DUPLICACIN DEL ADNCARACTERSTICAS DE LA DUPLICACIN DEL ADNAunque los principios generales de la duplicacin o replicacin del ADN son sencillos y pueden considerarse como consecuencia directa de su estructura, el proceso requiere una maquinaria compleja que contiene una gran cantidad de enzimas y protenas que actan en conjunto.

Fig. 12.9 - La duplicacin del ADN se produce previo desenrollamiento de las dos cadenas de la doble hlice, usando cada una como molde para sintetizar las nuevas cadenas.1.MLTIPLES PUNTOS DE ORIGENLos cromosomas eucariontes tienen una gran cantidad de ADN, el cual se halla contenido en dos molculas lineales, una para cada cromtide. Si estas molculas se replicasen a partir de un sitio nico de origen, la etapa S de la Interfase sera extremadamente larga. Las clulas eucariontes resuelven este problema disponiendo de mltiples sitios de origen de la replicacin en cada cromosoma. En ellos, el ADN presenta secuencias especiales de nucletidos. Adems todos los orgenes tienen en comn secuencias conservadas de aproximadamente doce pares de nucletidos, llamados ARS (autonomus replication secuence).

Fig. 12.10 - La replicacin siempre comienza en los sitios de origen en cada cromosoma. En ellos el ADN presenta secuencias especiales de nucletidos2.DESENROLLAMIENTO DE LAS CADENAS DE ADNEn cada cromosoma, las dos cadenas del ADN se encuentran arrolladas una a la otra como los hilos de una soga. Si tratamos de separarlas, la soga debe apretarse ms en las vueltas restantes o girar. Algo similar ocurre en el ADN, cuando las cadenas complementarias se separan para iniciar la duplicacin. En ese momento aumenta la tensin torsional en el sector no duplicado de la doble hlice.

Fig. 12. 11 - Separacin progresiva de las dos cadenas de ADN a nivel de la horquilla de replicacin y su posible consecuencia biolgica.El desenrollamiento es realizado por las enzimasADN-helicasas, las cuales recorren la hlice desenrollando las hebras del ADN a medida que avanzan. Una vez separadas, las cadenas se combinan con lasprotenas SSB, llamadas tambin protenas desestabilizadoras, que evitan el autoapareamiento entre las bases complementarias libremente expuestas.

Fig. 12.12 - Cadenas adelantada y retrasada del ADN durante la replicacin. La helicasa separa a las dos cadenas del ADN y las protenas SSB evitan autoapareamientos entre las bases complementarias libremente expuestas en la cadena atrasada.A medida que la enzima helicasa abre la doble hlice, dos enzimas complementarias: latopoisomerasa Iy latopoisomerasa IIogirasa,van disminuyendo la tensin torsional acumulada por el superenrollamiento en el sector no replicado de la doble hlice.La topoisomerasa Iprimero corta una de las cadenas del ADN, luego la cadena cortada gira una vuelta en torno a su propio eje y finalmente vuelve a unir los extremos cortados.La topoisomerasa IIcorta las dos cadenas, las cuales luego de girar una vuelta alrededor del eje de la doble hlice, restablecen sus uniones.Ambas enzimas utilizan energa del ATP y se comportan comonucleasas(cortando las cadenas de ADN) y luego comoligasas(restableciendo las uniones fosfodister).Las topoisomerasas I y II se diferencian no slo porque la primera corta una de las cadenas y la segunda corta las dos, sino tambin porque la topoisomerasa I realiza desenrollamientos de corto alcance y la girasa abarca una extensin de ADN bastante mayor.

Fig. 12.12 - Efecto hipottico de la topoisomerasa II para evitar el superenrollamiento que se produce en el ADN como consecuencia de la separacin progresiva de sus cadenas.3.LA DUPLICACIN DEL ADN ES BIDIRECCIONALAl abrirse la doble hlice se forma una burbuja de replicacin, cuyo tamao aumenta a medida que avanza la separacin de las dos cadenas del ADN, fenmeno que se produce en ambos extremos de la burbuja en forma simultnea. Se establece de este modo, en cada uno de los extremos, una estructura en forma deY, a la que llamamos horquilla de replicacin, cuyos brazos representan a las cadenas ya separadas de ADN y el tronco la doble hlice en vas de separacin. As cada burbuja tiene dos horquillas de replicacin que a partir de un punto de origen comn avanzan en direcciones opuestas. Las horquillas desaparecen cuando se van integrando a las burbujas contiguas. Las horquillas que recorren los telmeros desaparecen cuando se separa el ltimo par de nucletidos.El segmento de ADN que se sintetiza a partir de un origen de replicacin (con sus dos horquillas), lo llamamosreplicn.De este modo la replicacin del ADN termina cuando se ensamblan los sucesivos replicones. Esto permite que el ADN se sintetice en un tiempo bastante breve para el ciclo de vida de una clula.

