Download Replicación - Liceo Javiera Carrera

Liceo N°1 Javiera Carrera
Depto. de Biología
C.G.B.T./c.g.b.t.
DOCUMENTO DE APOYO 4° MEDIO COMÚN
Después que Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice del ADN, tres
modelos de replicación del ADN se han propuesto: conservativo, semiconservativo
y dispersivo.
Modelos de Mecanismos de Replicación:
Modelo
Conservativo
En este modelo las dos cadenas de ADN paternales se vuelven a
juntar después de que ocurre la replicación. Esto es, una
molécula hija contiene a ambas cadenas paternales, y la otra
molécula hija contiene al nuevo material sintetizado.
Modelo
En este modelo la doble hélice paternal es rota en segmentos de
Dispersivo doble cadena de ADN. Al igual que en el modelo conservativo, actúan
como moldes para la síntesis de nuevas moléculas de doble hélice.
Los segmentos se recomponen en dobles hélices de ADN completas,
cada una con segmentos intercalados de padres e hijos.
Modelo
Semiconservativo
En este modelo las dos cadenas paternales del ADN se
separan y sirven de molde para la síntesis de una nueva
cadena de ADN. El resultado son dos dobles hélices de
ADN, donde ambas están constituidas de una cadena
paternal y una cadena nueva.
La división celular origina dos células hijas a partir de una sola célula
madre. Para que estas células hijas sean normales, la división celular debe
garantizar que cada célula reciba una copia de toda la información genética de la
célula progenitora. Por lo que, antes de la división celular, la célula madre debe
sintetizar dos copias exactas de su ADN, proceso que se conoce como replicación
del ADN, hecho que ocurre en la etapa S de la interfase celular, estudiado en
segundo medio.
En la mayoría de las células que se dividen, el inicio de la replicación obliga a la
célula a dividirse, de otra manara podría morir. Por eso, el momento de la
replicación está regulado de modo que no se inicie a menos que la célula esté
preparada para dividiré. Estos controles también garantizan que el ADN de la
célula se replique exactamente una vez, no más, antes de cada división celular.e
ADN
La replicación del ADN produce dos dobles hélices idénticas cada una de las
cuales será transmitida, en un cromosoma, a una célula hija.
Antes de la división celular, se debe replicar el ADN que está en la cromatina
organizada en estructuras individuales llamadas cromosomas, los que contienen
una sola doble hélice de ADN.
La replicación del ADN se inicia cuando enzimas topoisomerasas desenrollan y
separan la doble hélice parental, de tal forma que las bases de las dos cadenas de
ADN no estén apareadas. Otras enzimas avanzan a lo largo de cada cadena de
ADN parental, seleccionando y uniendo nucleótidos libres complementarios a los
de la cadena parental que sirve de molde. Las enzimas unen estos nucleótidos
libres para formar dos nuevas.
Cuando la replicación ha concluido, cada nueva hebra de ADN se organiza en
una doble hélice que contiene una cadena antigua y una cadena nueva, por lello el
proceso se denomina replicación semiconservativa. Esto se ha observado
gracias al experimento de Meselson y Sthal.
Experimento de Meselson y Sthal:
Meselson y Stahl (1957) diseñaron un experimento para tratar de averiguar la
forma en la que se realiza la replicación del ADN en E. coli, es decir, la pregunta que se
plantearon fue: ¿Qué modelo de replicación del ADN sigue E. coli, semiconservativo,
conservativo o dispersivo?. Para contestar a esta pregunta, diseñaron un experimento en
el que marcaban el ADN de la bacteria E. coli con Nitrógeno pesado N15, para ello hicieron
crecer las bacterias durante 14 generaciones sucesivas en un medio que contenía como
única fuente de Nitrógeno N15. Durante estas 14 generaciones el ADN de las bacterias las
bacterias se había sintetizado con bases nitrogenadas con Nitrógeno pesado (N15).
Posteriormente, comprobaron que podían distinguir el ADN del las bacterias que crecían
en un medio normal (con N14) del ADN de las bacterias que habían crecido durante 14
generaciones en N15. Para ello extrajeron el ADN de ambos tipos de bacterias y lo
centrifugaron en un gradiente de densidad de CsCl. El resultado fue que la densidad del
ADN de las bacterias que habían crecido en presencia de N15 era mayor que el ADN de
las bacterias que habían crecido con N14. Una vez comprobado que eran capaces de
distinguir el ADN de ambos tipos de bacterias, continuaron el experimento de la siguiente
forma: Las bacterias que habían estado creciendo en Nitrógeno pesado (N15) las pasaron
a un medio de cultivo que contenía N14 (Nitrógeno normal) y a distintos tiempos, media
generación, una generación, dos generaciones, tres generaciones de replicación,
tomaban una muestra del cultivo bacteriano, extraían el ADN y centrifugaban en gradiente
de densidad de CsCl.
