Figura 1 - Colegio Hispano Americano

Colegio Hispano Americano
Padres Escolapios
Depto. De Ciencias – Biología
Unidad 1 – Guía 3
Nivel: 4to medio
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Duplicación del ADN
En 1839, Schleiden y Schwann propusieron la Teoría Celular estableciendo que cada organismo se componía de una o más
células y que cada nueva célula sólo podía provenir de la división de alguna célula preexistente. Desde el comienzo de este siglo se
sabe que en cada célula, los cromosomas portan la información genética. El conocimiento desde los años 50 de que el material genético
es el ADN y la elucidación de su estructura, llevó a preguntarse acerca de su replicación. Hacia 1970 se conocía la composición básica
de las células y entonces comenzaron a abordarse interrogantes sobre los detalles moleculares de los procesos individuales de la vida
celular.
Con el modelo de la doble hélice de Watson y Crick se desarrolló la idea de que las hebras originales debían servir de patrón
para hacer la copia, aunque en principio había tres posibles modelos de replicación (figura 1):
1. Modelo conservativo: Proponía que tras la replicación se mantenía la
molécula original de DNA intacta, obteniéndose una molécula idéntica de
DNA completamente nueva, es decir, con las dos hebras nuevas.
Modelo
semiconservativo
Figura 1
Modelo
conservativo
2. Modelo dispersivo: El resultado final son dos moléculas nuevas
formadas por hebras en las que se mezclan fragmentos originales con
fragmentos nuevos. Todo ello mezclado al azar, es decir, no se conservan
hebras originales ni se fabrican hebras nuevas, sino que aparecen ambas
mezcladas.
3. Modelo semiconservativo o conservador (Figura 2): Esta teoría fue
propuesta por Watson y Crick, pero fueron Meselson y Stahl en 1958
quienes le dieron confirmación experimental, incubando durante mucho
tiempo células de la bacteria Escherichia coli en un medio que contenía
como fuente de nitrógeno el 15N (isótopo).
Modelo
dispersivo
Al cabo de un tiempo todo el ADN microbiano era “pesado” (las bases
púricas y pirimídicas estaban constituidas exclusivamente por 15N). A
continuación, algunas de estas células “pesadas” se pasaron a un medio
que contenía nitrógeno ligero (14N) hasta que se duplicara la cantidad de células presentes (media hora aproximadamente). En este caso
se pudo ver que todo el ADN formaba una única banda, intermedia entre la posición que hubiera ocupado el ADN “pesado” (integrado
exclusivamente por 15N) y el ADN “ligero” (integrado exclusivamente por 14N). El experimento demostró que la replicación es
semiconservadora, dando dos dobles hélices hijas que contienen, cada una de ellas, una hebra pesada y una hebra liviana (Figura 2).
Fig 2
La hipótesis de la replicación semiconservadora recibió aún más apoyo en la segunda parte del experimento: si se permitía que
nuevamente se duplicara la población celular en el mismo medio de nitrógeno “ligero” (con 14N) se producían dos bandas, una
correspondiente al ADN “híbrido” (con una cadena de 14N y otra de 15N) y otra de ADN exclusivamente “ligero” (producto de la replicación
de las cadenas ligeras en un medio que contenía exclusivamente 14N).
Proceso en que la molécula de doble hélice del ADN se copia para producir dos moléculas de doble cadena (Fase S).
 Consiste en un proceso complejo y altamente refinado.
 La célula enfrenta tres pasos importantes para llevara acabo el proceso de replicación:
- Separara las dos moléculas de ADN
- Síntesis del ADN del extremo 5’ al extremo 3’
- Evitar errores de replicación
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El proceso de replicación posee algunas propiedades como:
- Es semiconservativa
- Es bidireccional
- Secuencial y Ordenada
- Utiliza sustratos activados
- Exacta
- Discontinua.
