Duplicación

Introducción
El proceso celular de la división es
vital para el mantenimiento de la
especie en el tiempo y en el espacio,
pero más vital es que, previo a la
división, el material genético se haya
duplicado con exactitud, para que
las células hijas contengan la misma
carga genética que sus progenitores.
Para que este proceso, llamado
también replicación, se realice con la
máxima exactitud debe actuar una
maquinaria enzimática compleja y
además debe existir un proceso de
“control de calidad” que revise y
repare los eventuales errores en el
proceso de copia.
deben separarse debido principalmente al rompimiento de los enlaces
de hidrógeno. Un nuevo ADN debe
producirse en cada una de las
hebras, de tal forma que cada
molécula recién formada contendrá
una hebra de la molécula primitiva y
una hebra nueva. En conclusión se
ha conservado para la siguiente
generación una mitad del ADN
parenteral, la otra mitad se ha
producido teniendo como modelo la
hebra antigua.
ADN parenteral
Factores ambientales, como las
radiaciones, son capaces de alterar el
proceso de copia y producir
alteraciones desastrosas, como el
cáncer.
Replicación semiconservativa
Debemos recordar del tema
anterior, que según el modelo de
Watson y Crick, el ADN está
estructurado como una escalera
retorcida, con peldaños que simulan
la unión de las bases, entre las cuales
hay enlaces de hidrógeno. Pues bien,
para que esta molécula pueda
duplicarse, ambas barandas (hebras)
Hebras nuevas
Duplicación
El proceso de duplicación o
replicación del ADN puede ser
dividido en tres períodos: iniciación,
elongación y terminación. Estos
períodos también son aplicables a
los procesos de transcripción y
síntesis de proteínas.
Existe una diferencia en el número
de origen (ori C), entre procariontes
y eucariontes. En los primeros, existe
un solo origen del cual se inicia la
replicación en ambos sentidos. Esto
se explica porque el ADN de los
procariontes es circular.
Período de Iniciación
Una pregunta: ¿por dónde se inicia
la duplicación de la molécula de
ADN? En procariontes y eucariontes
se inicia en una secuencia única del
ADN llamada origen (ori C) de la
replicación,
que
permite
que
proteínas específicas inicien un
desenrrollamiento parcial de la
molécula de ADN, al cual puede
penetrar, en primera instancia, la
helicasa para romper los enlaces de
hidrógeno que unen las bases
nitrogenadas de los nucleótidos y
luego otras proteínas que intervienen en la duplicación.
En los eucariontes, cada molécula de ADN posee varios orígenes, de los
cuales la replicación avanza también en ambos sentidos. Esto se explica
porque las cadenas de ADN son lineales.
Duplicación
Período de Elongación
Este período es el más importante
y complejo e intervienen una serie
de enzimas. Se explicará primero lo
que acontece en los procariontes, en
el cual las principales enzimas
reciben los nombres de ADN
polimerasas I, II y III.
5´
3´
3´
5´
ADN polimerasas
Las primeras enzimas involucradas en este proceso fueron
descubiertas por A. Kornberg en
1956 utilizando la bacteria E. coli. Al
comienzo aisló una enzima que la
llamó
ADN polimerasa, pero
cuando intentó precisar su acción en
el proceso se dio cuenta que no
intervenía directamente en la
replicación sino en la reparación del
ADN. Posteriores investigaciones
dieron con otras enzimas que fueron
llamadas ADN polimerasa II y III.
Entonces a la primera descubierta se
le llamó ADN polimerasa I.
Se descubrió que era la ADN
polimerasa III la enzima que
sintetizaba el nuevo ADN, es decir,
la enzima que agregaba nucleótidos.
De la ADN polimerasa II poco se
conoce su función.
Un conocimiento importante de
los ácidos nucleicos que necesitamos
ahora es que los enlaces fosfodiester
de una hebra están en una dirección
y en la otra hebra están en dirección
contraria (hebras antiparalelas).
