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¿Qué es el ADN?
El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un ácido nucleico que se compone de tres componentes: un azúcar desoxirribosa, un fosfato y una base nitrogenada. Ácido desoxirribonucleico, el ADN es el material genético a través del cual se define una célula. Es una molécula larga que contiene códigos únicos que dan instrucciones para la síntesis de todas las proteínas corporales.
Estructura del ADN
- El modelo estructural del ADN fue propuesto inicialmente por James Watson y Francis Click.
- Descubrieron que el ADN es una estructura de doble hélice con dos cadenas de ADN emparejadas con secuencias de nucleótidos complementarias.
- La molécula de ADN de doble hebra tiene dos cadenas de ácido nucleico en espiral que se retuercen en forma de doble hélice. La torsión le da al ADN su compacidad.
- El ADN está formado por millones de nucleótidos. Los nucleótidos son moléculas compuestas por azúcar desoxirribosa, con un grupo fosfato y una nucleobase que se le une.
- Cada nucleótido está estrechamente emparejado con un nucleótido complementario en la hebra opuesta, es decir, adenina (A) emparejada con timina (T) o guanina (G) emparejada con citosina (C) y, por lo tanto, la secuencia de una hebra actúa como plantilla para la nueva hebra que se formará durante la replicación.
- Los nucleótidos se unen entre sí en hebras a través de enlaces fosfodiéster que forman un esqueleto de azúcar-fosfato.
- Forman un enlace que se encuentra entre el tercer átomo de carbono del azúcar desoxirribosa compuesto por un azúcar, por lo que se designa como 3 ′ (tres primos) y el quinto átomo de carbono de otro azúcar en el siguiente nucleótido como 5 ′ (cinco principal).
- Puede usarse cualquier parte de la secuencia para crear o reconocer su secuencia de nucleótidos adyacente durante la replicación.
- El ADN encaja dentro del núcleo al estar empaquetado de cerca en espirales apretadas conocidas como cromatinas. Las cromatinas se condensan para formar los cromosomas durante la división celular.
- Antes de la replicación del ADN, las cromatinas se aflojan dando acceso a la maquinaria de replicación a las cadenas de ADN.
Lea también: ADN : estructura, propiedades, tipos y funciones
¿Qué es la replicación del ADN?
- Este es un proceso complejo que tiene lugar durante la división celular (interfase, fase S) mediante el cual el ADN hace copias (duplicados) antes de que la célula se divida a través de la mitosis y la meiosis.
- La replicación del ADN es un proceso semiconservador en el que se utiliza una hebra parental (plantilla) para sintetizar una nueva hebra hija complementaria utilizando varios elementos proteicos que incluyen enzimas y moléculas de ARN.
- El proceso de replicación del ADN utiliza la ADN polimerasa como enzima principal para catalizar la unión de desoxirribonucleósidos 5′-trifosfatos (dNTP) formando una cadena de ADN en crecimiento.
- Otras proteínas también están involucradas para el inicio del proceso y la copia del ADN, junto con las capacidades de corrección de pruebas para garantizar que el proceso de replicación se lleve a cabo con precisión.
- Por lo tanto, la replicación del ADN es un proceso que produce hélices idénticas de ADN a partir de una sola hebra de la molécula de ADN.
- La replicación del ADN es un mecanismo esencial para mejorar el crecimiento celular, la reparación y la reproducción de un organismo.
El mecanismo de replicación del ADN.
Resumen : la replicación del ADN tiene lugar en tres pasos principales.
- Apertura de la estructura helicoidal bicatenaria del ADN y separación de las hebras
- Imprimación de las hebras de la plantilla
- Ensamblaje de los segmentos de ADN recién formados.
- Durante la separación del ADN, las dos hebras se desenrollan en un sitio específico conocido como origen . Con la participación de varias enzimas y proteínas, preparan (ceban) las hebras para la duplicación.
- Al final del proceso, la enzima ADN polimerasa comienza a organizar el ensamblaje de las nuevas cadenas de ADN.
- Estos son los pasos generales de la replicación del ADN para todas las células, pero pueden variar específicamente, según el organismo y el tipo de célula.
- Las enzimas juegan un papel importante en la replicación del ADN porque catalizan varias etapas importantes de todo el proceso.
- La replicación del ADN es uno de los mecanismos más esenciales de la función de una célula y, por lo tanto, se han realizado investigaciones intensivas para comprender sus procesos.
- El mecanismo de replicación del ADN se conoce bien en Escherichia coli, que también es similar al de las células eucariotas.
- En E. coli, la replicación del ADN se inicia en el oriClocus (oriC), al que se une la proteína DnaA mientras tiene lugar la hidrolización del ATP.
