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TEMA 14: EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA. REPLICACIÓN DEL ADN
1. El ADN como molécula portadora de la información genética.
2. Flujo de la información genética.
3. Replicación del ADN.
3.1 Hipótesis sobre la duplicación del ADN.
3.2 Experimento de Meselson y Sthal.
3.3 Mecanismo de replicación del ADN.
3.4 Corrección de errores durante la replicación.
3.5 Diferencias entre el proceso replicativo en procariotas y eucariotas.
1. EL ADN COMO MOLÉCULA PORTADORA DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Hoy sabemos que la molécula que contiene la información de las características biológicas
de los seres vivos es el ADN, que junto con las histonas (proteínas básicas) forma los cromosomas.
Sin embargo, la demostración de que este ácido nucleico constituía el material hereditario sólo fue
posible gracias a la paciente labor de investigación de muchos científicos durante la primera mitad
del siglo XX.

El médico suizo Friedrich Miescher fue el primero que consiguió aislar en 1869, a partir de
núcleos celulares (de leucocitos), una sustancia a la que denominó nucleina formada por
una parte ácida (hoy, ADN) y una parte básica (proteínas).

En 1928 cuando F. Griffith buscaba una vacuna contra la neumonía provocada por la
bacteria Streptococcus pneumoniae, descubrió una sustancia, a la que llamó principio
transformante, que contenía la información genética.
Griffith trabajaba con dos cepas de bacterias:
- La cepa S ("smooth"= liso) poseía una cápsula de polisacáridos y al inyectarla
provocaba la muerte de los ratones.
- La cepa R ("rough"= rugoso) carecía de cápsula (por falta de una enzima) y
resultaba inofensiva para los ratones.
También comprobó experimentalmente que si calentaba la cepa S hasta destruirla y la
inyectaba a los ratones, éstos no desarrollaban la enfermedad.
Más sorprendente aún fue el descubrimiento de que si inyectaba conjuntamente la cepa
muerta S y la cepa inofensiva R, los ratones enfermaban y morían, ya que en su sangre se
podía encontrar bacterias S vivas.
Griffith dedujo que las bacterias muertas habían liberado alguna sustancia ("principio
transformante"), que al ser captada por las bacterias inofensivas las transformaba en
virulentas. Es decir, que la información genética se había transferido de una cepa a otra.
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Biología.Replicación ADN
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En esta época se pensaba que las proteínas cromosómicas eran las portadoras de la
información genética y que el ADN tenía un papel secundario.
Tuvieron que pasar 16 años hasta que se consiguió identificar la molécula que contenía el
material genético.

En 1944, O.T. Avery, C. Macleod y M. McCarty, dedujeron que el principio transformante de
Griffith era el ADN, pues para que un extracto de células S transformara una cepa de células
R, el único componente que debía contener necesariamente era el ADN. Esta capacidad
transformante desaparecía cuando se agregaban enzimas que destruían el ADN.

La prueba definitiva fue obtenida en 1952 por Alfred Hershey y Martha Chase, quienes
demostraron de forma concluyente que el ADN, y no una proteína, era el material genético
del bacteriófago T2, un virus que ataca a la bacteria E. coli, y que está formado únicamente
por ADN y proteínas (las dos sustancias de las que se sospechaba que podría estar formado
el material hereditario).
Las proteínas del virus poseen azufre pero no fósforo, mientras que el ADN lleva fósforo,
pero no azufre. Marcaron radiactivamente un grupo de virus con 32P y el otro con 35S. Con
cada grupo infectaron a un cultivo bacteriano diferente, que posteriormente se sometió a
agitación y centrifugación para separar los restos de virus de las bacterias. Se midió la
radiactividad, tanto del medio extracelular como del intracelular, y se observó que el 35S
había quedado en el exterior de las células mientras que el 32P había entrado en las células
con el ADN y provocado la formación de nuevos virus (marcados también).

No obstante, quedaba por demostrar cómo un compuesto tan simple podía almacenar y
transmitir tanta información. La respuesta la proporcionó el progresivo conocimiento de la
estructura del ADN. Desde que, en 1953, James D. Watson y Francis Crick propusieron su
modelo de estructura de doble hélice, que explicaba como se podía almacenar y transmitir la
información genética, ya nadie dudó de la función y la importancia del ADN.
2. FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
El ADN es el portador del mensaje genético y debe:

Transmitir este mensaje de una generación a otra mediante el proceso de replicación o
duplicación. Proceso mediante el cual a partir de una molécula de ADN progenitora se
sintetiza una nueva, originándose así dos moléculas de ADN hijas, idénticas a la original.