Ahora viene un gran problema
para resolver: la dichosa ADN
polimerasa III solo puede agregar
nucleótidos en dirección 5´ a 3´, es
decir, podría utilizar sin inconvenientes la hebra cuya dirección sea
3´a 5´. Pero en la otra hebra, la cosa
se pone difícil, ya que la dirección es
contraria. Aún más problemático, las
polimerasas de ambas hebras deben
moverse
al
mismo
tiempo.
Tranquilo, ya explicaremos como se
resolvió este inconveniente.
Horquilla de replicación
Para que las ADN polimerasas
puedan actuar cada una en su hebra,
la molécula del ADN debe abrirse.
Esta acción es proporcionada por la
enzima llamada helicasa, que rompe
los enlaces de hidrógeno entre las
bases. Esta enzima requiere de ATP
para romper dichos enlaces. Además
para que las hebras se mantengan
rectas, se aplican a cada hebra unas
proteínas llamadas estabilizadoras
que impiden que el ADN vuelva a
enrollarse.
Duplicación
helicasa
proteínas
estabilizadoras
A medida que la cadena de ADN se
está desenrollando, su porción más
anterior tiende a superenrollarse.
Para evitar esto están presentes dos
enzimas llamadas topoisomerasa I,
que puede cortar y volver a unir a
una hebra del ADN cuando esté
muy enrollada y la topoisomerasa II
que es capaz de cortar y pegar las
dos hebras del ADN.
topoisomerasa I
Avance
de la
horquilla
helicasa
proteínas
estabilizadoras
Regresamos a la ADN polimerasa
III, que siendo un complejo proteico,
posee varias funciones:
¾Identifica el nucleótido que se
encuentra en la hebra
¾ reconoce en el pool de nucleótidos
la base complementaria
¾ separa dos de los tres fosfatos que
posee dicho nucleótido
¾ une el nucleótido complementario
en la hebra.
Todas estas acciones las realiza sin
inconvenientes en la hebra 3´5´, ya
que debemos recordar que la enzima
agrega en dirección 5´3´.
Es así como la hebra en la que está
ocurriendo la adición rápida de
nucleótidos se denomina hebra
adelantada (ó contínua). Pero la otra
hebra plantea un problema: la ADN
polimerasa III no puede adicionar en
forma fácil los nucleótidos, porque
la orientación de la hebra es
contraria a la dirección de adición.
Fragmentos de Okasaki
En 1968, Reiji Okasaki, trabajando
con E. coli llegó a explicar una
aparente incompatibilidad en la
replicación de las hebras antiparalelas del ADN. Determinó que
la hebra que mostraba la dirección
contraria a la dirección en que ADN
polimerasa agregaba en forma
continua los nucleótidos, lo hacía de
una manera discontínua, por esta
razón se le llamó la hebra atrasada
(ó discontínua).
Duplicación
Topoisomerasa I
helicasa
primasa
ARN cebador
Nota: observe con detención los números
Ahora se presenta otro requisito
de la ADN polimerasa: ellas no
pueden formar ADN de novo (es
decir, de la nada, sin tener un
molde). Si observa el dibujo de la
página opuesta se dará cuenta que la
hebra retrasada da una vuelta sobre
si misma y es ahora cuando un
sector de dicha vuelta queda con la
misma orientación que la hebra
contínua. De esta manera las dos
moléculas de ADN polimerasa III
pueden moverse el mismo tiempo y
en la misma dirección.
Como
lo
precisó
Okasaki,
interviene
ahora una enzima
llamada primasa encargada de
sintetizar un corto segmento de
ARN de unos 8-10 nucleótidos, el
cual servirá para que la ADN
polimerasa III de la hebra retardada
inicie la síntesis de ADN. Este
segmento de ARN se llama ARN
cebador.
¿Cómo sigue las historia?