Enzimas y proteínas de replicación del ADN
ADN polimerasa
- Las ADN polimerasas son enzimas que se utilizan para la síntesis de ADN mediante la adición de nucleótidos uno por uno a la cadena de ADN en crecimiento. La enzima incorpora aminoácidos complementarios a la hebra molde.
- La ADN polimerasa se encuentra tanto en células procariotas como eucariotas. Ambos contienen varias ADN polimerasas diferentes responsables de diferentes funciones en la replicación del ADN y los mecanismos de reparación del ADN.
Enzima ADN helicasa
- Esta es la enzima que participa en el desenrollado de la estructura de doble hélice del ADN, lo que permite que comience la replicación del ADN.
- Utiliza la energía que se libera durante la hidrólisis del ATP para romper el enlace de hidrógeno entre las bases del ADN y separar las hebras.
- Esto forma dos horquillas de replicación en cada hebra separada que se abren en direcciones opuestas.
- En cada bifurcación de replicación, la hebra de ADN parental debe desenrollarse exponiendo nuevas secciones de plantillas monocatenarias.
- La enzima helicasa desenrolla con precisión las hebras mientras mantiene la topografía de la molécula de ADN.
Enzima ADN primasa
- Este es un tipo de enzima ARN polimerasa que se utiliza para sintetizar o generar cebadores de ARN, que son moléculas de ARN cortas que actúan como plantillas para el inicio de la replicación del ADN.
Enzima ADN ligasa
- Esta es la enzima que une los fragmentos de ADN formando enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos.
Exonucleasa
- Estos son un grupo de enzimas que eliminan las bases de nucleótidos del final de una cadena de ADN.
Topoisomerasa
- Esta es la enzima que resuelve el problema del estrés topológico causado durante el desenrollado.
- Cortan una o ambas hebras del ADN permitiendo que la hebra se mueva entre sí para liberar la tensión antes de que vuelva a unir los extremos.
- Y por lo tanto, la enzima cataliza la rotura reversible que provoca al unir las hebras rotas.
- La topoisomerasa también se conoce como ADN girasa en E. coli.
Telomerasa
- Esta es una enzima que se encuentra en las células eucariotas que agrega una secuencia específica de ADN a los telómeros de los cromosomas después de que se dividen, estabilizando los cromosomas con el tiempo.
Video: enzimas de replicación del ADN y sus funciones (Biología de Shomu)
Pasos / etapas de la replicación del ADN
Iniciación
- Esta es la etapa en la que se inicia la replicación del ADN.
- La síntesis de ADN se inicia dentro de la hebra molde en un sitio de región de codificación específico conocido como orígenes .
- Los sitios de origen son el objetivo de las proteínas iniciadoras , que reclutan proteínas adicionales que ayudan en el proceso de replicación para formar un complejo de replicación alrededor del origen del ADN.
- Hay varios sitios de origen en los que se inicia la replicación del ADN y todos se conocen como horquillas de replicación.
- El complejo de replicación formado contiene la enzima ADN helicasa cuya función es desenrollar la doble hélice, exponiendo las dos hebras, que actúan como plantillas para la replicación.
- El mecanismo de la enzima ADN helicasa consiste en hidrolizar el ATP que se utiliza para formar los enlaces entre las nucleobases, rompiendo así el enlace que sostiene las dos hebras.
- Además, durante la iniciación, la enzima ADN primasa sintetiza pequeños cebadores de ARN que activan la función de la ADN polimerasa.
- La enzima ADN polimerasa funciona al hacer crecer la nueva cadena hija de ADN.
Alargamiento
- Esta es la fase en la que la ADN polimerasa hace crecer la nueva hebra hija de ADN uniéndose a la hebra plantilla original descomprimida y al cebador de ARN corto iniciador.
- La ADN polimerasa es capaz de sintetizar una nueva hebra que coincide con la plantilla, extendiendo el cebador mediante la adición de nucleótidos libres al extremo 3 ‘.
- Una de las plantillas se lee en la dirección 3 ′ a 5 ′ y, por lo tanto, la ADN polimerasa sintetiza la nueva hebra en la dirección 5 ′ a 3 ′, que se conoce como la hebra principal.
- A lo largo de la hebra de la plantilla, la ADN primasa sintetiza un cebador de ARN corto al comienzo de la plantilla en la dirección 5 ′ a 3 ′, que inicia la ADN polimerasa para continuar sintetizando nuevos nucleótidos, extendiendo la nueva hebra de ADN.
- El otro molde (5 ‘a 3’) se alarga en una dirección antiparalela, mediante la adición de cebadores de ARN cortos que se rellenan con otros fragmentos de unión, formando la hebra retrasada recién formada . Estos pequeños fragmentos se conocen como fragmentos de Okazaki.
- La síntesis de la hebra rezagada es discontinua ya que la hebra recién formada está desarticulada.
