Replicación del ADN: procesividad, fidelidad y corrección de errores

Resumen

El texto explica los mecanismos moleculares de la replicación del ADN, desde la fidelidad y la estructura de la ADN polimerasa hasta la actividad de corrección de errores (proofreading) basada en la metilación. También describe las proteínas implicadas en la replicación, como helicasas, topoisomerasas, primasa y ligasas, así como los fragmentos de Okazaki y algunas moléculas de ARN con función reguladora o catalítica.

Puntos clave

La procesividad es la capacidad de una enzima de catalizar múltiples reacciones sin abandonar el sustrato.
La ADN polimerasa comete aproximadamente un error cada 10^5 bases polimerizadas, debido a la tautomería de las bases.
La ADN polimerasa presenta actividad polimerasa (5'→3'), actividad exonucleasa (3'→5') y un centro activo con dos cationes divalentes.
La corrección de errores distingue la cadena nueva de la vieja porque las cadenas maduras están metiladas y la nueva aún no lo está.
La helicasa desenrolla la doble hélice, las SSBs estabilizan la cadena sencilla y las topoisomerasas eliminan los superenrollamientos.
La primasa sintetiza un cebador de ARN, que la ARNasa H elimina antes de ser rellenado por la ADN polimerasa I en procariotas.
Los fragmentos de Okazaki se sintetizan de forma discontinua en la hebra rezagada.

Ponte a prueba

Mecanismos Moleculares de la Replicación del ADN

Procesividad Enzimática

El término "procesividad" se define como la capacidad de una enzima de catalizar múltiples reacciones sin abandonar el sustrato.

Fidelidad de la ADN Polimerasa

La ADN polimerasa (ADNpol) puede cometer errores durante la polimerización, estimándose un error de 1 cada $10^5$ bases polimerizadas, debido a la tautomería de las bases.

Estructura y Funciones de la ADN Polimerasa

La estructura de la ADNpol presenta tres dominios funcionales principales:

Actividad polimerasa (síntesis en dirección $5' \rightarrow 3'$).
Actividad exonucleasa ($3' \rightarrow 5'$), crucial para la corrección de errores.
Un centro activo asociado a dos cationes divalentes.

Cuando la ADNpol incorpora la base correcta, la velocidad de síntesis aumenta, favoreciendo el equilibrio hacia la polimerización. Sin embargo, si la base es incorrecta, la velocidad disminuye, y el equilibrio se inclina más hacia el centro con actividad exonucleasa, permitiendo la corrección.

Actividad de Corrección de Errores (Proofreading)

La actividad proofreading es un mecanismo esencial para reparar errores de emparejamiento de bases.

Detección de la Cadena Nueva vs. Vieja

El mecanismo para identificar qué cadena corregir se basa en la metilación:

Los carbonos de las cadenas de ADN maduras están metilados.
Al abrirse la horquilla de replicación, las citosinas (C) de la cadena recién sintetizada aún no están metiladas; la metilación ocurre posteriormente.
La enzima detecta la base incorrecta en la cadena no metilada (la nueva) y recorre la hebra hasta encontrar la base correspondiente en la cadena vieja (metilada) para confirmar cuál es la plantilla y cuál la recién formada.

Mecanismo de Replicación: Proteínas Involucradas

La replicación requiere la acción coordinada de diversas proteínas:

Topoisomerasas: Desmontan las superenrollamientos (supervueltas) que se forman al abrirse la horquilla de replicación.
ADN ligasas: Unen fragmentos de ADN (como los fragmentos de Okazaki).
ADN helicasa: Desenrolla la doble hélice de ADN.
Proteínas de unión a cadena sencilla (SSBs - Single Strand Binding proteins): Se enlazan a la cadena sencilla, estabilizan las cadenas separadas y las mantienen desenrolladas.
Primasa: Es una polimerasa que sintetiza un cebador (primer) de ARN utilizando la cadena molde; no necesita una cadena doble preexistente para iniciar. Se activa en contacto con la helicasa.
ADNpol: Formada por 6 dominios, es una proteína exomérica. Requiere hidrólisis de ATP para la separación de las cadenas de ADN (aunque la helicasa es la principal responsable del desenrollamiento).
Sliding DNA clamps (Pinzas deslizantes): Aumentan significativamente la procesividad de la ADNpol.
ARNasa H: Elimina el ARN sintetizado por la primasa, dejando un espacio (gap) de ADN que será rellenado por la ADNpol I (en procariotas).

Fragmentos de Okazaki

Los fragmentos de Okazaki son secuencias cortas de ADN sintetizadas discontinuamente en la hebra rezagada durante la replicación.

Otras Moléculas de ARN y su Función

Riboswitch

Un Riboswitch es un elemento regulador del ARN que puede cambiar su conformación (abrirse o cerrarse) en respuesta a la temperatura u otras condiciones ambientales.

Ribozimas (Enzimas de ARN)

Las Ribozimas son moléculas de ARN con actividad catalítica:

ARNr (ARN ribosomal): Participa en la formación del enlace peptídico durante la traducción.
small ARN (ARN pequeños): Familia de ARN cortos que participan en el splicing (unión de exones). Para esto, primero deben eliminarse los intrones, proceso mediado por el SPLICEOSOMA, complejo constituido por small ARN y proteínas.
Complejo ARNasa P: Corta un fragmento del extremo $3'$ del pre-ARNt; en este punto se enlaza un aminoácido (aa), resultando en el ARNt maduro.
Viroids de plantas: Agentes infecciosos de ARN monocatenario que carecen de cubierta proteica.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la procesividad enzimática?

Es la capacidad de una enzima para catalizar múltiples reacciones sin abandonar el sustrato. En la replicación, las pinzas deslizantes (sliding DNA clamps) aumentan notablemente la procesividad de la ADN polimerasa.

¿Cómo distingue la célula la cadena nueva de la vieja durante la corrección de errores?

Se basa en la metilación: las cadenas maduras están metiladas, mientras que la cadena recién sintetizada aún no lo está. La enzima detecta la base incorrecta en la cadena no metilada y la compara con la cadena metilada para confirmar cuál es la plantilla.

¿Qué función tiene la ARNasa H en la replicación?

Elimina el ARN sintetizado por la primasa, dejando un hueco (gap) de ADN. Este hueco es rellenado posteriormente por la ADN polimerasa I en procariotas.