- La replicació de l'ADN és semiconservativa
- Replicació en bateries
- Inici de la replicació de l'ADN en bacteris
- Biosíntesi de les cadenes d'ADN filles en bacteris
- Un complex d'enzims s'encarrega de la replicació de l'ADN en bacteris
- Els desoxiribonucleótidos trifosfatos són utilitzats per l'ADN polimerasa
- Mecanismes que asseguren la fidelitat de replicació de l'ADN
- Replicació de l'ADN en eucariotes
- La replicació de l'ADN en eucariotes i el cicle cel·lular
- Replicació dels extrems dels cromosomes en els eucariotes
- Les funcions d'altres ADN polimerases en els eucariotes
- La replicació de l'ADN en arqueobacteris
- referències
La replicació de l'ADN (àcid desoxiribonucleic) consisteix a copiar el genoma, és a dir, tota la informació genètica continguda en l'ADN d'un organisme, per produir dues còpies idèntiques. El genoma posseeix la informació necessària per construir un organisme complet.
Abans de la divisió cel·lular, ocorre la replicació de l'ADN. Mitjançant la meiosi, es produeixen gàmetes per a la reproducció sexual. Mitjançant la mitosi, es produeix la substitució de cèl·lules (per exemple, de la pell i la sang) i el desenvolupament (per exemple, de teixits i òrgans).
Font: I, Madprime
El coneixement de l'estructura de l'ADN permet entendre la manera en què ocorre la seva replicació. L'estructura de l'ADN consisteix en una doble hèlix, composta per dues cadenes antiparal·leles de nucleòtids successius, les bases nitrogenades es complementen de forma específica.
Durant la replicació, cadascuna de les cadenes de la doble cadena d'ADN actua com a motlle per a la biosíntesi d'una nova cadena. Les dues cadenes acabades de sintetitzar tenen bases que són complementàries de les bases de la cadena motlle: adenina (A) amb timina (T), i citosina (C) amb guanina (G).
Diverses enzims i proteïnes participen en la replicació de l'ADN. Per exemple, obrint la doble hèlix d'ADN, mantenint l'ADN obert, i addicionant desoxiribonucleosidos-5'-trifosfat (dNTP) per formar la cadena nova.
La replicació de l'ADN és semiconservativa
Basant-se en l'estructura de l'ADN, Watson i Crick van proposar que la replicació de l'ADN ocorre de forma semiconservativa. Això va ser demostrat per Meselson i Stahl mitjançant el marcatge de l'ADN d'Escherichia coli amb el isotopo pesat de l'nitrogen, 15 N, seguint per diverses generacions el patró de distribució en un mitjà de cultiu amb nitrogen lleuger, 14 N.
Meselson i Stahl van trobar que, en la primera generació, les dues molècules d'ADN filles tenien, cada molècula marcada amb una cadena amb l'isòtop pesat de nitrogen i una altra amb el isotopo lleuger. A diferència de la molècula d'ADN parental, que tenia les dues cadenes marcades amb el isotopo pesat, 15 N.
A la segona generació, el 50% de les molècules d'ADN eren com les de la primera generació, i l'altre 50% tenien únicament nitrogen lleuger. La interpretació d'aquest resultat és que la doble hèlix filla tenen una cadena parental (que funciona com motlle) i una cadena nova.
El mecanisme de replicació semiconservativa implica la separació de les cadenes de l'ADN i aparellament de bases complementària mitjançant l'aparellament de nucleòtids successius, produint dues dobles hèlixs filles.
Replicació en bateries
Inici de la replicació de l'ADN en bacteris
L'ADN dels bacteris consisteix d'un cromosoma circular i té només un lloc d'origen de la replicació. A partir d'aquest lloc, la biosíntesi de les dues cadenes filles succeeix bidireccionalment, formant-se dues forquetes de replicació que es mouen en direccions oposades a l'origen. A la fi, les forquilles es troben, completant la replicació.
La replicació comença amb la unió de les proteïnes DnaA a el lloc d'origen. Aquestes proteïnes al seu torn formen un complex. Després s'uneixen les proteïnes HU i IHF, entre d'altres, que en conjunt doblen l'ADN, ocasionant la separació de les dues cadenes d'ADN en una regió rica en timina i adenina.
Seguidament, s'uneixen proteïnes DNAC, les quals fan que s'uneixin les helicasas de l'ADN. Aquestes ajuden a desenrotllar l'ADN ia trencar els enllaços d'hidrogen, formats entre parells de bases. Llavors, les dues cadenes se separen encara més, formant dues cadenes simples.
La topoisomerasa II, o girasa de l'ADN, es mou al davant de la helicasa de l'ADN disminuint els superenrollamientos positius. Les proteïnes d'unió a l'ADN d'una sola cadena (SSB) mantenen les cadenes de l'ADN separades. Així, la biosíntesi de la cadena filla pot començar.
