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Biología (08) · Unidad 8 — Replicación, ciclo celular y división

La horquilla de replicación y sus enzimas

La replicación arranca en orígenes, abre el ADN en horquillas que avanzan hacia los dos lados y usa un equipo de enzimas: la helicasa abre, la primasa pone un cebador de ARN, la ADN polimerasa alarga sólo en sentido 5′→3′ y la ligasa sella. Por eso una hebra se copia de corrido y la otra en fragmentos de Okazaki.

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La explicación

El problema: una cremallera cerrada y retorcida

Para copiar una hebra hay que poder leerla, y en la doble hélice las bases están para adentro, unidas por puentes de hidrógeno y enroscadas una sobre otra. Antes de copiar hay que abrir la molécula, mantenerla abierta y evitar que se retuerza de más. Y la enzima que copia tiene reglas estrictas sobre por dónde puede empezar y hacia dónde puede avanzar. Esas reglas explican todo lo raro de la replicación.

Dónde empieza: orígenes, burbujas y horquillas

La replicación no empieza en cualquier lado: empieza en secuencias especiales llamadas orígenes de replicación. Ahí la doble hélice se abre y forma una burbuja. Cada borde de la burbuja tiene forma de Y: es una horquilla de replicación.

Las dos horquillas de cada burbuja avanzan en sentidos opuestos, así que la replicación es bidireccional. Una bacteria como E. coli tiene un cromosoma circular con un solo origen. Un cromosoma eucariota es muchísimo más largo y tiene muchos orígenes, miles en todo el genoma; las burbujas crecen hasta tocarse y fusionarse.

Además los orígenes no se disparan todos juntos: unas zonas se copian al principio de la fase S y otras al final (la eucromatina, en general, antes que la heterocromatina). Por eso se dice que la replicación eucariota es asincrónica.

El equipo de la horquilla

Helicasa: abre la doble hélice rompiendo los puentes de hidrógeno entre las bases. Es la que hace avanzar la horquilla.
Proteínas de unión a cadena simple (SSB): se pegan a las hebras ya separadas para que no vuelvan a aparearse.
Topoisomerasa: delante de la horquilla, corta y vuelve a unir el ADN para aliviar la tensión del enrollamiento (como cuando desenredás un cable de teléfono).
Primasa: fabrica un cebador o primer: un tramo corto de ARN complementario al molde.
ADN polimerasa: agrega desoxirribonucleótidos uno por uno, siguiendo la complementariedad, y corrige sus propios errores.
ADN ligasa: sella el último enlace que queda entre dos tramos de ADN vecinos.

Las dos reglas de la ADN polimerasa

Regla 1: no puede empezar de cero. Sólo sabe alargar una cadena que ya existe, agregando nucleótidos al extremo 3′ (que tiene un grupo OH libre). Por eso hace falta la primasa: el cebador de ARN es el «pie» del que arranca la polimerasa. Éste es el papel del ARN en la replicación.

Regla 2: sólo avanza en un sentido. La cadena nueva crece siempre de 5′ a 3′, leyendo el molde de 3′ a 5′. Como las dos hebras del ADN son antiparalelas, en cada horquilla pasa algo distinto con cada una:

Hebra continua (o adelantada): su molde se lee en el mismo sentido en que avanza la horquilla. Con un cebador al principio, la polimerasa la copia de corrido.
Hebra discontinua (o retrasada): su molde apunta al revés. La polimerasa tiene que ir hacia atrás, en tramos cortos, cada uno con su propio cebador, a medida que la horquilla deja molde libre. Esos tramos son los fragmentos de Okazaki, por Reiji y Tsuneko Okazaki, que los descubrieron.

Al final se quitan los cebadores de ARN, el hueco se rellena con ADN, y la ligasa une cada fragmento con el siguiente. Si la ligasa no funcionara, la hebra discontinua quedaría partida en pedazos.

Por eso la replicación es, a la vez, semiconservativa, bidireccional, discontinua y asincrónica, las cuatro características que pide el programa.

