Apunte - Biología - La Duplicación del ADN

Biología
La duplicación del ADN
Para que una especie no se extinga los individuos deben reproducirse, con el fin de
engendrar nuevos seres. De la misma manera, para que una célula pueda dividirse
es necesario que primero duplique su material genético y así poder garantizar la
misma dotación cromosómica a las células hijas. El modelo de la doble hélice de
Watson y Crick permitió explicar cómo las moléculas de ADN pueden copiarse, es
decir, replicarse y dar una molécula idéntica al molde o patrón.
Hipótesis de la duplicación del ADN
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Hipótesis semiconservativa: formulada por Watson y Crick. En una doble
hélice cada hebra servirá de molde y, mediante la complementariedad de
bases, se formará una hebra copia de cada hebra molde, quedando al final
dos dobles hélices formadas por una hebra antigua (molde) y una hebra
nueva (copia). En 1957, experimentos realizados por Meselson y Stahl
confirmaron esta hipótesis.
Hipótesis conservativa: tras la duplicación quedan dos hebras antiguas y
dos hebras nuevas formando una doble hélice.
Hipótesis dispersa: se propone que las hebras están formadas por
fragmentos distintos de ADN antiguo y ADN recién sintetizado.
El crecimiento de las nuevas hebras
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La ADN-polimerasa:
El estudio in vitro de la duplicación del ADN fue posible gracias al
aislamiento de la enzima ADN-polimerasa por Kornberg. Esta enzima es
incapaz de iniciar una cadena de novo; requiere la presencia de un extremo
libre del carbono 3' de un nucleótido, para poder ir añadiendo los
nucleótidos nuevos. Este extremo 3' libre lo aporta el cebador o «primer»,
que es una porción pequeña de nucleótidos complementaria al extremo de la
cadena patrón. Por tanto, la cadena naciente siempre crecerá en el sentido
5'®3'. El primer nucleótido de la cadena nueva tiene un extremo 5' libre; se
irán añadiendo nucleótidos a los extremos 3' libre y se irán formando los
enlaces fosfodiester 3'®5', de forma que el último nucleótido tendrá libre el
carbono 3'.
Los nucleótidos se añadirán siguiendo las reglas de la complementariedad de
bases, de manera que la nueva hebra sintetizada será antiparalela y
complementaria a la patrón.
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La duplicación del ADN in vivo:
Estudios realizados con bacterias comprobaron que el cromosoma bacteriano
tenía un origen de replicación, un punto en el ADN circular donde se
iniciaba la síntesis de las hebras nuevas. Este punto se encontraba en una
burbuja de replicación, donde se abría la doble hélice, y formaba lo que
se denominaron las horquillas de replicación.
En el mecanismo de duplicación in vivo surgían dos dilemas: ¿cómo podía la
ADN-polimerasa iniciar la polimerización sin cebador? Y si la ADN-polimerasa
sólo añadía nucleótidos en la dirección 5'®3', ¿cómo se explicaba el
crecimiento, en sentido 3'®5', de una de las hebras de la horquilla de
replicación?
La solución la dio Okazaki: encontró fragmentos de mil a dos mil
nucleótidos de ADN y unos cincuenta nucleótidos de ARN, que se añadían
discontinuamente sobre la hebra patrón. A medida que se abría la horquilla
de replicación se iniciaba la síntesis de un nuevo fragmento de Okazaki.
Una hebra de la horquilla se copiaba de forma continua en dirección 5'®3' y
la otra lo hacía de forma discontinua, mediante los fragmentos de Okazaki,
también dirección 5'®3'. Los nucleótidos de ARN eran añadidos por la
ARNpolimerasa, enzima que no precisa cebador, y luego la ADN-polimerasa
iba incorporando los desoxinucleótidos, sobre la hebra patrón.
Mecanismo de duplicación del ADN en bacterias.
Mecanismos de duplicación del ADN
Aunque existen algunas diferencias el proceso es básicamente igual en bacterias y
en eucariotas:
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La secuencia de nucleótidos en el origen de replicación del ADN actúa como
señal de iniciación.
La enzima helicasa separa las dos hebras de la doble hélice para que sirvan
de molde. El desenrollamiento de la hélice da lugar al superenrollamiento en
los extremos de la horquilla de replicación, actuando entonces las enzimas
topoisomerasas que liberan esta tensión. La topoisomerasa I corta una
hebra y la topoisomerasa II (denominada girasa en E. coli) las dos. Una vez
liberada la tensión vuelven a sellar la doble hélice.
Mientras se separan las dos hebras se van uniendo las proteínas
estabilizadoras (SSB), de forma que se mantengan separadas ambas
hebras y se estabilice la horquilla de replicación.
El proceso de duplicación es bidireccional; hay dos horquillas de replicación
por cada burbuja de replicación.
La primasa (una ARN-polimerasa) sintetiza los fragmentos de ARN que
sirven de cebador (primer) para la ADN-polimerasa.
La ADN-polimerasa III incorpora en dirección 5'®3' los nucleótidos,
formando una nueva hebra de crecimiento continuo denominada hebra
conductora.
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Sobre la otra hebra antiparalela, primero, a unos mil nucleótidos del origen
de replicación, se sintetizarán unos cincuenta nucleótidos de ARN que
servirán para que la ADN-polimerasa III incorpore los desoxinucleótidos,
formándose los fragmentos de Okazaki a medida que se va abriendo la
horquilla. Una vez formados, la ADN-polimerasa I, gracias a su función
exonucleasa, irá eliminando los tramos de ARN y los irá rellenando con ADN,
sintetizados gracias a su actividad polimerasa.
Finalmente interviene la ADN-ligasa, que empalma entre sí los distintos
fragmentos de la hebra de crecimiento discontinuo, denominada hebra
retardada.
El experimento de Meselson y Stahl
Hipótesis semiconservativa.
Cultivaron bacterias en un medio con nitrógeno pesado ( N15), de forma que las
bacterias tenían un ADN que pesaba más que las bacterias crecidas en un medio
con N14. Esto permitía separar por centrifugación las moléculas de ADN pesadas de
las ligeras. El experimento consistió en pasar bacterias cultivadas en N15 a un
medio con N14 durante el tiempo de duplicación de las bacterias. Extrajeron y
centrifugaron el ADN y comprobaron que se quedaba en una posición intermedia
entre el ADN pesado y el ligero. Esto sugirió que eran moléculas híbridas, lo que
descartaba la hipótesis conservativa. Si se dejaba que se dividieran más veces, la
proporción de ADN híbrido disminuía, lo que descartaba la hipótesis discontinua y
confirmaba la hipótesis semiconservativa.
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