Estructura y Replicación de Ácidos Nucleicos, Las Enzimas Involucradas en La Replicación del ADN

Los pasos involucrados en el empaquetamiento de DNA en los organismos eucariotas

A lo largo del ciclo celular, la cromatina sufre cambios muy notables ya que el DNA eucarionte se combina de manera exacta con una gran cantidad de proteínas. La longitud condensada los cromosomas eucariontes se debe a la gran cantidad de DNA, donde cada DNA consta de una doble hélice y única. El empaquetamiento del DNA se da gracias a un sistema de múltiples niveles, a continuación se describe cada paso:

1. DNA unido a histonas, formando nucleosomas: un nucleosoma cuenta con ocho moléculas de histona con el extremo de la cola cada proyección hacia afuera
2. Los nucleosomas forman “cuentas” sobre una “hebra” de DNA : se da durante la interfase
3. Los nucleosomas se empaquetan en un espiral que se enrolla en otro espiral y así sucesivamente: se da durante la profase
4. Los espirales se pliegan formando asas
5. Las asas se enrollan y forman cromosomas

Un análisis crítico de las características del ADN y ARN para que sea considerado el material genético

Debido a que los ácidos nucleicos son grandes moléculas formadas por nucleótidos que realizan funciones esenciales en el metabolismo celular y que aseguran la transmisión de la información genética de unas células a otras. Los nucleótidos son las unidades que componen los ácidos nucleicos pero, a su vez, el nucleótido es una molécula compleja formada por la unión de moléculas diferentes: una base nitrogenada, un azúcar y uno o varios grupos fosfato.

En este sentido las características que debe cumplir el ADN y el ARN para ser considerado como el material encargado de portar la herencia biológica son principalmente: guardar información, permitir copiar fielmente dicha información, posibilitar cierta capacidad de cambio, de alteración de la misma, además de llevar a cabo el proceso de síntesis de proteínas.

En 1944, Oswald Avery, C. MacLeod y M. McCarty proporcionaron la prueba de que ese factor transformante eran los ácidos nucleicos, es decir, que el material genético de la célula son el ADN y el ARN.

En qué sentido se sintetiza el ADN: 3’→ 5’, 5’→ 3’

Las ADN polimerasas (las enzimas encargadas de sintetizar ADN) solamente saben sintetizar ADN en la dirección 5′ – 3′. Es decir, solamente son capaces de añadir nucleótidos al extremo 3′ OH de otro nucleótido trifosfato. Las ADN polimerasas necesitan un extremo 3′ OH al que añadir nucleótidos trifosfato para comenzar la síntesis de ADN. Una doble hélice de ADN siempre es antiparalela; en otras palabras, una cadena corre en dirección 5′ a 3′, mientras que la otra corre de 3′ a 5′. Esto hace necesario que las dos cadenas nuevas, que también son antiparalelas a sus moldes, se produzcan de formas ligeramente diferentes.

Qué se entiende por síntesis bidireccional

La replicación puede ser unidireccional o bidireccional, ello viene determinado por la formación de una o dos horquillas de replicación en el origen; en la replicación bidireccional se forman dos horquillas que se alejan del origen en direcciones opuestas; esta es comenzada en un punto de la molécula de ADN el proceso se desarrolla hacia los dos extremos de la cadena; en cada lazo, los extremos u horquillas de replicación avanzan en el proceso de síntesis hasta completar la copia.

El significado biológico del Dogma Central de la Biología Molecular

El significado biológico del Dogma central de la biología molecular presenta una gran importancia ya que gracias a Watson y Crick como grandes científicos del siglo XX, contribuyeron de manera significativa el avance a esta rama. Desde el punto de vista biológico se basa principalmente en en las reglas de apareamiento de las bases nitrogenadas donde las dos cadenas conformadas por cuatro nucleótidos diferentes, cada uno constituido de un grupo fosfato un azúcar (desoxirribosa) y una base nitrogenada, con su respectivo molde y dar origen a otra nueva complementaria en el proceso de división celular y posee un modelo de la transmisión de la información hereditaria de generación en generación. Finalmente en los aportes de los científicos mencionados inicialmente mencionados especialmente Crick contribuyó con la biología para dejar de ser descriptiva para ser una ciencia fundamentalmente experimental y comprobar los estudios.

Propiedades que debe reunir una molécula para ser el material hereditario:

• Almacenar información biológica de forma estable
• Se duplican y pasan a la generación siguiente
• De algún modo controlan los caracteres hereditarios
• Mutación y recombinación

Las etapas de iniciación, elongación y terminación del proceso de replicación del ADN

Fase de iniciación: El origen de la replicación es una porción de ADN que contiene una secuencia característica de bases. Este segmento es reconocido por una proteína denominada ADN-A.