Fig. 12. 14 - Esquema que muestra dos replicones contiguos y los puntos donde se origina la replicacin (flechas). Puede observarse el carcter bidireccional de la replicacin y los sectores donde el ADN se sintetiza en forma continua y discontinua.4.LA SNTESIS DE ADN ES DISCONTINUAUna de las caractersticas de las ADN-polimerasas es que slo pueden actuar en direccin 53, por agregado de nucletidos en el extremo 3 de las cadenas nuevas. Como vimos, a medida que se separan las cadenas progenitoras en la horquilla de replicacin, una presenta sus nucletidos en direccin 53 y la otra en direccin 35. De manera que la primera al ser copiada debera formar una cadena hija en sentido 35, algo que las polimerasas no pueden hacer.Las clulas solucionan esta situacin utilizando estrategias distintas en la construccin de cada una de las nuevas cadenas. La cadena hija que se form en direccin 5'3 se construye en forma continua mediante el agregado de nucletidos en el extremo 3 a medida que avanza la horquilla de replicacin. En cambio la otra cadena hija es sintetizada de manera discontinua, en pequeos tramos, llamados fragmentos de Okazaki, los cuales se unen entre s a medida que se sintetizan, por accin de la enzimaADN-ligasa.Por lo expuesto, podemos decir que la sntesis del ADN es un proceso bidireccional, no slo porque se produce en dos direcciones divergentes a partir de una misma burbuja de replicacin, sino tambin porque las cadenas de la doble hlice son sintetizadas en direcciones opuestas.

Fig. 12. 15 - Replicacin semiconservativa del ADN.5.MODELO SEMICONSERVATIVOComo las nuevas hlices de ADN estn formadas por una cadena original (preexistente) que sirvi de molde y una cadena nueva (recin sintetizada) decimos que el mecanismo de replicacin es semiconservativo.INICIO DE LA SNTESIS DE ADNPara iniciar la sntesis de las cadenas complementarias se requiere adems del ADN molde uncebadoroprimer ,que consiste en una pequea cadena de ARN de unos diez nucletidos de largo. La sntesis del cebador es catalizada por una enzima llamadaARN-primasay. el cebador queda unido al ADN temporariamente. Unavezsintetizado el cebador la sntesis contina si la ADN-polimerasa tiene disponibles suficientes desoxirribonucletidos trifosfatados (dATP, dGTP, dCCP y dTTP). stos se agregan en la cadena nueva de acuerdo a la secuencia de nucletidos de la cadena que sirve de molde.Gran parte de la energa requerida durante la replicacin la aportan los desoxirribonucletidos trifosfatados, que hidrolizan los ltimos dos grupos fosfato (liberando energa) cuando se unen entre s.Al iniciarse la sntesis continua del ADN, en cada origen se forman doscebadoresorientados divergentemente uno en cada cadena de la doble hlice y a continuacin laADN-polimerasacataliza la sntesis de la cadena continua agregando nucletidos en el extremo 3 de la hebra en formacin. Mientras tanto los cebadores son removidos por unanucleasa reparadoray su lugar es reemplazado por un fragmento de ADN equivalente sintetizado porla ADN-polimerasa.Como vimos la cadena continua requiere un solo cebador que se forma a comienzo de la replicacin, en cambio la cadena discontinua necesita muchos cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. La enzima responsable de la sntesis discontinua es laADN-polimerasa.Cabe sealar que las ADN-polimerasas son sostendas por un anillo proteico llamadoPCNA(Proliferating Cell Nuclear Antigen) mientras realiza el deslizamiento por la cadena de ADN

Fig. 12.16 - Doble hlice de ADN desenrrollndose. Cada cadena servir de molde para la sntesis de cadenas nuevas

Fig. 12.17 - La energa para el proceso de replicacin la proveen los mismos desoxirribonucletidos trifosfatados, con la hidrlisis de los ltimos dos grupos fosfato-