Los errores y su reparación

La polimerasa a veces coloca una base equivocada. La mayoría de esos errores los corrige ella misma en el momento: retrocede, saca el nucleótido mal puesto y pone el correcto (la corrección de pruebas). Lo que se le escapa lo arreglan otros sistemas: la reparación de apareamientos erróneos, que reconoce la base mal emparejada en la hebra nueva, y la reparación por escisión, que corta un tramo dañado (por ejemplo, dos timinas pegadas por la luz ultravioleta) y lo vuelve a sintetizar usando la otra hebra de molde. Gracias a la complementariedad, siempre hay una copia de respaldo.

Cómo se resuelve un ejercicio de secuencias
1. Escribí el molde con sus extremos (3′ y 5′).
2. Debajo, base por base, la complementaria: A↔T, G↔C. Si es un cebador, es ARN: frente a una A va U, no T.
3. La hebra nueva tiene los extremos al revés: frente al 3′ del molde queda su 5′. Al escribirla de 5′ a 3′, la leés en el mismo orden en que la escribiste debajo del molde.
Un ejercicio resuelto, paso a paso

Un tramo de la hebra molde dice 3′-CGTAACG-5′. La primasa coloca sobre él un cebador de tres nucleótidos, empezando por el extremo 3′ del molde, y después la ADN polimerasa completa el resto. a) Escribí el cebador. b) Escribí la hebra nueva completa y marcá qué parte es ARN. c) ¿Qué pasa después con el cebador?

a) El cebador. Frente a las tres primeras bases del molde (3′-CGT…) va la complementaria, pero en ARN: frente a C va G, frente a G va C y frente a T va A. Como es ARN, si hubiera una A en el molde le correspondería una U.

molde    3′- C G T A A C G -5′
cebador 5′- G C A -3′  (ARN)

El cebador queda escrito de 5′ a 3′ porque es antiparalelo al molde.

b) La hebra nueva completa. La polimerasa alarga desde el extremo 3′ del cebador, que es el único lugar donde puede agregar nucleótidos. Sigue frente a A A C G y coloca T T G C, ahora de ADN:

molde      3′- C G T A A C G -5′
hebra nueva 5′- G C A T T G C -3′  (subrayado: ARN)
Control. Leé las dos hebras columna por columna: cada par tiene que ser C-G, G-C, T-A o A-T (y A-U en el tramo de ARN). Y los extremos tienen que estar cruzados: el 3′ del molde frente al 5′ de la nueva.

c) El destino del cebador. El ARN no puede quedar en el ADN. Una vez que la hebra nueva está hecha, el cebador se elimina y el hueco se rellena con desoxirribonucleótidos (ahora sí puede hacerlo una polimerasa, porque tiene al lado un extremo 3′ de ADN del que alargar). Al final, la ligasa une ese relleno con el tramo vecino. En la hebra discontinua esto pasa una vez por cada fragmento de Okazaki.

Cada vez que en un ejercicio aparezca la palabra «cebador», pensá en ARN: U en lugar de T, y fabricado por la primasa.

Y uno del nivel del parcial

Una célula humana en fase S tiene que copiar unos 6400 millones de pares de bases en unas 8 horas. Cada horquilla avanza a unos 50 nucleótidos por segundo. a) ¿Cuántas horquillas tienen que estar trabajando a la vez, como mínimo? b) ¿Cuántos orígenes es eso, como mínimo? c) ¿Por qué el número real de orígenes es todavía mayor?

a) Las horquillas. En 8 horas hay 8 × 3600 = 28 800 segundos. Una horquilla copia en ese tiempo:

50 nt/s × 28 800 s = 1 440 000 nucleótidos
6 400 000 000 / 1 440 000 ≈ 4444 horquillas

b) Los orígenes. Cada origen abre una burbuja con dos horquillas que avanzan en sentidos opuestos:

4444 / 2 ≈ 2222 orígenes

c) Por qué hay más. La cuenta supone que todos los orígenes arrancan al mismo tiempo, a velocidad pareja y repartidos a distancias iguales. No es así: la replicación es asincrónica, y hay zonas, como la heterocromatina, que se copian recién al final de la fase S. Además, si una horquilla se frena, las vecinas tienen que cubrir su tramo. Las células humanas usan, de hecho, decenas de miles de orígenes. Lo que la cuenta sí muestra es que con un origen por cromosoma, como en una bacteria, la fase S duraría semanas.

La multiplicidad de orígenes es lo que hace posible copiar un genoma enorme en unas pocas horas.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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