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PROFESORA: Natalia Poblete
SECTOR CURRICULAR: Biología
CURSO: IV° medio
REPLICACIÓN DEL ADN
Mecanismo de síntesis y conservación de fidelidad
Ya sabemos que la replicación (o copia del ADN) es semiconservativa.
Es decir, que a partir de la molécula original de ADN se generan dos
nuevas, donde cada una de ellas se compone de una hebra del ADN
original y de una hebra complementaria nueva. En otras palabras el
ADN se forma de una hebra vieja y otra nueva.
La replicación del ADN ocurre una sola vez en cada generación
celular. Este proceso requiere de muchos necesita de muchos
"ladrillos" (nucleótidos), enzimas, y una gran cantidad de energía en
forma de ATP. Este proceso ocurre en la etapa de síntesis del ciclo
celular (etapa S, donde se duplica el material genético previo a una
división celular, conocida como mitosis).
La replicación del ADN ocurre en el interior del núcleo celular. En el
ser humano ocurre a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo y
en células procariontes a 500 nucleótidos por segundo. Los
nucleótidos tienen que ser armados y estar disponibles en el núcleo
conjuntamente con la energía para unirlos (ATP).
El inicio de la replicación siempre acontece en un cierto grupo de nucleótidos específicos una secuencia de
origen llamada: “origen de la replicación”. Para que el proceso comience, se requiere una maquinaria de
enzimas que participen, tales como; la enzima helicasa para romper los puentes hidrógeno y separar la
doble hebra, la enzima topoisomerasa para aliviar la tensión de las hebras que aún no se han separado y de
las proteínas de unión a cadena simple para mantener separadas las cadenas abiertas (observa la siguiente
figura).
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SECTOR CURRICULAR: Biología
CURSO: IV° medio
Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como “burbuja de replicación” en donde se
encuentra la "horquilla de replicación", que es la región de ADN que ha abierto sus cadenas y está disponible
para ser replicada.
Luego, por acción de la ADN polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el
nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). En los organismos procariontes, como
las bacterias, se abre sólo una burbuja de replicación, mientras que los organismos eucariontes se abren
múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia de las "burbujas".
Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede solo en la dirección 5' a 3'
en ambas cadenas, sólo una de ellas podrá ser replicada con normalidad. A esta cadena que se replica en
dirección 5’ a 3’ se le llama “cadena adelantada” por generar una copia continua de ADN. Mientras que a la
cadena de ADN que va de 3’ a 5’, se le conoce como “cadena atrasada” ya que requiere de un mecanismo
“discontinuo” de replicación (que va en sentido contrario).
Se ha demostrado en numerosos experimentos que para que la ADN polimerasa sintetice la nueva cadena
de ADN en la cadena retrasada, necesita de pequeñas cantidades de ARN conocidas como cebadores (o
primers) que se acoplen temporalmente a la cadena retrasada de ADN y le indiquen desde dónde deben
comenzar la síntesis de la nueva cadena. Como consecuencia, la polimerasa tocará el extremo 5’ del cebador
y comenzará a replicar el ADN en dirección 5’ a 3’, mientras otra enzima remueve los fragmentos de ARN
cebador, y coloca nucleótidos de ADN en su lugar. Finalmente la enzima Ligasa unirá los fragmentos
discontinuos de ADN de la cadena, llamados “Fragmentos de Okasaki” (recuerda que estos fragmentos sólo
están presentes en la cadena retrasada de ADN). (Ojo! La ligasa es fundamental para ambas cadenas,
continua y retrasada!)
ACTIVIDAD:
En una tabla de doble entrada escribe el nombre de las enzimas que participan en la replicación del ADN y
describe su función. Recuerda que… mientras más utilices los conceptos y entiendas qué hace cada cosa,
será más sencillo recordarlo ;)
REPLICACIÓN Y FIDELIDAD
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CURSO: IV° medio
Las mutaciones son alteraciones de la información hereditaria, debidas a cambios en los cromosomas en los
genes.
A veces, la maquinaria celular compuesta por las enzimas involucradas en la replicación del ADN comete un
error. Esto significa que en la nueva hebra formada, coloca una base diferente a la que corresponde que se
aparee, de acuerdo con la complementariedad de bases.