Duplicación en Procariontes (E. coli)
En todos los organismos los requerimientos generales para la síntesis de ADN son los mismos:
una hebra de ADN como molde, en otras palabras una sección de ADN que será copiado.
- la enzima encargada de copiar el ADN, llamada ADN polimerasa.
La síntesis del cromosoma de E.coli siempre comienza en el mismo punto, llamado sitio ori C, una región de 245 pares de
bases, en el cual se encuentran las bases Guanina, Adenina, Timina y Citosina juntas. En ese lugar, una enzima llamada Helicasa
comienza a romper los puntes de hidrógeno que mantienen unidas las cadenas de DNA (estructura doble y helicoleidal), al romperse
estos puentes, se separa esta molécula bicatenaria. Además, actúan otras enzimas como la Girasa que da giros negativos a la molécula
de DNA y topoisomerasas que ambas, alivian la tensión de esta molécula, permitiendo el buen trabajo de la Helicasa (desdoblar y abrir
el DNA). Gracias a la acción de las proteínas llamadas SSB, las 2 hebras del DNA no se vuelven a juntar o formar la estructura de doble
hélice, ya que mantiene separadas las hebras.
Al comenzar la separación de las bases complementarias, se forma una burbuja de replicación con dos horquillas, con la
finalidad de realizar la replicación en forma bidireccional (Figura 3), porque las dos cadenas de ADN son antiparalelas.
Fig. 3
La duplicación es un proceso complejo en la que participan muchas proteínas. En bacterias, como E.coli, existen 3
polimerasas que sintetizan las hebras complementarias, para formar nuevamente el ADN bicatenario, que contiene una hebra nueva y
otra vieja.
 ADN polimerasa I: Es una de las enzimas que es capaz de catalizar la síntesis de ADN. Esta enzima sintetiza en la dirección
5´-->3´. (reparación del DNA)

ADN polimerasa II: Esta enzima sintetiza ADN en forma similar a la ADN polimerasa I, pero no tiene actividad exonucleasa 5
´ 3´, es decir, no remueve los segmentos partidores o moldes, para ser reemplazados por los nucleótidos nuevos. (reparación
del DNA)

ADN polimerasa III: Enzima responsable de la síntesis de ADN en E.coli. (Principal participante en la polimerización de la
cadena de ADN recién formada)
“Todas las ADN polimerasas poseen una actividad exonucleasa; esto corresponde a la actividad de hidrolizar el ADN de hebra
simple, removiendo desoxirribonucleotidos terminales desde el extremo 3´ (actividad exonucleasa 3´  5´) o desde el extremo 5´
(actividad exonucleasa 5´ 3´).” Todas las polimerasas tienen actividad POLIMERASA,es decir, unen los desoxirribonucleótidos
complementarios a partir de una hebra molde y EXONUCLEASA, es decir, elimina los nucleótidos con bases mal apareadas.
La síntesis de ADN transcurre siempre en dirección 5’→3’ y es semidiscontinua (Fig. 4)
Una cadena nueva de ADN siempre se sintetiza en la dirección 5’→3’ Debido a que las dos cadenas de ADN son antiparalelas, la
enzima que forma la nueva hebra (ADN polimerasa) “lee” la cadena que actúa de molde desde el extremo 3’ al 5’. Si la síntesis
transcurre siempre en la dirección 5’→ 3’. Recuerda que las hebras de ADN son antiparalelas y la cadena del ADN que va en dirección
3´  5´ es copiada directamente por la enzima ADN polimerasa III. La hebra hija sintetizada (5´ 3´) es llamada HEBRA PRINCIPAL o
ADELANTADA
¿Cómo se pueden sintetizar simultáneamente las dos cadenas, si las dos hebras que constituyen el ADN están dispuestas
en sentido antiparalelo (opuesto)?
La respuesta la dio Reiji Okazaki en los años ´60, al encontrar que una de las dos cadenas se sintetiza en piezas cortas
denominadas desde entonces fragmentos de Okazaki. Ello condujo a la conclusión de que una cadena se sintetiza continuamente y la
otra discontinuamente. La cadena continua o cadena conductora es aquella en la que la síntesis 5’→ 3’ transcurre en la misma
dirección que el movimiento de la horquilla de replicación.
