¿Por qué es imperfecta la replicación del ADN?

La cuestión de la química, que es necesaria para explicar la biología de todos modos, es probabilística. Esto casi nunca se enseña en cursos de química por debajo del nivel universitario. Para comprender por qué la replicación del ADN no es perfecta, necesitamos comprender dos conceptos químicos subyacentes, como la energía de activación y el efecto de los catalizadores.

Cualquier reacción química que ocurra tiene varios productos posibles que pueden salir de la reacción. La razón por la que uno o algunos de ellos se encuentran en una gran mayoría se debe a algo llamado energía de activación ( energía de activación ) . Cuando dos o más moléculas se combinan para formar nuevas moléculas, hay una fase, llamada intermedia, que tiene una energía más alta en comparación con los reactivos. Este requisito de energía se cumple mediante la distribución aleatoria de energía a cada molécula en un sistema, por lo que cada vez que las moléculas se unen, existe la posibilidad de que formen el producto o no, gobernado por la distribución de Maxwell-Boltzmann.

Los catalizadores trabajan para cambiar esta barrera energética y, por lo tanto, afectan la velocidad de la reacción. Los catalizadores que disminuyen esta energía harán que la reacción sea más rápida y viceversa. Hay algunos catalizadores que aumentan y disminuyen selectivamente esta energía para diferentes intermedios, favoreciendo así un producto sobre otro.

La biología emplea varios catalizadores para producir selectivamente productos en muchas reacciones. La replicación del ADN es uno de esos procesos. Pero, a pesar de que hemos reducido en gran medida las proporciones de productos no deseados, todavía no están completamente ausentes. Una vez u otra, algunos de los reactivos tendrán suficiente energía para cruzar la barrera y formar el producto no requerido.

Lo sorprendente es que esta posibilidad es muy baja en reacciones biológicas. Pero cuando tienes algo del orden de mil millones de cosas, las posibilidades de que ninguna salga mal se vuelven drásticamente bajas. Incluso con una probabilidad de 0.00000001 de que algo salga mal, la posibilidad de que nada salga mal en mil millones de intentos es de aproximadamente 0.000045. La probabilidad es una perra, ya sabes.

Y no solo eso, en la replicación del ADN, un pequeño error en alguna parte se amplifica enormemente. Un solo par de bases que se copia incorrectamente puede cambiar toda la proteína que se está codificando y, por lo tanto, aparece como un rasgo propiamente visible. Un ejemplo es la anemia falciforme.

En el otro lado del espectro, la replicación de ADN es imperfecta debido al problema de replicación final (puede buscarlo en Google si lo desea). Básicamente es porque en eucariotas, a diferencia de los procariotas, nuestras cadenas de ADN no son circulares sino lineales. Cuando se replica, en la cadena rezagada, la enzima primasa agregará un cebador de ARN primero para que la ADN polimerasa siga el extremo 3 ‘del cebador para replicarse hasta el próximo cebador aguas abajo, formando un fragmento Okazaki. Luego, la ADN polimerasa I eliminará el cebador y lo reemplazará con el ADN correspondiente. Por último, la ADN ligasa fusionará todos los fragmentos de Okazaki para formar una cadena completa. Sin embargo, el reemplazo del cebador con ADN no ocurre en el extremo 5 ‘de la cadena retrasada ya que no hay un extremo 3’ después de él para proporcionar el sitio al que se adhiere la ADN polimerasa. Por lo tanto, con cada ronda de replicación, el ADN replicado se acortará en algunas secuencias y esto provocará la imperfección de la replicación.

Pero nuestras células tienen una especie de mecanismo de corrección. En las células madre y en las células sexuales (gametos), hay telomerasa activada presente que alargará la cadena plantilla más abajo mediante unas pocas secuencias repetitivas para que la cadena rezagada pueda ser más larga después de la transcripción. Sin embargo, aunque esto resuelve el problema de la pérdida de información genérica, no resuelve el problema de la replicación final ya que la cadena secundaria es aún más corta que la cadena de plantilla. Esto se puede ver como telómero está presente al final de nuestros cromosomas. Sin embargo, en las células somáticas normales, esta telomerasa está inactiva, por lo que el problema de la replicación final hace que nuestro ADN sea más corto y más corto y, finalmente, desencadena la apoptosis celular, que es la muerte celular. Este problema de replicación final es clave para el proceso de envejecimiento humano.

Este problema de replicación final no ocurre en procariotas ya que su ADN es circular.

Entonces, aunque nuestro sistema de replicación de ADN es imperfecto, esta imperfección en realidad, en cierta medida, es buena para nosotros, ya que limita la vida media de la célula para que la célula vieja pueda degradarse y la célula nueva pueda reemplazar a las viejas.

Espero que esto ayude:)

Estás mirando cosas diferentes a escalas muy diferentes. La gravedad es una fuerza fundamental, muy simple y, en términos genéticos, funciona “perfectamente”. La química simple involucra muy pocos componentes, pero aun así a veces “comete errores”, es decir, los resultados pueden variar. Muchas reacciones producirán una mezcla de dos o más productos que, si solo desea uno de ellos, hacen que “salga mal”. La replicación del ADN es un proceso que involucra cientos de miles de componentes. Además, debe estar delicadamente equilibrado para que pueda producir exactamente la demanda correcta de las cuatro bases. No puede ser un efecto grande y simplista como caer a la Tierra o combinar hidrógeno y oxígeno. Tiene que estar en un equilibrio cercano para poder seleccionar el resultado correcto, con una “máquina” de considerable complejidad operando en un entorno bastante aleatorio. No me sorprende su imperfección sino su perfección.

En gran medida, la replicación del ADN es perfecta. A veces sale mal, claro, pero prácticamente todo lo que hace (biológicamente hablando) si le das suficiente tiempo.

En cuanto a su vínculo con la gravedad que nunca comete un error, bueno, hay una pequeña diferencia entre los dos …

Bueno, hay que argumentar que nada es perfecto, pero no nos detengamos en eso por ahora.

Imagina que eres un trabajador, tienes fichas de colores para combinar, verde, azul, amarillo y rojo.

El verde va con el azul, el amarillo va con el rojo. ¿Bastante simple, sí?

La cinta transportadora comienza a moverse y se le informa que debe igualar al menos 50 POR SEGUNDO.

Ah, y sin interrupciones, tienes que hacer esto hasta que termines los 3 mil millones de fichas.

Ahora puede imaginar la escala a la que la ADN polimerasa tiene que mantenerse al día.

Es probable que haya errores en alguna parte, demonios, quién sabe cómo la ADN polimerasa no es más imperfecta.

Existen razones mecánicas por las cuales la replicación es imperfecta, y han sido enumeradas por otras respuestas.

Una explicación más interesante, en mi opinión, es simplemente que si la replicación fuera perfecta no habría (m) ninguna mutación y sin mutaciones no hay evolución.

Como todo en biología, existe un compromiso entre eficiencia y presión evolutiva.

Debe comprender que los átomos y las moléculas flotan sin rumbo, es solo un accidente que una enzima encuentre el sustrato correcto.