10114. DUPLICACIÓN DEL ADN S. Signorelli y J. Monza Revisado por la Dra. Ana Ramón, Sección Biología Molecular, Instituto de Biología, Facultad de Ciencias, UdelaR. 1. La duplicación del ADN es semiconservativa La duplicación del ADN, que ocurre de manera similar en procariotas y eucariotas, consiste en la síntesis de una molécula igual a la que le dio origen. Debido a esto, como las células duplican su ADN antes de cada división, las hijas tienen el mismo contenido de ADN y la misma información. Una excepción a esto son los gametos que contienen la mitad de ADN respecto a la célula madre. • En la duplicación del ADN cada hebra actúa como molde para la síntesis de una hebra nueva. Como se muestra en la figura 1, cada hebra madre (molde) queda junto a una hebra hija (nueva): la duplicación es semiconservativa. • Meselson y Stahl, usando bases marcadas con 15 N, demostraron cómo se asocian las hebras después de la duplicación (Fig. 1). 2. Secuencia de eventos durante la duplicación La descripción de la duplicación del ADN se centrará en el modelo bacteriano, que como proceso general es el mismo al que ocurre en eucariotas. La secuencia de eventos que terminan con la duplicación del ADN se describe en los cuatro puntos que siguen. 2.1 Reconocimiento del o los orígenes de replicación • La duplicación comienza en muchos sitios del cromosoma eucariota, o en un único sitio en el cromosoma bacteriano. Estos sitios, que se denominan orígenes de duplicación (oriC) están pautados por secuencias específicas de bases. • En Escherichia coli el origen de duplicación tiene unas 245 pb cuya secuencia es reconocida por una proteína (DNAa). Otra proteína con actividad Helicasa (DNAb) separa las hebras y se forma una burbuja de duplicación (Fig. 2). Figura 1. Duplicación semiconservativa del ADN: experimento de Meselson y Stahl. A. El ADN pesado tiene las bases de ambas hebras con 15N (isótopo pesado) y el ADN liviano con 14N (isótopo liviano). El ADN con 15N se puede separar del ADN con 14N por ultracentrifugación, porque el ADN pesado ocupa una posición inferior respecto al liviano. B. Si se parte de bacterias con ADN pesado, y se las crece en un medio con 14N las hebras hijas serán livianas. Cada hebra hija se asocia con la hebra madre y el ADN es semipesado: la duplicación es semiconservativa. La otra posibilidad, que se asocien las dos hebras hijas y las dos hebras madres, no ocurre. • En cada burbuja hay dos horquillas de duplicación: la síntesis de ADN se da en dos direcciones. En la figura 2 se representa la formación de la burbuja de duplicación en un cromosoma procariota y se indican las horquillas de duplicación. • A partir de un oriC se replica una unidad funcional que se denomina replicón. En bacterias, que tienen un solo oriC, todo el genoma es un replicón. En el genoma humano se estiman entre 10.000 y 100.000 oriC, por lo que habría hasta 100.000 replicones. la Helicasa se desplaza a lo largo del ADN. que se sintetiza por una ARN pol. Síntesis del ADN. Al extremo OH 3´ libre del cebador se unen los dNTP por acción de la ADN pol. • El cebador es ARN. 3). crece en sentido opuesto y en fragmentos (fragmentos de Okasaki). El crecimiento de la hebra continua (superior) acompaña el sentido de apertura de las hebras. 2).2 Separación de las hebras de ADN • La separación de las hebras ocurre por acción de la enzima Helicasa. . + Observe que las hebras de ADN no se separan ni se mantienen como monohebra espontáneamente. GTP y UTP. Duplicación del ADN. como monohebra. enzimas que hidrolizan una o ambas hebras de ADN permitiendo el giro de la molécula y la eliminación del superenrrollamiento (Fig. La hebra discontinua (inferior). Este fragmento es el cebador. por la participación de proteínas SSB (single stranded DNA binding proteins). pero para facilitar la descripción se analizará lo que ocurre en una de ellas. • Al separar a las dos hebras se genera un superenrollamiento en el ADN “por adelante” de la Helicasa. La Primasa sintetiza al cebador. Figura 2. En el origen de duplicación se forma la burbuja de duplicación y se generan dos horquillas. CTP. Para disminuir la tensión generada • Las hebras se mantienen momentáneamente separadas. la Primasa. El ARN cebador se sintetiza por adición de NTP por acción de la Primasa. una en cada lado del bucle (Fig. que rompe los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias. B. que condensa a los ribonucleótidos trifosfato ATP. 3 y 4). Estas proteínas interaccionan con el ADN y mantienen separadas a las hebras para que puedan actuar como molde. El cebador es remplazado por ADN por acción de la ADN pol I. para lo que utiliza energía de la hidrólisis del ATP. para ello participa una enzima y proteínas específicas. las SSB estabilizan las hebras simples y la Topoisomerasa hidroliza el ADN y permite eliminar el superenrollamiento. A. también llamadas estabilizadoras de monohebra. Como consecuencia se forman dos horquillas de replicación.102 actúan las Topoisomerasas. 2). La Ligasa une los fragmentos de ADN de la hebra discontinua. y tiene entre 10 y 60 nucleótidos. una para cada lado: la síntesis de ADN avanza en sentidos opuestos. al que se adicionan dNTPs por acción de la ADN pol III. 2. La Helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las bases. • Para separar a las hebras. colectivamente denominados NTP (Fig. Cebador. 