1. REPLICACIÓN DEL ADN
El significado genético de la replicación es el de conservar la información genética.
La estructura del ADN en doble hélice permite comprender como dicha molécula
puede dar lugar a copias sin perder su conformación. En principio, las dos hebras
deberían separarse. Después, mediante la acción de otra enzima, a partir de
desoxirribonucleótidos sueltos y según la complementariedad de bases, podría irse
construyendo las hebras complementarias de las dos hebras “modelo” iniciales.
MODELOS DE REPLICACIÓN PROPUESTOS
Para explicar este proceso se propusieron tres hipótesis:
Hipótesis Conservativa. Propone que tras la duplicación, quedan, por un lado, las
dos hebras antiguas juntas y, por otro, las dos hebras nuevas también espiralizadas.
La Hipótesis Semiconservativa sobre la duplicación del ADN se debe a Watson y
Crick. En ella se sostiene que, en las dos moléculas de ADN de doble hélice hijas,
una de las hebras sería la antigua y otra la moderna.
La Hipótesis Dispersiva supone que la primitiva molécula de ADN se fragmenta en
multitud de pequeños trozos, copiándose éstos y reuniéndose tanto los fragmentos
originales como las copias de modo que las dos nuevas moléculas están formadas
por fragmentos antiguos y nuevos.
El experimento más definitivo para dilucidar cuál de estas tres hipótesis era la
correcta fue el de Meselson y Stahl en 1957. La hipótesis confirmada fue la
semiconservativa.
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2. REPLICACIÓN “IN VIVO” DEL ADN
La enzima que lleva a cabo la replicación del ADN es la ADN polimerasa, esta
enzima tiene unos requerimientos específicos para trabajar, que le imponen
restricciones:
1. Sólo añade nucleótidos en la dirección 5’ 3’.
2. Necesita para poder empezar a copiar y unir nucleótidos un molde de ADN.
3. Necesita un pequeño trocito de ARN al cual unir los nucleótidos, ya que ella no
puede empezar a unir los nucleótidos sin tener una pequeña cadena ya formada.
4. Utiliza nucleótidos trifosfato.
Dadas las necesidades de esta enzima y sabiendo que la molécula de ADN está
formada por dos hebras antiparalelas, se plantea un problema en la cadena de ADN
que va en la dirección 5’ 3’, porque aquí la enzima estaría trabajando en la
dirección contraria, y sin embargo, se observa que las dos hebras se van replicando.
La solución al dilema la dio el desabrimiento, en 1968, por Okazaki de unos
fragmentos constituidos por unos 50 nucleótidos de ARN y entre 1.000 y 2.000
nucleótidos de ADN, denominados fragmentos de Okazaki. Así se podía explicar
como se copia esta cadena, siendo de forma discontinua en la dirección 5’ 3’ y la
otra cadena de forma continua. También quedaba solucionado el problema de que la
enzima necesitara una cadena de ARN a la cual unir los nucleótidos.
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3. Veamos ahora como se lleva acabo el proceso:
Existe una secuencia de nucleótidos en el ADN llamada origen de replicación
que actúa como señal de iniciación.
Las cadenas de ADN están unidas por puentes de hidrógeno, que debemos
romper para facilitar la separación de las cadenas para ser copiadas, esta
separación la lleva a cabo las enzimas helicasas.
Como el desenrollamiento de la doble hélice da lugar a superenrollamientos en el
resto de la molécula, capaces de detener el proceso, se hace preciso la presencia
de las enzimas topoisomerasas que eliminen las tensiones en la fibra.
A continuación, para evitar que las dos hebras vuelvan a reunirse y formar los
puentes de hidrógeno se colocan unas proteínas llamadas SSB (Single-Strand
DNA Binding proteins), que estabilizan las cadenas sencillas.
El proceso es bidireccional, es decir, hay una helicasa trabajando en un sentido y
otra trabajando en sentido opuesto. Se forman pues las llamadas burbujas u ojos
de replicación.
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4. Como ninguna ADN-polimerasa puede actuar sin cebador, interviene primero una
ARN polimerasa (primasa) que si lo puede hacer, sintetiza un corto fragmento de
ARN de unos 10 nucleótidos denominado primer que actúa como cebador.
Después interviene la ADN polimerasa III, que a partir de este cebador comienza
a sintetizar en dirección 5’ 3’ una hebra de ADN partir de nucleótidos trifosfato.
La energía necesaria para el proceso es aportada por los propios nucleótidos que
pierden dos de sus fósforos. Esta nueva hebra se sintetiza en el sentido que se
abre la horquilla de replicación, es de crecimiento continuo y se denomina hebra
conductora.
Sobre la otra hebra (hebra discontinua o retardada) la ARN polimerasa
sintetiza unos 40 nucleótidos de ARN en un punto que dista unos 1.000
nucleótidos de la señal de iniciación. A partir de ellos la ADN polimerasa III
sintetiza unos 1.000 nucleótidos de ADN, formándose un fragmento de Okazaki.