Las dos nuevas dobles hélices se mantienen unidas mientras la célula se prepara
para dividirse. El cromosoma recibe ahora el nombre de cromososma duplicado.
Cada cromosoma duplicado contiene dos cromátidas (cromátidas hermanas)
idénticas entre sí, como producto de la replicación del ADN. Cuando las
cromátidas hermanas se separan durante la división celular, cada célula hija
recibe una cromátida ( un cromosoma simple); así se conserva la intergridad de la
información genética de una división celular a la siguiente.
Características Generales del Mecanismo de Replicación:
Entre las muchas enzimas que participan en la replicación, destaca la ADN
helicasa, una enzima que separa la hélice utilizando ATP para romper los puentes
de hidrógeno entre pares de bases complementarias. Esta actividad desenrrolla y
separa la doble hélice y forma una” burbuja de replicación”. En el interior de
esta burbuja de replicación, las bases nucleótidicas no apareadas sirven de molde
para la polimerización de las cadenas complementarias. Cada burbuja de
replicación contiene dos “horquillas” de replicación donde las dos cadenas de ADN
parentales no se han desarrollado aun, se parecen a una bifurcación de caminos.
BURBUJA DE REPLICACIÓN: La replicación se inicia en el momento en que la
ADN helicasa y otras enzimas que analizaremos más adelante, desenrollan partes
de la doble hélice de ADN parental y crean una burbuja de replicación. En las
células complejas, la replicación del ADN ocurre simultáneamente en muchos
puntos de la doble hélice del ADN parental, lo que se traduce en la formación de
numerosas burbujas de replicación. La replicación del ADN termina cuando todas
las burbujas de replicación adyacentes se encuentran para formar dos dobles
hélices de ADN completas e individuales.Esto se observa en el siguiente
esquema:
La duplicación de la molécula de ADN se produce según las
siguientes normas:
1. Es SEMICONSERVATIVA: cada molécula de ADN está formada por una hebra de
ADN original y otra recién sintetizada.
2. Es BIDIRECCIONAL: a partir de un punto dado del cromosoma, la replicación
progresa en dos direcciones.
3. En virus y bacterias hay un único PUNTO DE INICIO de la replicación. Mientras
que en eucariotas hay varios
4. La replicación AVANZA por adición de mononucleótidos en sentido 5,--3,
5. Es SEMIDISCONTINUA: en una de sus hebras (llamada hebra conductora) se
sintetizan fragmentos bastantes grandes de forma continua, mientras que en la
otra (llamada retardada) la síntesis es discontinua, es decir, se van incorporando
nucleótidos que se disponen de forma separada.
6.
La INICIACIÓN de la síntesis de cada fragmento requiere un extremo hidroxilo
libre que es proporcionado por un ARN cebador que analizaremos más adelante.
La reacción fundamental de la síntesis de ADN es la adición de un
desoxirribonucleótido al extremo 3, de una cadena de ADN.
Las Enzimas De La Replicación
En el proceso de duplicación del ADN intervienen numerosas proteínas que son las que
se mencionan en la siguiente tabla:
Proteínas
Actividades
Escinde el ARN cebador.
Correctora de pruebas
ADN Polimerasas
ADN pol I
(repara los errores de la
síntesis del ADN).
Rellena con dNTP el
espacio
resultante
al
eliminarse el ARN cebador.
ADN pol II
Repara pequeñas roturas
en una hebra de ADN
ADN pol III
Polimerización del ADN, ya
que presenta una alta
procesividad( grado en que
sigue añadiendo dNTP una
vez que ha comenzado
Otras Proteínas
TOPOISOMERASAS
Desenrollan el ADN
HELICASAS
Separan las hebras del
ADN, para que cada una
actúe de molde
Proteínas SSB
Se unen a las cadenas
sencillas, estabilizándolas
mientras dura la replicación
PRIMASAS(ARN
Sintetizan el ARN cebador
polimerasas dependientes (primer) usando
como
de ADN)
molde una hebra de ADN
NUCLEASAS
Rompen una de las hélices,
dando lugar a un origen de
replicación( creando un
ADN primer)
LIGASAS
Unen fragmentos de ADN
adyacentes,
mediante
enlaces fosfodiéster
Las ADN polimerasas, que catalizan la formación de los enlaces fosfodiéster entre
nucleótidos y van añadiendo nucleótidos complementarios al de la hebra molde.Se utiliza
desoxirribonucleótidos trifosfato(dNTP) que, además, aportan la energía necesaria para la
reacción y desprenden pirofosfato inorgánico.