Expresar este mensaje genético ya que en él se encuentra la información necesaria para
sintetizar las proteínas de la célula. La expresión del mensaje genético se realiza en dos
fases:
- Transcripción: Proceso por el cual el ADN forma una copia de una parte de su
mensaje, sintetizándose una molécula de ARN mensajero.
- Traducción. Con la información contenida en el ARN mensajero se sintetiza en los
ribosomas una proteína.
El flujo de información genética se puede expresar de la siguiente manera:
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Biología.Replicación ADN
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Este esquema fue considerado durante muchos años el "dogma central de la Biología
Molecular" (enunciado por Crick en 1970).
En la actualidad, esta forma de expresarlo ha tenido que ser modificada, debido a los
mecanismos de replicación que presentan ciertos virus:
o
Algunos virus (como el del mosaico del tabaco) que tienen su información genética
en forma de ARN poseen una enzima, la ARN replicasa, capaz de fabricar copias de
este ARN.
o
Los retrovirus almacenan su información genética en una molécula de ARN y cuando
se introducen en una célula son capaces de sintetizar ADN utilizando como molde su
ARN. Para ello emplean una enzima, la transcriptasa inversa o retrotranscriptasa
(el proceso se llama transcripción inversa). Posteriormente, el ADN transcrito se
integra en el ADN celular.
Tras el descubrimiento del comportamiento de estos virus, el dogma central de la Biología
Molecular hubo de ser redefinido:
3. REPLICACIÓN DEL ADN
El ADN, portador de la información genética, debe transmitirse fielmente a cada una de las
células hijas obtenidas tras la división celular. Por lo tanto, antes de producirse ésta, es
imprescindible que el ADN forme una réplica exacta de si mismo, para disponer de dos copias
iguales. Este proceso se conoce con el nombre de replicación o duplicación del ADN y tiene lugar
durante la fase S ("síntesis") de la interfase.
3.1 HIPÓTESIS SOBRE LA DUPLICACIÓN DEL ADN.
Cuando Watson y Crick elaboraron su modelo de doble hélice en 1953, indicaron también
cuál podría ser el mecanismo de la replicación del ADN: separación de las dos cadenas y cada una
sirve de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
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Biología.Replicación ADN
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Sin embargo hubo investigadores que propusieron otras hipótesis. Veamos las 3 hipótesis
posibles:



Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra doble cadena
completamente nueva.
Semiconservativa. Es la propuesta por Watson y Crick. En cada molécula hija, una cadena
procede de la molécula progenitora y otra es de nueva síntesis.
Dispersiva. En cada molécula hija existen fragmentos de la progenitora y fragmentos
nuevos.
Unos años más tarde, en 1957, Meselson y Stahl demostraron experimentalmente que la
hipótesis correcta era la semiconservativa.
3.2 EXPERIMENTO DE MESELSON Y STAHL.
Meselson y Stahl cultivaron bacterias (Escherichia coli) en un medio con nitrógeno pesado, el
Esto hace que las moléculas de ADN sintetizadas con este isótopo sean más densas que las
construidas con 14N (el isótopo normal), y por lo tanto que se puedan separar mediante
ultracentrifugación.
15N.
Posteriormente, pasaron algunas bacterias cultivadas con 15N a un medio con 14N durante
una media hora, que es el tiempo necesario para que se duplique el ADN bacteriano, lo extrajeron y
lo centrifugaron. Este ADN formó una sola banda en el tubo de centrifugación, en una posición
intermedia entre la que ocupaba el ADN con 15N (ADN "pesado") y el ADN con 14N (ADN "ligero"). Se
trataba, pues, de un ADN "híbrido" y había que descartar la hipótesis conservativa.
Si se dejaban las bacterias
durante dos divisiones (2ª generación),
aparecían dos tipos de ADN, uno
híbrido y otro ligero. Si se dejaban
durante tres, el ADN híbrido aparecía en
menor proporción, mientras aumentaba
el ADN ligero. Esto descartaba la
hipótesis dispersiva y demostraba la
semiconservativa.
En 1963 J. Cairns visualizó este
proceso con técnicas autorradiográficas. Para ello mantuvo bacterias (E.
coli) en un medio, con timina marcada
con tritio (H3). Este isótopo radiactivo
emite partículas β capaces de
impresionar una placa fotográfica, lo
que permite localizar las nuevas
moléculas de ADN.
3.3 MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN.
Aunque la replicación fue estudiada inicialmente en células procariotas, luego se comprobó
que el mecanismo es similar en las eucariotas. En ambos casos se dan dos etapas: iniciación y
elongación.
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
Inicio de la replicación.
La replicación comienza en ciertas zonas del ADN
donde existen determinadas secuencias de
nucleótidos (abundan las secuencias GATC). A
estos puntos se les llama "origen de replicación".
El proceso se inicia con una enzima denominada
helicasa que separa las dos hebras de ADN al
romper los puentes de H entre las bases
nitrogenadas complementarias.
Las separaciones de las cadenas, provoca
superenrollamientos en las zonas vecinas, por lo
que existen otras enzimas, las topoisomerasas,
que eliminan la tensión. Para ello cortan una de las
dos hebras (topoisomerasa I) o las dos
(topoisomerasa II o girasa en procariotas) y una vez
eliminadas
las
tensiones,
las
empalman
nuevamente.
Una vez separadas las dos hebras se mantienen
así por la unión de unas proteínas SSB ("single
strand binding proteins", proteínas de unión a la
hebra sencilla).
En el lugar de origen de la replicación se ha
formado una burbuja de replicación en la que hay
dos zonas, con forma de Y, denominadas
horquillas de replicación, donde se van a
sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de
replicación se va extendiendo a lo largo del
cromosoma en los dos sentidos, de ahí que se diga
que la replicación es bidireccional.