Una vez que la ADN polimerasa III
sintetizó un pequeño segmento de
ADN utilizando el ARN cebador,
continúa
sintetizando
ADN
utilizando ahora la hebra de ADN y
así llega a formarse un segmento de
ADN (el cual posee en su inicio un
segmento de ARN). Este es el
llamado fragmento de Okasaki, que
resulta ser un híbrido ya que posee
ARN y ADN. De esta manera se
forman varios fragmentos de
Okasaki, los cuales tendrán que
llegar a unirse para formar la hebra
completa de ADN.
La unión de los fragmentos de
Okasaki requiere, primero, que debe
eliminarse el ARN cebador, lo cual
es efectuado por la enzima llamada
ARNasa H. Luego, debe completarse con nucleótidos el sector que
ocupaba el ARN cebador para
formar la hebra completa de ADN,
esto se logra por la participación de
la ADN polimerasa I.
Duplicación
Duplicación
Finalmente, la enzima llamada
ADN ligasa se encarga de unir los
extremos de los fragmentos y así
queda
conformada
en
forma
definitiva la molécula de ADN.
Elongación en eucariontes
Gran parte del proceso descrito
antes ocurre de igual manera en
eucariontes, la diferencia básica se
encuentra en las ADN polimerasas.
Se conocen 5 ADN polimerasas, de
las cuales la primera (gamma) es la
única que se encuentra fuera del
núcleo, ellas son:
a) Gamma (γ): realiza la replicación
en el ADN mitocondrial
b) Alfa (α): actúa como la primasa
sintetizando los segmentos de ARN
cebadores al inicio del fragmento de
Okasaki,
c) Delta (δ): actúa en dímero como la
ADN polimerasa III; además, actúa
como la ADN polimerasa I,
rellenando los espacios dejados por
la extracción del ADN cebador del
fragmento de Okasaki; y también
actúa como una exonucleasa en
dirección
3´5´
durante
la
corrección de pruebas.
d) Beta (β): actúa en células en
división y no división en la
reparación del ADN dañado.
e) Epsilón (ε): actúa también en la
reparación del ADN.
Período de Terminación
En procariontes, las dos horquillas
de replicación llegan a encontrarse
en una región del cromosoma
circular llamado ter, en donde acaba
la duplicación y las enzimas
duplicadoras se desconectan de los
sitios de unión al ADN. De esta
manera, los dos cromosomas hijos se
separan y así la célula está en
disposición de dividirse.
En eucariontes, los extremos
finales de las hebras se llaman
telómeros y los eventos son
diferentes según la hebra que se
considere. En la hebra adelantada
(contínua), la ADN polimerasa delta
(δ) sigue añadiendo nucleótidos
hasta el final y quedan dos ADN
hijos independientes. Pero en la
hebra
retardada
(discontínua)
recordamos que la ADN polimerasa
está utilizando un segmento de ARN
que está complementándose con un
sector del ADN original. Entonces, al
removerse el ARN quedaría un
sector del ADN original sin
duplicarse, es decir, cabría la
posibilidad de perderse una porción
del ADN.
Aquí entra en acción una enzima
llamada telomerasa, que junto a las
proteínas contiene una molécula de
ARN. Debido a que esta enzima
sintetiza ADN a partir de ARN se la
considera una transcriptasa inversa.
Duplicación
Los esquemas presentados muestran la secuencia de los eventos en el período
de terminación de la hebra retardada en eucariontes.
Este es el extremo final
5´
3´
T T G G G G T T G G G G T T G
A A C C C C A A C
5´
3´
de la hebra retardada
aún no replicado
Este es la hebra retardada
recién sintetizada
La primasa no logra ubicar el ARN cebador en dicho extremo final. Aquí entra
en acción la enzima telomerasa que posee en su interior un ARN con bases
complementarias con dicho extremo.