Las Primasas van a originar los ARN cebadores que son complementarios del ADN
correspondiente. Son ARN – polimerasas ADN dependientes, ya que pueden sintetizar
una cadena de ARN usando una hebra de ADN molde.
Las Topoisomerasas actúa desenrollando el ADN. Entre ellas destaca la ADN Girasa
porque desespiraliza el ADN.
Las Helicasas separan las dos hebras de la doble hélice.
Las proteínas SSB mantienen separadas las dos hebras monocatenarias. Estas actúan
conjuntamente con las helicasas.
Las Nucleasas rompen los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos. Pueden atacarlos
empezando por un extremo hidroxilo 3, libre o por el extremo 5,
Las Ligasas que unen los fragmentos de polinucleótidos adyacentes mediante enlaces
fosfodiéster.
MECANISMO MOLECULAR DE LA REPLICACIÓN
El ADN es una doble hélice trenzada muy estable y debe abrirse para replicarse (de
ADN siempre presenta una hebra original y otra recién sintetizada) y lo hace en puntos
llamados de inicio o de origen. En estos puntos es separada en una pequeña porción
mediante una enzima llamada helicasa.Esta enzima ubica el punto de inicio u origen de la
replicación. La enzima Helicasa se desplaza separando la doble hélice formando un
pequeña horquilla de replicación, simultáneamente, actúan enzimas topoisomerasas,
de tipo Girasa que desenrollan las hebras o hélices y proteínas SSB se adosan a las
hebras en separación para estabilizarlas y así evitar que ambas hebras vuelvan a unirse y
enrollarse. En este proceso la hélice rota en 100 revoluciones por segundo, esto
generaría un sobre enrollamiento de la doble hélice en otros puntos, lo que es evitado por
otras enzimas topoisomerasas, de corte de las hebras y, otra que luego las sellan.
El nuevo ADN no puede volver a fabricarse mientras no sea cebado, es decir, hasta
que se haya formado un partidor, llamado primer. El primer corresponde a un pequeño
trozo fragmento de ARN que es complementario al ADN correspondiente. Esto lo realiza
una enzima llamada ARN polimeraza dependiente del ADN, que se denomina Primasa,
en el mismo punto de la replicación. Este partidor de ARN luego será removido. Este
partidor es importante porque el último nucleótido del ARN que posee, proporciona un OH3` libre para el primer desoxirribonucleótido trifosfato (dNTP) de la hebra del ADN que está
copiando. La enzima ADN polimerasa III (ADNpol III), se encarga de añadir dNTP
complementarios a la hebra molde del ADN en el extremo OH- 3` libre del ARN cebador. A
esto se debe que la enzima ADN pol III no puede comenzar la síntesis de nuevas cadenas
por si sola por ello es imprescindible la participación de la enzima primasa que se
desplaza o que recorre la hebra molde del ADN en sentido 3`→ 5´ sintetizando el
fragmento ARN complementario y antiparalelo en sentido 5´→3` añadiendo rNTP
(ribonucleótido trifosfato) en los OH- 3` libre de cada nucleótido del ARN.
La enzima ADNpol III además es capaz de continuar la polimerización del ADN
siempre que posea OH- 3` libre donde seguir añadiendo nuevos dNTP, estos son
proporcionados por los mismos dNTP que se van añadiendo. La ADN pol III al igual que el
ARN polimerasa también se desplaza o recorre la hebra molde del ADN en sentido 3`→ 5´
ubicando nucleótidos (dNTP) para la nueva hebra complementaria en sentido 5´→3`. La
ADN pol III reconoce los nucleótidos de la hebra molde y los empareja con los dNTP libres
que han llegado al núcleo desde el citoplasma donde son sintetizados o proporcionados
por la dieta, enfrentando los nucleótidos de acuerdo a su complementariedad de sus
bases, A = T y C=G. Para ambas hebras se desplaza una enzima ADNpol III debido a
que son antiparalelas, una en un sentido y la otra en el sentido contrario. En una de las
hebras llamada continua o conductora la síntesis de la nueva hebra es sin interrupción,
mientras que la otra hebra, llamada retardada, la síntesis es discontinua. Esto último se
debe a que la enzima ADNpol III al desplazarse en sentido 3`→ 5´ de la hebra del ADN
llega a un punto en que no puede continuar la síntesis y vuelve a empezar en una zona
más atrás donde no se ha producido replicación. Para continuar con la replicación la
enzima primasa debe armar otro partidor quedando a lo largo de la hebra retardada del
ADN una complementaria formada por fragmentos llamados de OKASAKI. De acuerdo a
esto cada fragmento de Okasaki, esta formado por un segmento de ARN (primer),
seguido por otro mucho mayor de ADN.