Biosíntesi de les cadenes d'ADN filles en bacteris
L'enzim primasa s'encarrega de sintetitzar cadenes curtes d'ARN anomenades encebadors, les quals tenen de 10 a 15 nucleòtids de longitud. La ADN polimerasa comença a afegir desoxinucleósidos 5'-trifosfat (dNTPs) a l'extrem 3'-OH de l'sucre de l'encebador, després d'això la cadena continua creixent pel mateix extrem.
A causa de que les cadenes de l'ADN són antiparal·leles, un encebador és sintetitzat a la cadena guia i molts encebadors en la cadena retardada. A causa d'això, la biosíntesi de la cadena retardada és discontínua. Malgrat que les cadenes de l'ADN són antiparal·leles, la forquilla de replicació es mou en una sola direcció.
La ADN polimerasa s'encarrega de la formació d'enllaços covalents entre nucleòtids adjacents de les cadenes acabades de sintetitzar, en direcció 5'®3 '. En E. coli, hi ha cinc ADN polimerases: les ADN polimerases I i III realitzen la replicació de l'ADN; i les ADN polimerases II, IV i V s'encarreguen de reparar i replicar l'ADN danyat.
La major part de la replicació és realitzada per l'ADN polimerasa III, la qual és una holoenzima que posseeix 10 subunitats diferents amb diverses funcions en la replicació de l'ADN. Per exemple, la subunitat alfa s'encarrega de realitzar enllaços entre nucleòtids.
Un complex d'enzims s'encarrega de la replicació de l'ADN en bacteris
La helicasa de l'ADN i la primasa s'uneixen per formar un complex denominat primosoma. Aquest es mou al llarg de l'ADN, actuant de forma coordinada per separar les dues cadenes parentals, sintetitzant els encebadors cada cert interval sobre la cadena retardada.
El primosoma s'uneix físicament a l'ADN polimerasa III, i forma el replisoma. Dos ADN polimerases III s'encarreguen de replicar l'ADN de les cadenes guia i retardada. Pel que fa a l'ADN polimerasa III, la cadena retardada forma un llaç cap a fora, la qual cosa permet que l'addició de nucleòtids a aquesta cadena succeeixi en la mateixa direcció de la cadena guia.
L'addició de nucleòtids a la cadena guia és contínua. Mentre que a la retardada és discontínua. Es formen fragments de 150 nucleòtids de longitud, denominats fragments d'Okazaki.
L'activitat de exonucleasa 5 '-> 3' de l'ADN polimerasa I s'encarrega d'eliminar els encebadors i d'omplir, afegint nucleòtids. Un enzim ligasa segella els buits entre fragments. La replicació acaba quan les dues hoquillas de replicació es troben en una seqüència de terminació.
La proteïna teus s'uneix a la seqüència de terminació, aturant el moviment de la forquilla de replicació. La topoisomerasa II permet la separació dels dos cromosomes.
Els desoxiribonucleótidos trifosfatos són utilitzats per l'ADN polimerasa
El desoxinucleósido trifosfat (dNTP) conté tres grups fosfat units a l'carboni 5 'de la desoxiribosa. Els dNTPs (dATP, dTTP, dGTP i dCTP) s'uneixen a la cadena motlle seguint la regla AT / GC.
La ADN polimerasa catalitza la reacció següent: el grup hidroxil (-OH) 3 'de l'nucleòtid de la cadena creixent reacciona amb el fosfat alfa de l'dNTP entrant, alliberant pirofosfat inorgànic (PPi). La hidròlisi de PPi produeix l'energia per a la formació de l'enllaç covalent, o enllaç fosfodiéster, entre nucleòtids de la cadena creixent.
Mecanismes que asseguren la fidelitat de replicació de l'ADN
Durant la replicació de l'ADN, l'ADN polimerasa III comet un error per 100 milions de nucleòtids. Tot i que la probabilitat d'error és molt baixa, hi ha mecanismes que asseguren la fidelitat en la replicació de l'ADN. Aquests mecanismes són:
1) Estabilitat en l'aparellament de bases. L'energia d'enllaç d'hidrogen entre AT / GC és més gran que en parells de bases errònies.
2) Estructura de el lloc actiu de l'ADN polimerasa. La ADN polimerasa catalitza preferencialment unions de nucleòtids amb bases correctes en la cadena oposada. Un mal aparellament de bases ocasiona una distorsió de la doble hèlix d'ADN, que evita que el nucleòtid incorrecte ocupi el lloc actiu de l'enzim.
3) Prova de lectura. La ADN polimerasa identifica els nucleòtids erronis incorporades i els elimina de la cadena filla. L'activitat exonucleasa de l'ADN polimerasa trenca els enllaços fosfodiéster entre nucleòtids a l'extrem 3 'de la cadena nova.
Replicació de l'ADN en eucariotes
A diferència de la replicació en procariotes, la replicació comença en un sol lloc, la replicació en eucariotes comença a múltiples llocs d'origen i la forquilla de replicació es mou bidireccionalment. Posteriorment, totes les forquilles de replicació es fusionen, formant-se dues cromàtides germanes unides en el centròmer.
Els eucariotes posseeixen molts tipus d'ADN polimerasa, els noms fan servir lletres gregues. La ADN polimerasa α forma un complex amb la primasa. Aquest complex sintetitza encebadors curts que consten de 10 nucleòtids d'ARN seguits de 20 a 30 nucleòtids d'ADN.