La otra hebra del ADN padre que tiene la dirección opuesta, 5´ 3´, no puede ser copiada directamente, debido que la enzima
es incapaz de trabajar en sentido contario y solamente puede ser sintetizada hasta que una parte del ADN se ha desdoblado. La hebra
hija resultante se llama HEBRA RETRASADA y es sintetizada en forma discontinua.
Esta síntesis discontinua resulta de la formación de cortas secciones de ADN que reciben el nombre de FRAGMENTOS DE
OKASAKI. Estas secciones son unidas por la acción de la enzima ADN ligasa produciendo una hebra de ADN continua.
Para comenzar la síntesis de ADN se requiere la presencia de doble hebra como patrón-cebador. La segunda hebra
corresponde a una hebra de ARN, llamada “PRIMER” o PARTIDOR y es sintetizada por una enzima llamada PRIMASA.
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La regla principal para la actividad de la ADN polimerasa es que cataliza la formación de un enlace fosfodiester solamente si la
base entrante es complementaria al nucleótido de la hebra padre. En otras palabras las ADN polimerasas son enzimas dirigidas por la
hebra patrón o padre.
Como mencionamos anteriormente las ADN polimerasas I. II y III poseen la actividad exonucleasa que permite aumentar la
fidelidad de la duplicación o replicación del ADN, removiendo los nucleótidos que fueron puestos erradamente.
Fig. 4: Movimiento de la
Resumiendo (Figura 5)
1ª Etapa: Desenrrollamiento y apertura de la doble hélice en el punto de inicio
•
•
Primero: intervienen las enzimas helicasas que facilitan en desenrrollamiento
•
Tercero: Actúan las proteínas SSBP (Single strand-binding proteins) que se unen a las hebras molde para que no vuelva a
enrollarse.
Segundo: actúan las enzimas girasas y topoisomerasas que eliminan la tensión generada por la torsión en el
desenrrollamiento.
2ª etapa. Síntesis de dos nuevas hebras de ADN.
Síntesis continua
•
•
Actúan las ADN polimerasas para sintetizar las nuevas hebras en sentido 5´-3´, ya que la lectura se hace en el sentido 3´-5´.
•
La ADN polimerasa III es incapaz de iniciar la síntesis por sí sola, para esto necesita un cebador o primer (ARN) que es
sintetizado por una ARN polimerasa (Primasa). Este cebador es eliminado posteriormente.
•
Intervienen las ADN polimerasas I y III, que se encargan de la replicación y corrección de errores. La que lleva la mayor parte
del trabajo es la ADN polimerasa III
La cadena 3´-5´(cadena conductora o continua) ya esta lista para ser leída por la ADN polimerasa III
•
Síntesis discontinua
En la cadena 5´-3´ no puede ser leída directamente, esto se soluciona leyendo pequeños fragmentos de ella. Los
siguientes puntos resumen el proceso:
o La primasa sintetiza varios cebadores
o La ADN pol III alarga los fragmentos de cebador incorporando nucleótidos de 5` a 3` estos fragmentos tienen una
longitud aproximada de 1000 a 2000 nucleótidos y se denominan fragmentos de Okazaki.
o Posteriormente actúa la ADN polimerasa I que gracias a sus función exonucleasa, retira los segmentos de ARN o
primer, y luego, gracias a su función polimerasa, rellena los huecos con ADN.
o Finalmente la ADN ligasa sella las uniones entre los fragmentos independientes
3ª etapa: Corrección de errores.
•
La ADN polimerasa I y III, es quien corrige todos los errores cometidos en la replicación o duplicación, gracias a su actividad
exonucleasa. Al proceso se le denomina corrección de pruebas de la exonucleasa y sirve para incrementar la fidelidad de la
síntesis.