Alargamiento.
A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las
originales. El proceso se lleva a cabo mediante la enzima ADN polimerasa III, que tiene las
siguientes características:
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-
-
Recorre la hebra molde en sentido 3' → 5'.
Va uniendo los nuevos nucleótidos en sentido 5'→ 3'. Para ello utiliza nucleótidos
trifosfato. La energía necesaria para el proceso, la proporcionan los propios
nucleótidos, al perder dos de su grupos fosfato (PPi).
Ninguna ADN polimerasa puede iniciar la síntesis por si misma, pues sólo puede
añadir nucleótidos sobre el extremo 3' libre de una cadena de polinucleótidos. Por
este motivo es necesario que exista una cadena corta de ARN (de unos 40 o 50
nucleótidos) denominada cebador o primer.
El cebador es sintetizado por la enzima primasa (una ARN-polimerasa).
Dado que la ADN polimerasa III recorre el ADN molde en sentido 3' → 5', la síntesis de una
de las hebras es continua y se denomina hebra conductora. Sin embargo, la otra hebra es
antiparalela, por lo que la ADN polimerasa debería recorrerla en sentido 5'→ 3', añadiendo
nucleótidos a la hebra en formación en sentido 3'→ 5', lo cual no es posible. La síntesis, en
este caso, es discontinua y se produce en segmentos separados. Esta cadena se llama
hebra retardada, pues su síntesis es más lenta que la hebra conductora. Los segmentos de
ADN sintetizados de este modo se conocen como fragmentos de Okazaki (cada fragmento
está formado por el cebador de ARN y unos 1000 o 2000 nucleótidos de ADN).
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Posteriormente, interviene la ADN polimerasa I, que primero elimina los segmentos de ARN
cebador, gracias a su acción exonucleasa (rotura de enlaces fosfodiéster a partir de un
extremo libre), y luego, gracias a su actividad polimerasa, rellena los huecos con ADN.
Finalmente, hay otra enzima, la ADN ligasa que une todos los fragmentos.
Por último, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de molde se enrollan originando
una doble hélice.
A pesar de todas estas etapas, el proceso de replicación es muy rápido. En E. coli, por
ejemplo, se unen 45.000 nucleótidos /minuto.
3.4 CORRECCIÓN DE ERRORES DURANTE LA REPLICACIÓN.
Durante la replicación es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que
no tengan correctamente apareadas sus bases. La ADN polimerasa I y III actúan entonces como
exonucleasas eliminando los nucleótidos mal colocados (la I y III tienen actividad exonucleasa 3'→ 5'
y la I además 5'→ 3', lo que le permite eliminar el ARN cebador).
Aunque el mecanismo de corrección de errores es muy eficiente, a veces queda alguno sin
corregir. Esos errores (mutaciones) pueden ser importantes en la evolución.
3.5 DIFERENCIAS ENTRE EL PROCESO REPLICATIVO EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS.
El proceso de replicación es similar en las bacterias y en las células eucariotas. Cabe
destacar algunas diferencias:
-
El ADN en los eucariotas está asociado a histonas. Se ha comprobado que las histonas
originales se mantienen en la hebra conductora, mientras que se forman nuevas histonas
que se unen a la hebra de ADN retardada.
-
El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en los organismos eucariotas (100 a 200
nucleótidos) que en los procariotas (1000 a 2000) nucleótidos).
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-
Existen 3 ADN polimerasas en los procariotas (I, II y III, la II interviene en procesos de
reparación del ADN) y 5 en los eucariotas: α, β, γ, δ, y ε, (la γ interviene en la replicación del
ADN mitocondrial).
Teniendo en cuenta que la longitud del ADN de un cromosoma eucariótico es mucho mayor
que la del ADN bacteriano, y que, seguramente debido a la presencia de histonas, el proceso
es bastante más lento, en los eucariotas no hay un solo origen de replicación, sino cientos.
Cada unidad de replicación se denomina replicón.
Los cromosomas de las células eucariotas al ser lineales presentan un problema añadido,
