Tema 43 Etapas en el proceso de la replicación: inicio , elongación , terminación, replicación de telómeros

tema 43 Etapas en el proceso de la replicación: inicio (actividad de las proteínas involucradas topoisomeras, helicasas, proteína de unión a cadena sencilla y primasa), elongación (mecanismo de elongación en la cadena continua y en la discontinua, fragmentos de Okazaki), terminación, replicación de telómeros

1. 43-Etapas en el proceso de la replicación: inicio (actividad de las proteínas involucradas topoisomeras , helicasas , proteína de unión a cadena sencilla y primasa ), elongación (mecanismo de elongación en la cadena continua y en la discontinua, fragmentos de Okazaki ), terminación, replicación de telómeros . UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA TRIMESTRE 15 – O PROFESOR: JORGE ANTONIO AMÉZQUITA LANDEROS MODULO: PROCESOS CELULARES FUNDAMENTALES ALUMNA: THANIA SARAHI ÁLVAREZ ROMÁN TEMA:

2. Iniciación La replicación es el modo de perpetuar la información genética, y asegurar una copia fiel de la información en cada una de las células producidas por división. Se divide en tres etapas: Iniciación, elongación y terminación.  La replicación comienza siempre en la secuencia ORI  u origen de la replicación. En esta sección se encuentran las llamadas proteínas iniciadoras ( girasas ) que se encargan de desestabilizar la estructura helicoidal del ADN, abriéndola y fijándola para que no se vuelva a enrollar. Al separar las cadenas, otras proteínas ( helicasas ) se encargan de romper los enlaces de hidrógeno, a partir de aquí se forma la horquilla de replicación que es asimétrica. Por último las proteínas SSB y topoisomerasas impiden que se formen otras estructuras secundarias, pues de la doble hélice original se formaran dos nuevas moléculas, siguiendo el patrón semiconservativo .

3. La replicación del cromosoma de E. coli se inicia en una secuencia de origen denominada ori C . Este origen consta de 245 pb y contiene secuencias muy conservadas entre los orígenes de replicación bacterianos. Las secuencias clave son dos series de repeticiones cortas: una de las series consta de tres repeticiones de una secuencia de 13 pb , con una cantidad abundante de A y T (puede desnaturalizarse con facilidad) y la otra serie está formada por cuatro repeticiones de una secuencia de 9 pb . En la fase de iniciación de la replicación participan al menos ocho enzimas o proteínas diferentes. Éstas se encargan de abrir la hélice del ADN en el origen y establecen un complejo precebador para las reacciones posteriores. El componente clave en el proceso de iniciación es la proteína DnaA . Un complejo formado por unas 20 moléculas de proteína DnaA se une a las cuatro repeticiones de 9 pb en el origen, a continuación reconoce y sucesivamente desnaturaliza el ADN en la región de las repeticiones de 13 pb . Este proceso requiere ATP y la proteína bacteriana HU, del tipo de las histonas, que facilita que el ADN se doble y desenrolle. Seguidamente, la proteína DnaB se une a esta región, en una reacción que requiere la proteína DnaC . Dos hexámeros de DnaB , uno en cada horquilla, actúan de helicasa , desenrollando el ADN de manera bidireccional y creando dos horquillas de replicación potenciales. Simultáneamente muchas moléculas de la proteína de unión al ADN de cadena sencilla (SSB) se fijan de manera cooperativa al ADN, estabilizando las cadenas separadas e impidiendo su renaturalización . Otra enzima, la ADN girasa (una ADN topoisomerasa ) alivia la tensión topológica creada por la DnaB helicasa .

4. iniciación es la única fase de la replicación que está regulada, de modo que sólo tenga lugar una vez cada ciclo celular.