- Los nucleótidos de ARN de los cebadores de ARN cortos deben eliminarse y reemplazarse por nucleótidos de ADN, que luego se unen mediante la enzima ADN ligasa.
Terminación
- Después de la síntesis y extensión de los soportes continuos y discontinuos, una enzima conocida como exonucleasa elimina todos los cebadores de ARN de las cadenas originales.
- Los cebadores se reemplazan con las bases de nucleótidos correctas.
- Mientras se eliminan los cebadores, otro tipo de exonucleasa revisa los nuevos soportes, verificando, eliminando y reemplazando cualquier error formado durante la síntesis.
- La enzima ADN ligasa se une a los fragmentos de Okazaki para formar una sola hebra unificada.
- Los extremos de la hebra parental consisten en una repetición de secuencias de ADN conocidas como telómeros que actúan como tapas protectoras en los extremos de los cromosomas evitando la fusión de los cromosomas cercanos.
- Los telómeros son sintetizados por un tipo especial de enzima ADN polimerasa conocida como telomerasa.
- Cataliza las secuencias de telómeros al final del ADN.
- Una vez completada, la hebra principal y la complementaria se enrollan en una forma de doble hélice, produciendo dos moléculas de ADN, cada una de las cuales pasa una hebra de la molécula principal y una nueva hebra.
Animación de video de replicación de ADN (Amoeba Sisters)
Fragmentos de Okazaki
- Las dos hebras de ADN corren en direcciones opuestas o antiparalelas y, por lo tanto, para sintetizar continuamente las dos nuevas hebras en la bifurcación de replicación se requiere que una hebra se sintetice en la dirección 5 ‘a 3’ mientras que la otra se sintetice en la dirección opuesta, 3 ‘a 5 ′.
- Sin embargo, la ADN polimerasa solo puede catalizar la polimerización de los dNTP solo en la dirección 5 ‘a 3’.
- Esto significa que la otra nueva hebra opuesta se sintetiza de forma diferente. ¿Pero cómo?
- Mediante la unión de pequeñas piezas discontinuas de ADN que se sintetizan hacia atrás desde la dirección de los movimientos de la horquilla de replicación. Estos pequeños trozos o fragmentos de la nueva cadena de ADN se conocen como Fragmentos de Okasaki.
- A continuación, los fragmentos de Okasaki se unen mediante la acción de la ADN ligasa, que forma una nueva hebra de ADN intacta conocida como hebra rezagada.
- La fase de retraso no es sintetizada por el cebador que inicia la síntesis de la cadena principal.
- En cambio, un fragmento corto de ARN sirve como cebador (cebador de ARN) para el inicio de la replicación de la hebra rezagada.
- Los cebadores de ARN se forman durante la síntesis de ARN que se inicia de novo, y una enzima conocida como primasa sintetiza estos fragmentos cortos de ARN, que tienen una longitud de 3-10 nucleótidos y son complementarios a la plantilla de la hebra rezagada en la horquilla de replicación.
- A continuación, los fragmentos de Okazaki se sintetizan mediante la extensión de los cebadores de ARN por la ADN polimerasa.
- Sin embargo, la hebra rezagada recién sintetizada es que contiene una unión ARN-ADN, que define el papel crítico del ARN en la replicación del ADN.
Formación de horquillas de replicación y su función
- La horquilla de replicación es el sitio de síntesis activa de ADN, donde la hélice de ADN se desenrolla y las hebras simples del ADN se replican.
- Varios sitios de origen representan las bifurcaciones de replicación.
- La horquilla de replicación se forma durante el desenrollamiento de la hebra de ADN por la enzima helicasa que expone el origen de la replicación. Un cebador de ARN corto se sintetiza mediante primasa y el alargamiento realizado por ADN polimerasa.
- La bifurcación de replicación se mueve en la dirección de la síntesis de la nueva hebra. Las nuevas cadenas de ADN se sintetizan en dos orientaciones, es decir, en la dirección 3 ‘a 5’, que es la cadena principal, y la orientación 5 ‘a 3’, que es la cadena retrasada.
- Los dos lados de la nueva hebra de ADN (hebra delantera y hebra retrasada) se replican en dos direcciones opuestas desde la horquilla de replicación.
- Por lo tanto, la bifurcación de replicación es bidireccional.
Filamento principal
- La cadena principal es la nueva cadena de ADN que la enzima ADN polimerasa sintetiza continuamente.
- Es la hebra más simple que se sintetiza durante la replicación.
- La síntesis comienza después de que la hebra de ADN se ha descomprimido y separado. Esto genera un fragmento corto de ARN conocido como cebador , por la enzima ADN primasa.
- El cebador se une al extremo 3 ‘(inicio) de la hebra, iniciando así la síntesis de la nueva hebra (hebra principal).
- La síntesis de la cadena principal es un proceso continuo.