que no se da en el ADN circular de las bacterias.
En eucariotas el proceso de replicación del ADN se va completando normalmente hasta
llegar a los extremos del cromosoma, los telómeros. En ellos, cuando se elimina el último ARN
cebador, la hebra retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el
hueco, al ser incapaz de sintetizar en dirección 3'→ 5'. Este acortamiento de los telómeros (calculado
entre 50 y 200 pb por cada división celular) supone la disminución progresiva de la longitud del
cromosoma, fenómeno asociado a los procesos de envejecimiento y muerte celular.
El ADN de los telómeros está constituido por secuencias de seis nucleótidos que se repiten
numerosas veces. La hebra de extremo 3' es rica en guanina (AGGGTT en la especie humana) y
lógicamente, la del extremo 5' es rica en citosina. A medida que las células se van dividiendo (y
envejeciendo), los telómeros se van acortando. Pero dado el carácter repetitivo y no codificante de
éstos, inicialmente esa pérdida de los extremos de cada cromosoma no tiene consecuencias, pero
llega un momento en que afecta a regiones codificantes, entonces la función celular se ve
perjudicada y la célula termina por morir.
En las células madre de los gametos, las células cancerosas o las de los tejidos
embrionarios, que se dividen continuamente, existe una enzima, llamada telomerasa y constituida
por una parte proteica y un ARN, que actúa como molde para alargar la hebra del extremo 3'
(saliente). Esta prolongación, catalizada por la telomerasa, sirve como molde, para la síntesis, por
parte de la ADN polimerasa alfa, del extremo 5' que quedó incompleto.
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ACTIVIDADES
1.- ¿Es siempre el ADN la molécula portadora de la información genética? Justifica tu respuesta.
2.- ¿En qué consiste, básicamente, la duplicación del ADN y cuál es su importancia biológica? ¿Se
puede considerar este proceso como sinónimo de síntesis de ADN? Razona la respuesta.
3.- En el experimento de Meselson y Stahl, ¿qué porcentaje de ADN de densidad híbrida se
obtiene después de una generación de crecimiento de las bacterias en 14N?
a) 0
b) 25
c) 50
d) 75
e) 100
4.- Colorea las cadenas en cada uno de los casos descritos en el experimento de Meselson y
Stahl. Utiliza para ello el esquema que aparece en la página 4.
5.- ¿Cuál habría sido el resultado del experimento de Meselson y Stahl si el ADN se replicase
según la hipótesis conservativa?
6.- Explica que resultados se habrían obtenido en la 2ª y 3ª generación del experimento anterior
si la hipótesis correcta fuese la dispersiva.
7.- En la replicación de una molécula de ADN de doble hebra, y después de tres ciclos de
replicación, ¿cuántas hebras de nueva síntesis habrán aparecido? Razona la respuesta.
8.- La ADN polimerasa precisa nucleótidos trifosfato a pesar de que los incorpora a la cadena
que se está sintetizando, como nucleótidos monofosfato. Sabiendo que los enlaces entre los
grupos fosfato son muy ricos en energía, ¿qué explicación puedes dar a este hecho?
9. En el siguiente esquema de una horquilla de replicación identifica las letras:
A.
B.
C.
D.
E.
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10.- En este esquema se observa una doble cadena de ADN en la que una hebra ha sufrido
la pérdida de un segmento:
a) ¿Qué tipo de enlaces se han roto?
b) ¿Cuáles serán los nucleótidos que se añadirán, en qué orden, y a partir de qué
extremo?
c) ¿Qué enzimas actuarían?
11.- Completa la tabla siguiente sobre las enzimas que intervienen en la duplicación del ADN
bacteriano:
ENZIMA
FUNCIÓN
ADN polimerasa I
Topoisomerasa I
Topoisomerasa II
Primasa
ADN ligasa
Helicasa
ADN polimerasa III
12.- Actualmente, una de las líneas de investigación más importante es la búsqueda de
inhibidores de la telomerasa humana. ¿Sabrías explicar por qué?
ACTIVIDADES PAU
13.- Indique qué es la replicación. Describa este proceso. ¿Qué significa que la replicación
es semiconservativa? (Junio 2003- Opción A)
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