Tabla I. Principales proteínas de la duplicación de E.coli.
Proteínas
Proteína N o dnaB
Primasa
Funciones
Capacita a la primasa para comenzar la duplicación
Sintetiza el ARN partidor.
Helicasas
Desdobla la doble hélice.
Proteínas SSB
ADN girasa
ADN polimerasa III
ADN polimerasa I
ADN topoisomerasa I
ADN topoisomerasa II
ADN ligasa
Estabiliza regiones de hebra simple.
Introduce giros a la superhélice.
Sintetiza el ADN.
Saca la hebra partidora y completa los espacios.
Corta una hebra de ADN.
Corta ambas hebras de ADN.
Une los extremos de los polinucleotidos preformados.
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Fig. 5
La replicación en las células eucariotas es más compleja (Fig. 6)
Las moléculas de ADN de las células eucarióticas son considerablemente mayores que las de las bacterias y están además
organizadas en estructuras nucleoproteicas complejas (ADN asociado a histonas), pero los rasgos esenciales de la replicación son los
mismos que en las células procarióticas.
La replicación en eucariotes tiene múltiples orígenes o burbujas de replicación, también reciben el nombre de ojos de
replicación, a diferencia de los procariotas, es decir, presentan muchos Oris.
Por otro lado, existen cinco polimerasas en eucariontes son conocidas como alfa , beta , gamma , delta y épsilon. Todos
ellas tienen mecanismos de acción similares a las enzimas en procariontes (E.coli).
 Las ADN polimerasas alfa y delta son las encargadas de la duplicación del ADN cromosomal.
Resumen
lapolimerasa beta consistente de una sola cadena polipeptídica es la responsable de la reparación del ADN.
 Lade
ADN
replicación
 La ADN polimerasa gamma se encuentra en mitocondrias y es responsable de la duplicación del ADN mitocondrial.
 La ADN polimerasa épsilon, enzima recientemente descubierta y su actividad es similar a la polimerasa delta.
La velocidad de las polimerasas en eucariontes es mucho menor que en procariontes. Para compensar esto, las células
eucarioticas contienen más de 20.000 moléculas de enzimas. Además, las células eucarioticas tienen un gran número de horquillas de
duplicación y fragmentos de Okasaki mas pequeños de 40 - 300 bases. De esta forma la velocidad de duplicación del ADN es mayor en
eucariontes.
La ADN polimerasa delta es la encargada de sintetizar la hebra principal o adelantada y la polimerasa alfa la hebra
retrasada. El ADN en eucariontes esta unido con histonas, por lo tanto la duplicación involucra dos pasos extras;
-
Primero el ADN se debe disociar de las histonas para comenzar la duplicación.
-
La síntesis de histonas tiene lugar al mismo tiempo que la síntesis de ADN y las histonas se deben unir al nuevo ADN.
Algunos virus poseen otra forma de sintetizar ADN, debido que tienen una enzima llamada TRANSCRIPTASA REVERSA
capaz de usar como hebra molde la molécula de ARN.
Fig. 6
Reparación del DNA
Actividad exonucleasas de las ADN pol.
La mayoría de las células del cuerpo entran primero en senescencia.
Después, tras daños irreparables en el ADN sobreviene la apoptosis y evitar que la célula se vuelva carcinogénica.
Cuando las células entran en senescencia, las modificaciones en la biosíntesis y producción hacen que funcionen de forma poco
eficiente, conduciendo inevitablemente a la enfermedad. La capacidad de reparación del ADN de la célula es vital para la integridad
de su genoma, de su funcionamiento normal y por extensión, de todo el organismo. Muchos genes que al principio parecían estar
relacionados con una mayor duración de la vida han sido relacionados con el mecanismo de reparación y protección del ADN.
5. El fracaso al corregir lesiones moleculares en las células que forman gametos conduce a una descendencia con mutaciones, lo que
puede afectar a la tasa evolutiva.
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