Este proceso se va repitiendo a medida que se van separando las dos hebras
patrón.
A continuación interviene la ADN polimerasa I, que, primero, gracias a su función
exonucleasa, retira los segmentos de ARN, y que luego, gracias a su función
polimerasa, rellena los huecos con nucelótidos de ADN.
Finalmente la ADN ligasa unirá los dos extremos, tanto en la cadena continua
como los sucesivos fragmentos de Okazaki que se van formando en la cadena
discontinua.
Cuando se observa como se produce la replicación se ve que la cadena continua va
más rápida que la discontinua, esto es debido a que cada vez que se forma un
fragmento de Okazaki hay que realizar todo este proceso como si se comenzara la
síntesis de nuevo, formando el primer y el resto de pasos, sin embargo, en la
continua solo se realizará una vez.
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6. REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS
Es similar a la de los procariontes, es decir, semiconservativa y bidireccional.
Existe una hebra conductora que sintetiza de manera continua y la retardada de
forma discontinua con fragmentos de Okazaki.
Sin embargo, la replicación en eucariotas presenta ciertas peculiaridades:
El ADN de los eucariontes está fuertemente
asociado a los octámeros de histonas, en
forma de nucleosomas, por lo que además de
replicarse el ADN, deben duplicarse también
las histonas. Al parecer, tanto los nuevos
nucleosomas como los antiguos se reparten de
manera aleatoria entre las dos nuevas hebras
hijas: en la retardada y en la conductora.
La longitud del ADN de un cromosoma
eucariótico es mucho mayor que el ADN
bacteriano, de ahí que no haya un único origen
de replicación. Para que el proceso sea más
rápido, existen numerosas burbujas de
replicación a lo largo de cada cromosoma.
CORRECCIÓN DE ERRORES
La actividad de la ADN polimerasa debe ser exacta, rápida y fiel, ya que la vida entera
y su continuidad de generación en generación dependen de la exactitud y precisión
con que se transmite la información, es decir de la fidelidad de la duplicación del
ADN.
La selección de nucleótidos por la ADN polimerasa y su actividad autocorrecctora,
constituyen mecanismos de prevención de errores, pero aún así se comete un error
de apareamiento por cada 10 millones de bases.
Esta precisión podría resultar suficiente para una bacteria, cuyo genoma contiene 3
millones de pares de bases, pero resulta insuficiente para el genoma humano que
contiene 3.109 pares de bases.
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7. Un error por cada 10 millones de bases supondría 300 equivocaciones en cada
duplicación del ADN humano, y teniendo en cuenta que durante el desarrollo
embrionario a partir del zigoto el genoma humano se duplica casi mil millones de
veces, se produciría una acumulación del trescientos mil billones de errores, lo que
evidentemente, es incompatible con la vida, ya que la formación inicial se perdería
pronto como consecuencia de las divisiones celulares.
Por ello, para aumentar todavía más la precisión de la duplicación, existe una
maquinaria enzimática que corrige los posibles errores cometidos por el ADN
polimerasa en ADN recién sintetizados (corrección postreplicativa), con lo que la
exactitud de la réplica alcanza la increíble perfección de un error por cada diez mil
millones de bases (1010). Esta corrección se realiza por medio de un conjunto de
enzimas agrupados en un complejo multienzimático que detecta el nucleótido mal
emparejado, lo elimina y regenera la secuencia correcta, del siguiente modo:
Para detectar el nucleótido mal emparejado,
el aparato de corrección debe reconocer la
cadena recién sintetizada, donde se
encuentra el error y diferenciarla de la
cadena molde. Ambas cadenas son
complementarias, pero mientras que la
cadena molde tienen metiladas las
adeninas de las secuencias GATC, existe
un lapso de tiempo durante el cual las
adeninas de estas secuencias en la cadena
réplica aparecen sin metilar, y es en este
intervalo cuando actúa el complejo
multienzimático y detecta los posibles
errores.
La eliminación se realiza mediante una
endonucleasa que corta el segmento en el
lugar donde se encuentra el error.
Por último, la secuencia correcta se
regenera cuando la ADN polimerasa I
rellena el hueco utilizando como molde la
cadena original, y por último una ligasa unirá
los fragmentos.
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8. TELÓMEROS: ENVEJECIMIENTO Y MUERTE CELULAR
Los cromosomas eucariotas son lineales y presentan en sus extremos unas regiones,
denominadas telómeros constituidas por secuencias repetitivas del tipo
TTAGGGTTAGGG….Cuando se replica el ADN lineal, los extremos 5’ de los
telómeros, no pueden ser replicados.