Fig. 12. 18 - Unin del aro de PCNA a la ADN polimerasaLos fragmentos de Okazaki alcanzan una longitud de 200 nucletidos. Una vez completa la sntesis de un fragmento ambas enzimas se liberan y vuelven juntas hacia el ngulo de la horquilla de replicacin, dejando atrs los 200 nucletidos del segmento que acaban de sintetizar y otros tantos del ADN molde que se usar para copiar el prximo fragmento de Okazaki.Como ocurre con la polimerasaden movimiento, la ADN-polimerasaano se desprende del ADN debido a que se le asocia un aro de PCNA. Luego el cebador es hidrolizado por unanucleasa,la que se encarga tambin de reparar errores (segundo sistema de reparacin) y los huecos son rellenados con desoxirribonucletidos por laADN-polimerasa.Finalmente los fragmentos de Okazaki son unidos por la ADN-ligasa.La discontinuidad de la sntesis hace que la hebra mal orientada crezca ms lentamente que la otra, que lo hace en forma continua, por esta razn se les asign el nombre decadena rezagadaycadena adelantadarespectivamente.Replicacin de la heterocromatinaLa heterocromatina por estar muy compactada se replica tardamente durante la fase S del ciclo celular.Sntesis de histonasHemos sealado que el ADN se replica en forma semiconservativa, es decir que las cadenas de la doble hlice progenitora, al separarse para su replicacin, se comparten por igual en ambos cromosomas hijos. En cambio no se sabe como se segregan las histonas. Es posible que al cabo de la replicacin sean heredadas totalmente por uno de los cromosomas hijos, en este caso el otro cromosoma hijo debe procurarse de la totalidad de histonas nuevas.En su mayor parte las histonas se sintetizan durante la fase S de la interfase y se incorporan al cromosoma apenas es duplicado el ADNReplicacin en ProcariontesMuchas de las caractersticas esenciales de la duplicacin del ADN son universales, aunque existen algunas diferencias entre procariontes y eucariontes debido a que su material gentico est organizado de manera distinta.En las bacterias casi todo el ADN se encuentra formando una cadena circular, en cambio en los eucariontes cada cromosoma no duplicado contiene una cadena lineal asociada a una gran cantidad de protenas y algo de ARN.En procariontes al existir unnico punto de origense forma slo un ojal de replicacin. Aqu actan tres ADN-polimerasas:ADN-polimerasa I, es la que elimina el cebador y reemplaza los ribonucletidos de ste por desoxirribonucletidos, rellenando los huecos dejados por la ADN-polimerasa II. Adiciona 10 nucletidos/seg.ADN-polimerasa II, tiene actividad de nucleasa, es decir que retira nucletidos de la cadena de ADN en los sitios donde se produjeron errores o desemparejamientos.ADN-polimerasa III,es la enzima responsable de alargar las cadenas en el proceso de replicacin. Adiciona 500 nucletidos/seg.

Fig. 12.19 - Mecanismo de replicacin del ADN en clulas procariontes

Fig. 12.20 - Mecanismo de replicacin en procariotasCuadro 12.1- MLTIPLES FUNCIONES DE LAS ADN-POLIMERASA EN E. COLI

Poli. I y Poli. IIISntesis de ADN en sentido 53

Exonucleasa en sentido 35

Correccin de errores, removiendo nucletidos en sentido 53

Poli. IExonucleasa en sentido 53

Cuadro 12.2 -PRINCIPALES ENZIMAS QUE ACTUAN EN LA REPLICACIN

EnzimasReacciones que catalizan

ADN-polimerasa I (procariontes)Elimina el cebador, reemplazando los ribonucletidos por desoxirribonucletidos. Rellena los huecos del ADN.

ADN-polimerasa II (procariontes)Nucleasa, corrige errores.

ADN-polimerasa III (procariontes)Principal enzima de la replicacin. Sintetiza la cadena nueva a partir del cebador. Realiza correccin de pruebas.

ADN-polimerasa(eucariontesSintetiza los fragmentos de ADN discontinuos a partir del cebador.

ADN-polimerasa(eucariontes)Rellena los huecos dejados por el cebador y repara errores como un segundo sistema de reparacin.

ADN-polimerasa(eucariontes)Sintetiza la hebra continua a partir del cebador y realiza lecturas de prueba.

HelicasasRompen los puentes de hidrgeno, separando las cadenas del ADN.

PrimasasSintetizan el primer o cebador.

Protenas SSBSe extienden sobre las hebras del ADN evitando autoapareamientos entre las bases libremente expuestas

Topoisomerasas I y IICorrigen el superenrollamiento

[1]Cohesinas: protenas que mantienen unidas transitoriamente a las cromtidas hermanas.