5. Incluso con el molde de ADN expuesto, no se puede sintetizar un nuevo ADN a menos que se construya un cebador . Recordemos que todas las ADNp conocidas necesitan un cebador con un grupo OH libre en el extremo 3´ para sintetizar ADN en dirección 5´  3´. Kornberg descubrió que durante la replicación había sobre el ADN pequeñas cantidades de ARN. Este ARN, de entre 10 y 60 nucleótidos, es precisamente el que hace de cebador y es sintetizado por la enzima primasa (proteína DnaG , que es una ARN polimerasa, las cuales, como veremos después, no necesitan cebador) y sobre el que la ADNp III añade desoxirribonucleótidos en la fase de elongación

6. Elongación La RNA primasa reconoce el inicio de la replicación y es la que  genera el fragmento cebador (de ARN 5’ a 3’), que luego se desprenderá. En esta etapa la ADN polimerasa reconoce el extremo 3’ del cebador e inicia la elongación de la cadena. La ADN polimerasa es la que se encarga de la síntesis de DNA, por lo que siempre va en dirección 5’ a 3’. En una de las cadenas existe el límite que produce la abertura de la cadena madre (cadena retardada), por lo que la elongación se produce discontinuamente gracias a la producción de pequeños fragmentos (fragmentos de okazaki ). La otra cadena (cadena líder) es continua hasta encontrar un nuevo punto de iniciación de la replicación. La fase de elongación consiste en dos operaciones distintas pero relacionadas: la síntesis de la hebra conductora y la síntesis de la hebra rezagada. La síntesis de la hebra conductora empieza con la síntesis del cebador de ARN por la primasa en el origen de replicación. A continuación la ADNp III adiciona desoxirribonucleótidos a este cebador. Una vez iniciada, la síntesis de la hebra conductora transcurre de manera continua, al mismo ritmo que el desenrollamiento del ADN en la horquilla de replicación.

7. La síntesis de la hebra rezagada se realiza a trozos. Primero, un cebador de ARN es sintetizado por la primasa y, como en la síntesis de la hebra conductora, la ADNp III se une al cebador de ARN y añade desoxirribonucleótidos . A este nivel, la síntesis de los fragmentos de Okazaki parece sencilla, pero es en realidad muy compleja. Esta complejidad reside en la coordinación de la síntesis de las hebras conductora y rezagada, puesto que ambas hebras son producidas por un único dímero asimétrico de ADNp III. Para ello la hebra molde de la cadena rezagada forma un bucle para aproximar los dos puntos de polimerización y conseguir que las dos cadenas en síntesis tengan la misma polaridad.

8. La síntesis de los fragmentos de Okazaki pone en juego complejas actividades enzimáticas. La helicasa DnaB y la primasa constituyen una unidad funcional dentro del complejo de replicación, denominada primosoma . La ADNp III usa un juego de subunidades núcleo (polimerasa núcleo) para la síntesis continua de la hebra conductora, mientras que el otro juego de subunidades núcleo circula entre un fragmento de Okazaki y el siguiente sobre el bucle. A medida que el ADN es desenrollado por la helicasa DnaB en la horquilla de replicación, la primasa ocasionalmente se asocia con la helicasa DnaB y sintetiza un corto cebador de ARN. Una nueva abrazadera deslizante β es entonces posicionada en el cebador por el complejo cargador de la abrazadera de la ADNp III. Cuando se ha completado la síntesis de un fragmento de Okazaki , la replicación se detiene y las subunidades núcleo de la ADNp III se disocian de su abrazadera deslizante y se asocian con la siguiente. Ello inicia la síntesis de un nuevo fragmento de Okazaki . EL proceso permite la síntesis de unos 1000 nucleótidos por segundo en cada hebra. Una vez finalizada la síntesis de un fragmento de Okazaki , su cebador es eliminado y reemplazado con ADN por la ADNp I (actividad exonucleasa 5´  3´ y polimerasa, respectivamente) y la mella restante es sellada por una ADN ligasa . La ADN ligasa cataliza la formación de un enlace fosfodiéster entre un OH 3´, al final de un fragmento, y un fosfato 5´ al final de otro fragmento. La energía necesaria se obtiene acoplando la reacción a la escisión de NAD+ (E. coli y otras bacterias) o de ATP (eucariotas y algunos virus).

9. Terminación Al finalizar la etapa anterior entra en participación la DNA polimerasa de tipo I con actividad endonucleasa , la cual degrada los cebadores y rellena los huecos usando el extremo 3’ de la cadena anterior. Otra enzima ( ligasa ) es la encargada de sellar los cortes que quedan. 