Cuando se elimina el ARN cebador del extremo 5’ de cada una de las hebras recién
sintetizadas, el hueco que queda no lo pueden rellenar los enzimas ADN
polimerasas, porque no encuentran extremos hidroxilo libres sobre los que añadir
nuevos nucleótidos.
La imposibilidad de replicar los extremos de cada cromosoma da lugar a que el
telómero se vaya acortando en cada ciclo de replicación, hasta llegar a una
cantidad crítica. Esta pérdida deja al descubierto los extremos de los cromosomas
que se unen unos a otros produciéndose la imposibilidad de replicación. Este
acortamiento de los telómeros está relacionado con el envejecimiento celular y la
muerte programada o apoptosis de las células.
El acortamiento de los telómeros, puede
ser remediado mediante una enzima, la
telomerasa, que repara el daño y hace
a las células inmortales, es el caso de
las células embrionarias y tumorales.
La telomerasa es una
ribonucleoproteina que actúa como
trasncriptasa inversa (sintetiza ADN a
partir de un molde de ARN), ya que
tienen una hebra de ARN con la
secuencia apropiada para actuar como
molde para la síntesis de la secuencia
telomérica de ADN que se añade en los
extremos 3’ de cada cromosoma para
evitar su acortamiento en cada proceso
de duplicación.
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9. AGENTES MUTAGÉNICOS
El ADN es un compuesto que se encuentra sometido continuamente a las agresiones
de sustancias químicas, tanto de nuestro propio metabolismo como del exterior.
También es alterado por agentes físicos.
EFECTO DE LA TEMPERATURA. Las células humanas por el mero hecho de
encontrarse a 37º, pierden diariamente y de forma espontánea unas 5.000 bases
púricas (A y G) en un proceso que implica la rotura del enlace N-glucosídico
denominado despurinización.
EFECTO DE LOS RAYOS ULTRAVIOLETA DE LA RADIACIÓN SOLAR. Esta
radiación induce la formación de enlaces covalentes
entre dos bases pirimidínicas sucesivas en la misma
cadena, lo que da lugar a dímeros de timina y de
citosina; como consecuencia se rompen los puentes
de hidrógeno que mantenían con sus bases
complementarias y la doble hélice se desorganiza
alrededor de los dímeros. Estos dímeros pueden
repararse fotoquímicamnete, pues las células poseen
unas enzimas que pueden activarse por la acción de
la luz ultravioleta.
METABOLITOS REACTIVOS. Algunos residuos del metabolismo, sobre todo los
radicales libres derivados del oxígeno, son compuestos altamente reactivos y
capaces de inducir lesiones en el ADN.
RADIACIONES IONIZANTES. Se conocen con este nombre a determinadas
radiaciones electromagnéticas de longitud de onda muy corta y por ello altamente
energéticas, como los rayos γ (gamma) y los rayos X y los flujos de neutrones
y protones originados en los reactores nucleares, que al colisionar con los
átomos y las moléculas que encuentran en su camino, los transforman en iones y
radicales muy reactivos, capaces de atacar a numerosas moléculas de las
células, entre ellas el ADN, produciendo la rotura de sus cadenas.
Las consecuencias derivadas de su acción dependen de la intensidad de la radiación
y del tiempo de exposición, ya que sus efectos son acumulativos. Si la radiación es
muy intensa, llegan a romperse los cromosomas y se produce la muerte celular.
Son más sensibles las células que s encuentran en división que las que no se dividen;
por ello cuando se aplica radioterapia en el tratamiento contra el cáncer, la radiación
destruye preferentemente a las células cancerosas, que están continuamente
dividiéndose, y deja intactas las restantes células del organismo. Si la radiación afecta
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10. a una mujer embarazada, se producen mutaciones de ADN en el feto que pueden
ocasionar la parición de malformaciones en el recién nacido, de ahí que nunca se
utilicen rayos X como método de exploración en las mujeres gestantes.
RADIACIÓN CORPUSCULAR: PARTÍCULAS α y β. Son las partículas que se
emiten en los procesos de desintegración de isótopos radiactivos, y sus efectos
sobre el ADN son similares a los producidos por las radiaciones rayos o los rayos
X, que ocasionan la rotura de las cadenas de ADN. El caso más grave fue el
sucedió en el accidente nuclear de Chernóbil.
SUSTANCIAS QUIMICAS. Constituyen una auténtica legión de sustancias,
habitualmente utilizadas y que nos rodean.
El benzopireno y otros hidrocarburos policíclicos, que son moléculas planas
que al intercambiarse entre los pares de bases establecen puentes, mediante
enlaces covalentes, entre las dos hebras de ADN. El ácido nitroso, que provoca
la desaminación de la citosina y la adenina. Los agentes alquilantes como el gas
mostaza, que introducen grupos metilo, etilo… en las bases del ADN y alteran la
replicación.
Como la mayoría de estos agentes mutagénicos favorecen el desarrollo de
tumores carcinógénicos.
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