La hebra rezagada
- Esta es la hebra molde (5 ‘a 3’) que se sintetiza de forma discontinua mediante cebadores de ARN.
- Durante la síntesis de la hebra principal, expone hebras pequeñas y cortas o plantillas que luego se utilizan para la síntesis de los fragmentos de Okasaki.
- Los fragmentos de Okasaki sintetizan la hebra rezagada mediante la actividad de la ADN polimerasa, que agrega las piezas de ADN (los fragmentos de Okasaki) a la hebra entre los cebadores.
- La formación de la hebra rezagada es un proceso discontinuo porque la hebra recién formada (hebra rezagada) es la fragmentación de hebras cortas de ADN.
Conferencia en video: Replicación del ADN: hebra principal frente a hebra rezagada y fragmentos de Okazaki (el tutor de química orgánica)
¿Por qué es importante la replicación del ADN?
- La replicación del ADN tiene lugar durante la división celular y permite la multiplicación y división del ADN al hacer dos copias del genoma a partir de un genoma de un solo padre.
- Y por lo tanto, su importancia radica en la creación de nuevas y próximas copias de ADN dando lugar a dos células hijas de una sola célula parental.
- Cada nueva célula se forma con su propio genoma.
- Esto mejora la herencia a través de la reproducción y la división celular.
Estrés por replicación del ADN
Durante la replicación del ADN, el proceso y el genoma del ADN se someten a diversas tensiones derivadas del mecanismo. esto enfatiza un resultado en la replicación estancada y la formación de horquillas de replicación estancadas. Varios eventos contribuyen a estas tensiones, entre ellos;
- Estructura de ADN inusual
- Ribonucleótidos no coincidentes
- Tensiones que surgen de mecanismos concurrentes de replicación y transcripción.
- Disponibilidad inadecuada de factores de replicación importantes
- Sitios frágiles en la cadena de ADN en replicación
- Sobreexpresión o activación constitutiva de oncogenes
- Cromatinas inaccesibles
Las proteínas reguladoras de quinasa como ATM ( ATM serina / treonina quinasa ) y ATP son proteínas que ayudan a aliviar el estrés de replicación. Estas proteínas son reclutadas y activadas por daños en el ADN.
Las bifurcaciones de replicación estancadas pueden colapsar si las proteínas reguladoras no se estabilizan, y si esto sucede, se inician los mecanismos de reparación para el reensamblaje de la bifurcación de replicación. esto ayuda a corregir los daños de los extremos dañados del ADN.
Replicación del ADN en eucariotas (diferencias con procariotas)
La replicación del ADN en procariotas y eucariotas tiene varias características similares y también diferencias. Esto depende del tamaño de las células y del genoma.
Similitudes entre la replicación del ADN procariota y eucariota
- El mecanismo de desenrollado del ADN antes de que se inicie la replicación es el mismo para los procariotas y eucariotas.
- En ambos organismos, la enzima ADN polimerasa coordinó la síntesis de nuevas cadenas de ADN.
- Además, ambos organismos usan el patrón de replicación semiconservador, haciendo que las cadenas principales y rezagadas se encuentren en diferentes direcciones. Los fragmentos de Okasaki forman la hebra rezagada.
- Por último, ambos organismos inician la replicación del ADN utilizando un cebador de ARN corto.
Diferencias entre la replicación del ADN en eucariotas y procariotas
SN | Replicación de ADN eucariota | Replicación del ADN procariota |
1. | Debido al gran tamaño de los eucariotas, poseen 25 veces más ADN. | Debido a su pequeño tamaño, tienen muy poco / mínimo ADN. |
2. | Las células eucariotas tienen múltiples puntos de origen y utilizan la replicación unidireccional dentro del núcleo de la célula. | Las células procarióticas tienen un único punto de origen y la replicación tiene lugar en dos direcciones opuestas al mismo tiempo y tiene lugar en el citoplasma celular. |
3. | Los eucariotas tienen cuatro o más tipos de polimerasas. | Las células procariotas poseen uno o dos tipos de polimerasas. |
4. | La replicación de las células eucariotas es más lenta y toma hasta 400 horas. | La replicación en las células procariotas es más rápida y tarda hasta 40 minutos. |
5. | Los eucariotas tienen un proceso distinto para replicar los telómeros en los extremos de sus cromosomas. | Los procariotas tienen ADN cromosómico circular, por lo tanto, no tienen extremos para sintetizar. |
6. | Las células eucariotas solo experimentan la replicación del ADN durante la fase S del ciclo celular. | La replicación en procariotas tiene lugar de forma casi continua. |
Dr. Martin Passen, a dedicated nutrition educator with a master’s in nutrition education and nearing completion of a clinical nutrition and dietetics master’s. Passionate about sharing valuable information effectively.