2. Figura 3. Origen de duplicación en un cromosoma procariota.3 Síntesis del ARN cebador • La ADN pol requiere de un fragmento de polinucleótido con un -OH 3´ libre para comenzar a polimerizar los dNTP (Fig. • Los fragmentos compuestos por ARN cebador seguido de ADN se denominan fragmentos de Figura 4.4 Síntesis de ADN • La polimerización de dNTP catalizada por la ADN pol está dirigida por una hebra molde de ADN. frente a la hebra molde. 4).3´ (Fig. • La ADN pol I tiene una velocidad baja. • En eucariotas hay varias ADN pol. En la figura 4 se muestra la adición de un dNTP a una hebra creciente de ADN. de manera que la información genética es la misma: esto constituye la base de la herencia. • El ADN molde se lee desde el extremo 3´al 5´en cada hebra. las moléculas de ADN hijas son iguales a la madre.103 • Al extremo -OH 3´ libre del cebador la ADN pol adiciona el primer dNTP y continua adicionándolos al extremo -OH 3´ del ADN creciente: el ADN crece en sentido 5´a 3´ (Fig. La hebra que va en sentido opuesto debe sintetizarse en fragmentos. que hidroliza al ARN: cada ribonucleótido es removido es sustituido por un desoxi ribonucleótido (Fig. • Debido a la complementariedad de bases. según los apareamientos de Watson y Crick: A-T y C-G. + Observe que la Primasa polimeriza NTP a partir de un ADN molde. La ADN pol tiene como sustrato a los dNTP y la dirección en que se lee la hebra molde es de 3´a 5´. • Cuando se sustituye el ARN por ADN quedan uno tras otro dos fragmentos nuevos de ADN.20 nucleótidos por segundo y se suelta después de polimerizar menos de 30 nucleótidos. lo que enlentece el proceso. La ADN pol II participa en la reparación del ADN y la ADN pol IV en la síntesis de ADN mitocondrial. Incorporación de un dNTP al extremo 3´ -OH de una cadena en crecimiento. dGTP y dTTP) y la ARN pol que cataliza la condensación de NTP (ATP. dCTP. 2. que hace referencia a la cantidad de nucleótidos que polimeriza sin desprenderse del molde. 3). + Observe que: • El ADN se sintetiza por acción de las ADN pol. GTP y UTP) para formar el cebador. 3 y 5). Esto lleva a que la hebra que se sintetiza en el mismo sentido en que se abre el ADN se haga de manera continua. sin necesidad de cebador. CTP. 3 y 5). • La velocidad de duplicación del ADN es del orden 50 nucleótidos por segundo en eucariotas y hasta 1000 nucleótidos por segundo en procariotas. 2 y 3). • Los cebadores son eliminados y sustituidos por ADN por la ADN pol I. que en procariotas tienen entre 100 y 400 pb y en eucariotas entre 1000 y 2000 pb. En esta enzima la procesividad. Los tipos I y III están relacionadas a la duplicación del ADN cromosómico. que la enzima Ligasa une a través de un enlace 5´. que catalizan la condensación de dNTP (dATP. de unos 10 . a medida que la doble hebra se abre y se genera una región de hebra simple para ser leída. una crece en el mismo sentido en el que se abre la doble hebra y la otra lo hace en sentido opuesto (Fig. Como estas son antiparalelas. es baja. Okasaki (Fig. . A. la subunidad ε de la ADN pol con actividad exonucleasa 3´ a 5´ hidroliza varios nucléotidos “hacia atrás” (5´). Sin embargo como las ADN pol I y III corrigen errores. Cuando ocurre un error. lo que evita los problemas funcionales que pueden derivar del daño. 2. al finalizar la duplicación sólo queda un nucleótido incorrecto cada 109-1010 incorporados. que no es la complementaria. 4. • En la figura 5 se representa el mecanismo de corrección de un error durante la duplicación. que consiste en hidrolizar varios nucleótidos hacia el extremo 5´ de la hebra nueva. Al finalizar la preparación del tema será capaz de: 1. corrigiendo así el error. Describir la síntesis de ADN a partir de la hebra continua y discontinua. Las ADN pol I y III tienen capacidad de corregir errores Las distintas macromoléculas que forman parte de las células sufren cambios en su estructura química por acción de diferentes agentes que las modifican. . + Observe que la capacidad de las ADN pol de corregir errores durante la duplicación asegura que las hebras de ADN duplicado sean iguales a las madres. Como las bases no se aparean correctamente el nucleótido queda separado de la base de la otra hebra. La subunidad ε de la ADN pol III hidroliza en sentido 3´a 5´ y vuelve a polimerizar dNTP sobre el ADN molde. Figura 5. • Las ADN pol I y III tienen actividad exonucleasa 3´a 5´. Las moléculas dañadas son reemplazadas por nuevas.104 3. Actividad correctora de la ADN pol. Reconocer la importancia de la capacidad de corregir errores de las ADN pol. o como consecuencia de su propia inestabilidad. Explicar el concepto de duplicación semiconservativa. 3. Relacionar la duplicación del ADN con la multiplicación celular. En el caso del ADN esto es diferente. B. porque este debe conservar la información de manera estable para transmitirla de célula a célula. Esto es equivalente a “ir hacia atrás” respecto a la síntesis. Esto se logra a través de un mecanismo de síntesis preciso en sí mismo y que cuenta con enzimas ADN pol capaces de corregir errores “de copia”. La flecha indica el sentido de avance de la polimerasa. • La incorporación de un nucleótido incorrecto en la nueva hebra de ADN ocurre a razón de uno cada 104-105 nucleótidos incorporados.