Fase de elongación: La elongación consiste en la formación del cebador y la síntesis de la cadena de ADN. El proceso se caracteriza por no desarrollarse de forma idéntica en ambas hebras. La síntesis en la cadena conductora o continua requiere únicamente que actúe la primasa formando un cebador de ARN de unos 10 a 60 nucleótidos, para a continuación penetrar la ADN polimerasa III y realizar la polimerización de desoxirribonucleótidos. En la cadena retrasada se forma un conjunto proteico en el que se localizan siete proteínas distintas además de la primasa (primosoma). Este grupo se desplaza a lo largo del molde de la hebra retrasada en dirección 5′ →3′ sintetizando a intervalos un corto cebador de ARN, al que se unirá ADN formado por la ADN polimerasa III. El hecho de que las direcciones de trabajo de la primasa y la polimerasa sean contrarias a la dirección de crecimiento de la hebra, y de que el proceso sea uniforme en ambas hebras, viene justificado por el hecho de que la ADN polimerasa III es una proteína dimérica. Esta enzima obliga a la cadena molde de la hebra retrasada a formar un bucle sobre la misma. De esta forma, la dirección de síntesis es la misma en ambas hebras. Al ir desarrollándose la polimerización el bucle aumenta hasta contactar con el fragmento de Okazaki previo, forzando a la polimerasa a separarse o disociarse y a recomenzar de nuevo el proceso dónde se ha formado el nuevo cebador y ella creará el nuevo bucle. En una fase posterior se eliminan los segmentos de ARN cebador, por acción de la actividad exonucleasa 5’→3′ de la ADN polimerasa I, quien también se encarga de rellenar los trozos ocupados por el cebador. Por último, la ADN ligasa une los segmentos catalizando la formación de un enlace fosfodiéster.

Fase de terminación: El proceso termina cuando dos horquillas de replicación se unen o alcanzan en direcciones opuestas.

Si se trata de ADN circular las dos moléculas resultantes estarán anilladas y se requerirá de una topoisomerasa II para independizarse. Si se trata de ADN lineal tendremos problemas en los extremos de las cadenas ya que no podemos rematar los extremos o que requiere de las telomerasas.

La replicación se completa cuando los replisomas, que discurren alrededor del cromosoma celular en direcciones contrarias, se encuentran a medio camino.

Las características y funciones de cada una de las enzimas involucradas en la replicación del DNA

La replicación de ADN es un proceso complejo que requiere una variedad de enzimas que forman un complejo funcional y que cumplen funciones específicas. Entre ellas están:

• ADN POLIMERASAS: Son las enzimas principales durante la replicación de material genético. Existen tres tipos de ADN Polimerasa (I, II y III). Dentro de sus funciones principales se encuentran: Sintetizar nuevas cadenas de ADN mediante la complementariedad de bases de desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP) con la cadena molde, formar enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos que componen la cadena de ADN y mejorar o corregir la precisión del proceso de replicación a través de la eliminación de bases erróneas en la cadena.
• CEBADOR: Es una cadena corta de ácidos nucleicos formada por 18 a 24 pares de bases complementario al molde. Estos pequeños fragmentos de material genético son muy importantes porque actúan como una pequeña cadena base que le permite al ADN Polimerasa iniciar la síntesis de la nueva cadena de ADN en el proceso de replicación de ADN. Las enzimas encargadas se sintetizar la pequeña cadena cebadora son llamadas PRIMASAS.
• HELICASAS: Hace parte del grupo funcional de enzimas que interactúan durante la replicación del ADN. Su función principal es dividir las hebras de la cadena madre mediante la separación de los puentes de hidrogeno de sus bases nitrogenadas. Existen dos tipos de helicasas, las de ARN y las de ADN.
• NUCLEASAS: Esta enzima se encarga principalmente de romper los enlaces fosfodiester entre los nucleótidos. Son usados para degradar el material genético en lugares específicos de la cadena de ADN. Existen dos tipos de nucleasas y se categorizaran dependiendo de los ácidos nucleicos que degraden, siendo ribonucleasas (ARN) y desoxirribonucleasas (ADN).
• TOPOISOMERASAS: Son de las enzimas más importantes del grupo funcional durante la replicación ya que su función es modificar la forma de la doble hélice de ADN. Las topoisomeras se caracterizan porque se encargan de ‘’enrollar’’ o ‘’desenrollar’’ las hebras de ADN para facilitar el proceso de replicación del material genético. Existen cuatro tipos de topoisomerasa (I, II, III y IV).

Cómo se forman los Fragmentos de Okazaki

Los fragmentos de Okazaki se forman a partir de un corto fragmento de ARN llamado cebador, el cual es sintetizado por una enzima llamada primasa. El cebador se sintetiza sobre la cadena molde rezagada.

La enzima ADN polimerasa agrega nucleótidos al cebador de ARN previamente sintetizado formando así un fragmento de Okazaki. El segmento de ARN se elimina posteriormente mediante otra enzima y luego se sustituye por ADN.

Finalmente, los fragmentos de Okazaki se unen a la cadena de ADN en crecimiento mediante la actividad de una enzima llamada ligasa. Así, la síntesis de la cadena rezagada ocurre de manera discontinua a causa de su orientación opuesta.

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