10. Finalmente, las dos horquillas de replicación del cromosoma circular de E. coli se encuentran en una región terminal que contiene múltiples copias de una secuencia de 20 pb denominada Ter (por ter minal). Las secuencias Ter actúan en el cromosoma como una especie de trampa donde una horquilla de replicación puede entrar pero no salir. Las secuencias Ter son lugares de unión para una proteína denominada Tus (por s ustancia de u tilización del t erminal en inglés). El complejo Ter -Tus puede detener la replicación desde una sola dirección. Sólo actúa un complejo Ter -Tus por ciclo de replicación. Cuando una horquilla de replicación topa con un complejo Ter -Tus se detiene; la otra horquilla se detiene cuando encuentra a la primera ya detenida. Los pocos centenares de pares de bases finales entre estos grandes complejos proteicos son replicados a continuación mediante un mecanismo aún desconocido. El resultado son dos cromosomas circulares ligados en el espacio. Los círculos de ADN unidos de este modo se denominan concatenados ; su separación requiere, en E. coli , una topoisomerasa . Los cromosomas separados son segregados en las células hijas en la división celular.

11. ORGANISMO SECUENCIA LONGITUD kb Tetrahymena TTGGGG 0.4-0.6 Oxitrichia TTTTGGGG 0.032 Euplotes TTTTGGGG 0.18 Ratón TTAGGG 100-150 Hombre TTAGGG 2-20 Replicación de telómeros Los telómeros son estructuras cuya función principal es dar estabilidad al cromosoma, de hecho los cromosomas partidos se degradan por los extremos sin telómeros . Se ha visto que los telómeros están formados por secuencias de longitud muy variable formadas por repeticiones de secuencias muy cortas ricas en G, sobre todo se han estudiado en protozoos ciliados, como  Tetrahymena ,  Euplotes  y  Oxitrichia , ya que en su desarrollo los cromosomas se fragmentan adicionándose 40 000-100 000 telómeros , dependiendo de la especie.

12. Los telómeros tienen extremos protuberantes en 3’.  Al eliminarse el iniciador, el DNA se iría acortando en cada ronda de replicación, por lo que ha de haber un mecanismo que alargue los telómeros   en el que juega un papel central la telomerasa , un complejo ribonucleoprotéico (RNA + proteínas) que sintetiza DNA con un molde RNA. La telomerasa contiene un corto componente RNA de 159 bases (en Tetrahymena , 192 bases en Euplotes ). Cada RNA incluye una secuencia de 15-22 bases que es idéntica a 2 repeticiones de una secuencia rica en repeticiones de C. Este RNA proporciona el molde para sintetizar repeticiones ricas en G. Las bases son añadidas individualmente en la secuencia correcta.  La enzima avanza discontinuamente: el molde de RNA se posiciona sobre el primer de DNA, varios nucleótidos se adicionan al primer y entonces la enzima se transloca (molde movible), para comenzar otra vez y así se van sintetizando las secuencias repetidas del telómero . Este mecanismo permite el alargamiento del extremo protuberante en 3’: No se conoce como la cadena complementaria al telómero se ensambla, pero se puede especular que se sintetiza usando los extremos 3’OH de una horquilla terminal GT como cebador para la síntesis de DNA, así el telómero sintetizado a su vez sirve de molde para que la DNA polimerasa sintetice la complementaria dando lugar a DNA de banda doble

13. La longitud de los telómeros permanece más o menos constante en células con telomerasa . Pero la telomerasa no es siempre activa en todos los organismos eucariotas, y en este caso los telómeros se acortarán; la telomerasa es activa en: ·      Eucariotas unicelulares (levadura). ·      Células germinales de organismos superiores. ·      Algunas pocas células somáticas. ·      La mayor parte de células tumorales humanas. 

14. Fuentes de consulta: Dr. Rolando A. Hernández Fernández. (1999). Telómeros y telomerasas . Rev Cubana Invest Biomed , 18, 128-9. CONFERENCIAREPLICACIÓN DEL DNA PÁGINA 5,2010 Sitio web: http://fbio.uh.cu/sites/genmol/confs/conf4/index.htm   Rocio Garcia . (2011). Fases del proceso de la replicación. 21 de abril 2011, de Enfermería en Inmunología y Genética Sitio web: http://enfermeraeninmunologaygentica.blogspot.mx/2011/04/fases-del-proceso-de-la-replicacion.html