La replicación del ADN produce una copia de sí mismo por medio de enzimas que además de ser muy exactas poseen un sistema de reparación de errores. El mecanismo de replicación es es esencialmente el mismo en todas las células. Es un proceso semiconservativo porque cada uno de los dos ADN hijos tiene una cadena del ADN anterior.

En las células procariotas

hay 1 lugar de origen de replicación que se muestra en la horquilla de replicación (replication fork) y que señala el avance de la copia. La horquilla (fork) indica que se está haciendo la separación y la replicación a la vez. El avance es bidireccional, lo que acorta el tiempo. En el sitio en que empieza la replicación se organizan las proteínas en un complejo llamado replisma. La replicación del ADN en procariotas sucede a una velocidad de 500 nucleótidos por segundo.

En las células eucariotas

el proceso es esencialmente el mismo pero el ADN es mucho más grADNe y linear. Hay varios orígens de replicación y es bidireccional. El avance es más lento que en procariotas ya que hay más proteínas asociadas al ADN que hay que soltar. La replicación del ADN, que ocurre una sola vez en cada genración celular necesita de muchos "ladrillos", enzimas y una gran cantidad de energía en forma de ATP (recuerde que luego de la fase S del ciclo celular , las células pasan a una fase G a fin de, entre otras cosas, recuperar energía para la siguiente fase de la división celular). La replicación del ADN en el ser humano se realiza a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo. Los nucleótidos tienen que ser armados y estar disponibles en el núcleo conjuntamente con la energía para unirlos.

 

Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como "burbuja de replicación" en ella se encuentran las "horquillas de replicación" . Por acción de la la ADN polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). Los procariotas abren una sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia de las "burbujas".

Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede solo en la dirección 5' to 3' en ambas cadenas, numerosos experimentos han mostrado que, una cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se formarán una serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki . La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena guía, delantera ó adelantada y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada ó rezagada.

Los fragmentos cortos, recién sintetizados de hebras de ADN se denominan fragmentos Okazaki. Todas las ADN polimerasas conocidas, pueden sólo sintetizar ADN en la dirección 5' a 3' . Sin embargo, cuADNo las hebras se separan, la horquilla de replicación se desplaza a lo largo de una hebra molde en la posición 3' a 5' y 5' a 3' en el otro lado del molde.

En la primera , la cadena adelantada de ADN es sintetizada continuamente en la dirección 5' a 3'. En la otra, llamada la cadena atrasada, la síntesis de ADN sólo ocurre cuADNo una sección de una hebra simple de ADN ha sido expuesta y procede en la dirección opuesta a la dirección de la horquilla de replicación (5' to 3'). Es por ésto discontinua y la serie de fragmentos Okazaki son unidos de manera covalente por las ligasas formADNo una hebra continua. Se denominan fragmentos Okazaki porque fué éste investigador quien primeramente los observó y estudió usADNo timidina radioactiva . En los eucariotas, los fragmentos Okazaki están formados por unos cuantos cientos de nucleótidos, mientras que en los procariotas estos fragmentos pueden alcanzar algunos miles.

Para que la ADN polimerasa trabaje, se necesaria la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de ARN conocidas como cebadores, a posteriori, cuADNo la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de ARN, colocan nucleótidos de ADN en su lugar y una ADN ligasa que los une a la cadena en crecimiento.

 

Copyright © 2004 Cell Press.
Molecular Cell, Vol 11, 315-327, February 2003

Mechanism of the E. coli ? Processivity Switch during Lagging-Strand Synthesis
Frank P. Leu 2, Roxana Georgescu 1,2, and Mike O'Donnell 1,2

1Howard Hughes Medical Institute, 1230 York Avenue, New York, NY 10021 USA
2Rockefeller University, 1230 York Avenue, New York, NY 10021 USA

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The replicative DNA polymerase of E. coli, DNA polymerase III holoenzyme (Pol III holoenzyme), is rapid and highly processive. Its processivity, in excess of 50 kb, derives from the ring-shaped beta - sliding clamp that encircles DNA and tethers the polymerase to DNA during synthesis. The beta clamp is a homodimer of crescent shaped monomer units, and the ring is alternately opened and closed at one interface for assembly onto DNA by the beta complex clamp loader (gamma, tau-2; delta, delta, chi and psi) within the holoenzyme structure. Pol III holoenzyme contains two molecules of DNA polymerase III core (alpha, DNA polymerase; epsilon, 3' -> 5' exonuclease; theta) for simultaneous synthesis of both strands of the DNA helix. These core polymerases are crosslinked to the single clamp loader via the two tau- subunits. The gamma and tau - subunits are encoded by the same dnaX gene; tau (71 kDa) is the full-length product, and gamma (47 kDa) is truncated by a translational frameshift. The 24 kDa C-terminal sequence of tau binds both the core and DnaB helicase

see Figure ------------------>

The architecture of Pol III holoenzyme at a replication fork is illustrated. The single gamma complex clamp loader is a pentamer of subunits (gamma, tau-2; delta, delta, chi and psi, psi isn't shown) and also includes ? and ? (not shown). Two core polymerases (alpha-epsilon-theta) bind the C-terminal sequences of the tau- subunits that protrude from the clamp loader. The core polymerases are held to DNA by beta clamps. The DnaB helicase encircles the lagging strand and binds É-. Primase contacts DnaB to initiate RNA primer synthesis.

This panel focuses on the lagging strand and illustrates the findings of this report (see Discussion for details). The top diagram shows the clamp loader placing a beta clamp onto a primed site while the lagging-strand polymerase is extending an Okazaki fragment. The C-terminal sequences of tau (tauc) protrude outside the clamp loading machinery and bind core polymerase, DnaB, and DNA. These tau c sequences are needed for the processivity switch that controls the affinity of core for beta in response to DNA structure. The diagram depicts tau c as binding the primed template in conjunction with core, although other arrangements are possible (see Discussion). The switch is off during elongation, allowing core to remain associated with beta on DNA. In the lower right diagram, the lagging-strand polymerase finishes an Okazaki fragment, thereby flipping the processivity switch and turning tau c "on" for disengaging core from beta. The polymerase then dissociates from beta, leaving it behind on the completed fragment. In the bottom left diagram, the lagging-strand polymerase reattaches to beta at the new primed site for extension of another Okazaki fragment.