5´
3´
Esta es la telomerasa
con su ARN incluído
T T G G G G T T G G G G T T G
A A C C C C A A C
A A C C C C A A C
5´
5´
3´
3´
Esta telomerasa adiciona los nucleótidos complementarios al extremo de la
Aquí se añade un
hebra retardada aún no replicada.
nuevo sector
5´
3´
T T G G G G T T G G G G T T G G G GT T G
A A C C C C A A C
A A C C C C A A C
5´
5´
3´
3´
Esta telomerasa es luego eliminada por otra enzima y los nucleótidos libres son
complementados por actividad de una ADN polimerasa
5´
3´
T T G G G G T T G G G G T T G G G GT T G
A A C C C C A A C C C C A A C
5´
3´
Así, la hebra retardada habrá incrementado un sector, para que se mantengan
los telómeros, en ausencia de un modelo de ADN convencional que dirija su
síntesis.
Duplicación
Reparación del ADN
La molécula de ADN es muy
sensible a daños ambientales, de
hecho, se rompe cuando hay
radiaciones ionizantes o ultravioletas. Estos pueden bloquear la
replicación o la transcripción y
resultar en mutaciones que llegan a
ser nefastas durante la reproducción
de la célula.
A fin de evitar estos daños al
ADN, las células han desarrollado
dos mecanismos para reparar el
ADN: (a) una inversión directa de la
reacción química responsable del
daño y (b) remoción de los
nucleótidos dañados, seguido por la
incorporación de los nucleótidos
correctos.
La luz ultravioleta (UV) es la
principal fuente de daño al ADN,
redundando en los humanos en
cáncer a la piel. Su daño molecular
está en producir dímeros de
pirimidina, cuando dos de ellas
adyacentes llegan a formar un anillo
con doble enlace. La reparación se
logra por un proceso llamado
fotoreactivación, por el cual la
energía de la luz visible es capaz de
romper ducho anillo. Curiosamente,
este proceso funciona bien en
muchas especies . . . excepto en el
hombre.
Un
dato
interesante:
está
determinado en E. coli que un
cromosoma se duplica en solo 40
minutos a 37 ºC, lo que significa que
debe ocurrir una adición de 1.000
nucleótidos por segundo. A esta
velocidad cabe la posibilidad que
ocurra una adición de un nucleótido
incorrecto. El proceso de reparación
incluye una excisión de nucleótidos.
El proceso se inicia con la acción de
dos endonucleasas que rompen la
hebra de ADN que contiene el error.
Luego, una ADN helicasa libera
dicho sector y una ADN polimerasa
rellena el sector ausente con
nucleótidos correctos. Por último,
una ADN ligasa une los extremos.
Duplicación
Autoevaluación
1. ¿Cuál es la función precisa de:
a) helicasa
b) primasa
c) ligasa
d) topoisomerasa II
2. ¿Por qué se dice que la molécula de ADN es semiconservativa y antiparalela?
3. Sobre los fregmentos de Okasaki, responda:
a) ¿sobre cuál hebra de ADN se forman?
b) ¿con cuál molécula se inicia?
c) ¿cuál enzima los une?
d) ¿por qué se dice que son híbridos?
4. Defina brevemente:
a) traducción
b) replicación
c) transcripción
5. ¿Cuáles serían las consecuencias de una mutación en las siguientes moléculas
relacionadas con la duplicación del ADN?
a) ADN polimerasa I
b) ADN polimerasa β
c) Rnasa H
d) telomerasa
6. ¿En qué forma química se encuentran los nucleótidos en el nucleoplasma
y cuál es la ventaja de esta condición?
7. La molécula mostrada es parte de la hebra retardada del ADN. Coloque las
bases y los enlaces correspondientes para construir un ARN cebador y la
molécula nueva del ADN. ¿Qué moléculas intervienen en este proceso?
hebra retardada de ADN
A T A T C C A G A T G G C A T T A A C T
ARN cebador
hebra nueva de ADN