Tema 14: el adn, portador de la información genética. Replicación del adn

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  Transcripción: Proceso por el cual el ADN forma una copia de una parte de su mensaje, sintetizándose una molécula de ARN mensajero.
  
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  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:



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:

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  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.
  

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  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.

Sin embargo hubo investigadores que propusieron otras hipótesis. Veamos las 3 hipótesis posibles:

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  Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra doble cadena completamente nueva.
  
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  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.
  
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  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 ¹⁵N. 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.
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 autorradio-gráficas. 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.

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  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'.
  
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  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 (PP_i).
  
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  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).



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:

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  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.
  

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  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).
  
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  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.

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?

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.

___________________________________________________________________________________________________Biología.Replicación ADN