Estos errores suelen ser corregidos de inmediato, por un conjunto de enzimas que permanentemente se
encargan de ello. Si no se hace la corrección, el error persiste, la secuencia de nucleótidos en la nueva
molécula de ADN queda alterada y aparece así una nueva versión del gen al que esa secuencia pertenece.
Las alteraciones anteriormente descritas se denominan mutaciones genéticas y ocurren naturalmente a una
frecuencia extremadamente baja, que es constante para cada gen. Las tasas de mutación pueden verse
alteradas con agentes externos, tales como sustancias químicas presentes en el tabaco, drogas y
radiaciones. Muy conocido es el caso de las mutaciones cancerígenas que la radiación ultravioleta de la luz
solar causa en las células de la piel, debido a que provoca uniones entre pirimidinas adyacentes en una
misma hebra (dímeros de pirimidina).
Teniendo en cuenta que los genes determinan parcialmente el fenotipo, es de esperarse que una mutación
genética se exprese en una alteración fenotípica. Lo relevante por ahora es que si existen diferentes
versiones para un gen (es decir, distintos alelos), es porque la replicación del ADN, si bien se lleva a cabo con
absoluta fidelidad la mayoría de las veces, puede permitir, eventualmente y muy rara vez, un error que
persiste. Por ejemplo, para el gen del grupo sanguíneo humano, existen tres versiones LA
, LB
y LO
y para el
gen que determina el color de las semillas en las arvejas existen dos, la que determina amarillo y la que
determina verde. Las diferentes versiones para un gen se denominan alelos, de modo que se dice que para
el grupo sanguíneo existen tres alelos, mientras que para el color de la semilla, dos. La comunicación sobre
este tema se complica, porque es frecuente que se hable de que existen tres genes para el grupo sanguíneo,
dos para el color de la semilla, etc. Pero como sea que se exprese, la explicación está en las mutaciones
genéticas que se producen en el proceso de replicación del ADN.
Estas mutaciones son, junto con la recombinación genética (dada durante la meiosis y la fecundación) las
principales fuentes de variabilidad que podemos constatar en las poblaciones y que es el sustrato de la
selección natural, mecanismo que explica la evolución de las especies.
¿CÓMO SE EXPRESAN LOS GENES?:
El Dogma Central de la Biología Molecular
Ya en 1941, la respuesta a la pregunta planteada en
el subtítulo tenía relación con las proteínas. Una de
las evidencias en apoyo de esta idea fue el
descubrimiento de que al provocarse una mutación
en un gen determinado, se anulaba la acción de
una enzima específica. Así nació la hipótesis “un
gen – una enzima”, es decir, la idea de que la
información genética se expresaba como una
enzima. Más tarde, esta idea se amplió a que cada gen es responsable de la síntesis de una proteína, es
decir, a la hipótesis “un gen – una cadena de polipéptido”. Esta generalización recibió tanto apoyo
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experimental y fue capaz de explicar una cantidad tan grande de fenómenos que se transformó en un
principio innegable. Por eso se dice de ella que es uno de los Dogmas Centrales de la Biología Molecular.
Este dogma se resume en que el ADN de una célula tiene la capacidad de autoreplicarse, pero además de
codificarse en una molécula de ARN (en la transcripción), que en el caso de las células eucariontes, saldrá del
núcleo y será decodificado (o leído) en un ribosoma y transformado en una cadena polipeptídica, que
conocemos popularmente como proteína (a través de un proceso conocido como traducción).
En una célula procarionte (figura
derecha) la transcripción y la traducción
(síntesis de proteínas) están acopladas,
es decir, que la traducción empieza
mientras el ARNm está siendo
sintetizado.
En una célula eucarionte, la transcripción
ocurre en el núcleo y la síntesis de
proteínas en el citoplasma (figura inferior izquierda).
La transcripción y síntesis de proteínas están espacial y
temporalmente separadas en las células en eucariontes; es decir,
la transcripción se lleva a cabo en el núcleo y produce una
molécula de Pre-ARNm.
Luego, el Pre-ARNm es procesado para producir el ARNm maduro,
el cual sale del núcleo y es traducido en el citoplasma.
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