARN esparcidos por toda la línea, uno por cada fragmento de Okazaki que se va a producir.
Hebras principales y rezagadas en las burbujas de replicación
En este punto, probablemente pueda ver por qué las dos hebras se nombran como son. La cadena principal siempre está creciendo tan rápido como se abre la bifurcación de replicación. Siempre está por delante de la otra hebra, por lo que lidera a la otra en completar la replicación del ADN. La hebra rezagada siempre está atrasada debido a la replicación discontinua. Le toma más tiempo completar su cadena hija porque tiene que esperar a que la ADN polimerasa reinicie su trabajo una y otra vez. Y luego tiene que esperar a que la ADN ligasa se una a los fragmentos. Por lo tanto, se queda atrás de la cadena principal.
Ahora, toda esta charla sobre las hebras principales y rezagadas puede hacer que se pregunte algo más: ¿qué pasa con las burbujas de replicación? Recuerde, la replicación del ADN comienza en varios lugares a lo largo de la molécula madre. La helicasa de ADN lo abre y crea burbujas de replicación que crecen y se fusionan. La replicación comienza en el centro de la burbuja y se mueve en ambas direcciones, hacia afuera. Pero, curiosamente, cada vez que hablamos de los hilos principales y rezagados, lo hemos visto como si todo comenzara desde un extremo. Solo hemos estado mirando la mitad de la burbuja. Entonces, si la replicación del ADN realmente ocurre dentro de todas estas burbujas, ¿cómo encajan las hebras principales y rezagadas?
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La verdad es que solo hemos estado observando la mitad de la burbuja para que sea más fácil ver las hebras anteriores y posteriores. Entonces, ahora alejemos el zoom y veamos toda la burbuja. Las hebras anteriores y posteriores en realidad se unen con estructuras similares en la otra mitad. Para cada burbuja de replicación, hay dos bifurcaciones de replicación, una en cada extremo. Entonces, en la parte superior de la burbuja, la hebra principal de una bifurcación de replicación se une a la hebra retrasada de la otra bifurcación de replicación. Y lo mismo ocurre en el fondo de la burbuja.
Entonces, como puede ver, terminamos con un diseño intrincado. En la parte superior izquierda e inferior derecha, tenemos cadenas principales que se replican continuamente, necesitando solo un cebador de ARN cada una. En la parte superior derecha e inferior izquierda, tenemos hebras rezagadas que se replican de forma discontinua, con múltiples cebadores de ARN que inician todos los fragmentos de Okazaki.
Resumen de la lección
Entonces, ahora ha aprendido un par de cosas nuevas que unen todos los detalles de la replicación del ADN. Por complicado que parezca, el resultado final es el mismo que siempre hemos predicho por el modelo de replicación semiconservadora: una nueva hebra hija se construye sobre cada una de las hebras parentales separadas, de modo que cada hebra parental se conserva en cada una de las nuevas moléculas de ADN.
Una de las cadenas principales es la cadena principal, que se replica de forma continua. La otra es la hebra rezagada y se replica mediante fragmentos cortos de Okazaki. Cada fragmento requiere que se construya un cebador de ARN primero sobre la cadena de ADN original. Los cebadores de ARN están hechos por ARN primasa y los fragmentos de Okazaki están unidos por ADN ligasa.
La ADN polimerasa es la enzima que transporta los nucleótidos hijos, y la ADN helicasa es la que desenrolla la doble hélice para abrir la horquilla de replicación. Si bien cada bifurcación de replicación consta de una hebra anterior y otra posterior, cada bifurcación en realidad está unida a otra bifurcación en forma de burbuja de replicación. Una vez que todas las burbujas crecen y se fusionan, el proceso de replicación del ADN finalmente se completa.
Resultado de aprendizaje
Al final de esta lección, podrá explicar el proceso de replicación del ADN, utilizando el modelo semiconservador e identificando los pasos importantes y las enzimas involucradas.