Després, l'ADN polimerasa ε o δ catalitza l'elongació de la cadena filla a partir de l'encebador. La ADN polimerasa ε està implicada en la síntesi de la cadena líder, mentre que l'ADN polimerasa δ sintetitza la cadena retardada.
La ADN polimerasa δ allarga el fragment d'Okazaki de l'esquerra fins a arribar al cebador d'ARN de la dreta, produint un aixecament curt de l'encebador («short flap»). A diferència dels procariotes, on una ADN polimerasa elimina l'encebador, en els eucariotes un enzim endonucleasa Flap elimina l'encebador d'ARN.
A continuació, una ligasa d'l'ADN segella els fragments d'ADN que es troben adjacents. La terminació de la replicació té lloc amb la dissociació de proteïnes de la forquilla de replicació.
La replicació de l'ADN en eucariotes i el cicle cel·lular
La replicació en eucariotes ocorre en la fase S de l'cicle cel·lular. Les molècules d'ADN replicades són segregades en dues cèl·lules filles durant la mitosi. Les fases G1 i G2 separen la fase S i la mitosi. La progressió a través de cada fase de l'cicle cel·lular està altament regulada per quinases, fosfatases i proteases.
En la fase G1 de el cicle cel·lular, el complex de reconeixement de l'origen (OCR) s'uneix a el lloc d'origen. Això indueix la unió de helicasas MCM i altres proteïnes, com Cdc6 i Cdt1, perquè formin un complex de pre-replicació (preRC). Les helicasa MCM s'uneix a la cadena guia.
En la fase S, preRC es converteix en un lloc de replicació actiu. Les proteïnes OCR, Cdc6 i Cdt1 són alliberades, i la helicasa MCM es mou en la direcció de l'3 'a la 5'. Una vegada que acaba la replicació, aquesta serà reiniciada en el següent cicle cel·lular.
Replicació dels extrems dels cromosomes en els eucariotes
Als extrems dels cromosomes se'ls coneix com telòmers, els quals consisteixen en seqüències repetides en tàndem, i d'una regió 3 'que sobresurt, de 12 a 16 nucleòtids de longitud.
La ADN polimerasa és incapaç de replicar l'extrem 3 'de les cadenes d'ADN. Això es deu al fet que la DNA polimerasa només pot sintetitzar ADN a la direcció 5'-3 ', i només pot allargar cadenes preexistents, sense poder sintetitzar un encebador en aquesta regió. En conseqüència, els telòmers s'escurcen en cada ronda de replicació.
L'enzim telomerasa evita l'escurçament dels telòmers. La telomerasa és un enzim que posseeix subunitats de proteïna i RNA (TERC). Aquest últim s'uneix a les seqüències repetides de l'ADN, i permet que la telomerasa s'uneixi a l'extrem 3 'de l'telòmer.
Una seqüència d'ARN darrere de l'situat d'unió funciona com a motlle per a la síntesi d'una seqüència de sis nucleòtids (polimerització) a l'extrem de la cadena d'ADN. L'allargament de l'telòmer és catalitzat per subunitats de la telomerasa, denominats transcriptasa inversa de la telomerasa (TERT).
Després de la polimerització, té lloc la translocalización, consistent en el moviment de la telomerasa a un nou extrem de la cadena d'ADN, unint sis nucleòtids fins al final.
Les funcions d'altres ADN polimerases en els eucariotes
La ADN polimerasa β té un paper important en l'eliminació de bases incorrectes de l'ADN, però no està implicada en la replicació de l'ADN.
Moltes ADN polimerases descobertes pertanyen a el grup de les polimerases «translesion-replicating». Aquestes polimerases s'encarreguen de sintetitzar cadenes complementàries en una regió d'ADN danyat.
Hi ha diversos tipus de polimerases «translesion-replicating». Per exemple, l'ADN polimerasa η pot replicar sobre dímers de timina, que són produïts per llum UV.
La replicació de l'ADN en arqueobacteris
La replicació de l'ADN d'arqueobacteris és similar a la que es dóna en eucariotes. Això es deu al següent: 1) les proteïnes que participen en la replicació s'assemblen més a les d'eucariotes que a les de procariotes; i 2) encara que només hi ha un lloc de replicació tal com en els procariotes, la seva seqüència és similar a el lloc d'origen d'eucariotes.
La similitud en la replicació entre els Arquea i els eucariotes dóna suport a la idea que tots dos grups estan filogenèticament més relacionats entre si que qualsevol de tots dos amb els procariotes.
referències
- Brooker, RJ 2018. Genetics analysis and principles. McGraw-Hill, Nova York.
- Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetics - from gens to genomes. McGraw-Hill, Nova York.
- Kušić-Tisma, J. 2011. Fonamental aspects of DNA replication. InTech Open access, Croàcia.
- Lewis, R., 2015. Human genetics concepts and applications. McGraw-Hill, Nova York.
- Pierce, BA 2005. Genetics - a conceptual approach. WH Freeman, Nova York.