Luego la enzima ADNpol I elimina el cebador mediante su actividad exonucleasa
(extrae) 5´→3` rompiendo los enlaces fosfodiéster que existen entre los nucleótidos.
Además la enzima ADNpol I tiene una acción polimerasa 5´→3` rellenando el espacio
dejado por el fragmento de ARN partidor que ha sido removido con un fragmento de
cadena de ADN. Por último los ADN libres derivados del fragmento de Okasaki más el de
relleno son unidos por enzimas topoisomerasa de tipo ligasa.
En ambos casos, tanto la enzima ARN polimerasa (primasa), como la ADN pol III
añaden nuevos nucleótidos que se van uniendo en cadena mediante puentes covalentes
fosfodiéster con energía proporcionada por los mismos nucleótidos, ya que estos son
trifosfatos, liberándose un pirofosfato inorgánico(PPi). También puede participar la enzima
ADN pol II que en su acción exonucleasa 3`→ 5´ y polimerasa 5´→3` repara en la hélice
sencilla pequeñas roturas que ocurren en una hebra del ADN.
En eucariontes existe mucha mayor cantidad de ADN que en procariontes por lo tanto
la replicación en eucariontes debería ser mucho más lenta, pero no es así, porque en los
eucariontes existen muchos puntos de origen o inicio de replicación, mientras que en
procariontes existe solo uno. Esto significa que los organismos eucariontes poseen
muchas unidades de replicación, las que se denominan replicaciones, cada uno con un
punto de origen y dos puntos de término.
El ADN de eucariontes está asociado a proteínas histonas formando los nucleosomas,
esto dificulta el progreso de la ADN pol III, por ello el ADN debe desaparearse de la
histona y se requiere una síntesis de histona coordinada con la replicación. Para ello,
mientras en una zona del ADN está formándose replicaciones en otra se está
transcribiendo
ARN
para
la
síntesis
de
nuevas
proteínas
histonas
Los esquemas precedentes tienen el objeto que observes esquemáticamente el
mecanismo de la replicación del ADN.
El ADN conserva absolutamente la información genética a través de innumerables
divisiones celulares. Esto se debe a la existencia de tres procesos enzimáticos. Dos de
ellos se encargan de prevenir errores y el tercero se encarga de la corrección de errores.
Cada uno de los mecanismos que aseguran una correcta replicación son los
siguientes:
1.- Selección de nucleótidos (dNTP) es realizada por la enzima ADN polimerasa III y se
basa en que la estabilidad del complejo formado por ADN pol III. El ADN molde y el dNTP
es máxima si el dNTP es complementario.
2.- Corrección de pruebas: es realizada por la enzima polimerasa I mediante su acción
exonucleasa, que tiende a eliminar cada nucleótido recién añadido. La existencia de un
nucleótido desemparejado detiene la adición del siguiente y la exonucleasa, ADNpol I,
tiene tiempo par retirar el nucleótido. La ADN pol III busca de nuevo la pareja adecuada.
La corrección de errores es más compleja que la corrección de pruebas. Las
enzimas deben reconocer, eliminar y sustituir por otro el nucleótido mal emparejado. El
problema está en distinguir la cadena molde (original) de la recién sintetizada. En
procariontes el nucleótido se metila después de la síntesis del ADN. Pero hay un breve
tiempo en que permanece sin metilar y en ese intervalo la cadena nueva y vieja se
diferencia por el grado de metilación. En eucariontes no se produce metilación, y no se
sabe cómo se distinguen ambas hebras.
La formación de puentes de hidrógeno entre pares de bases complementarias
proporciona gran exactitud a la replicación. Sin embargo, ningún proceso celular es
perfecto, ni siquiera la replicación de ADN. En parte, dado que la replicación es tran veloz
( hasta 800 nucleótidos por segundo), la ADN polimerasa enlaza bases incorrectas una
vez por cada 10 mil pares de bases, pero las cadenas de ADN terminadas contienen solo
aproximadamente un error en cada 1000 millones de pares de bases. Esta gran
exactitudse consigue por la acción de las ADN polimerasas reparadoras, descritas
anteriormente, que corrigen las cadenas hijas durante y después de su síntesis. A pesar
de todo, algunos errores no son reparados. Una célula con errores en su ADN puede
funcionar normalmente si este error se produce en segmentos no críticos del ADN, o
puede morir si el error afecta segmentos genéticos fundamentales de la célula.
Los errores (mutaciones) que escapan a los mecanismos de control constituyen una
fuente importante de variación genética necesaria para que ocurra evolución. Los efectos
de estos errores dependen del organismo y de las condiciones ambientales que lo rodean.
Cuando estas son favorables, los cambios (mutaciones) no suelen ser beneficiosos; pero
si las condiciones ambientales son desfavorables, un cambio (mutación) si puede resultar
ventajoso.