Bases Químicas de la Herencia

El DNA y su replicación

Descubrimiento de los Ácidos Nucleicos

El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Meischer (1869), el cual trabajando con leucocitos y espermatozoides de salmón, obtuvo una sustancia rica en carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y un porcentaje elevado de fósforo. A esta sustancia se le llamó en un principio nucleína, por encontrarse en el núcleo.

En 1953, James Watson y Francis Crick, descubrieron la estructura tridimensional de uno de estos ácidos, concretamente del ácido desoxirribonucleico (ADN).

Dónde se Encuentran los Genes

En el ADN (ácido desoxirribonucleico) se encuentran los genes que portan toda la información genética de un organismo completo, es decir, tienen el control de la herencia. El ADN es una molécula bastante compleja, que está compuesta por cuatro tipos de bases llamadas nucleótidos, que, a su vez, están formados por tres partes: una base nitrogenada, un azúcar denominado desoxirribosa y un grupo fosfato.

Composición Química de los Ácidos Nucleicos

Están constituidos por un azúcar que es una pentosa, la cual puede ser: ribosa en el caso del ARN y la desoxirribosa en el caso del ADN. Otro componente de su estructura son las bases nitrogenadas, estas pueden ser:

Púricas: Adenina y Guanina Pirimidínicas: Citosina, timina y uracilo La composición la finaliza el ácido fosfórico. Las

diferencias químicas entre el ADN y el ARN, la pentosa es distinta, al igual que las bases nitrogenadas, el ARN contiene uracilo y citosina mientras que el ADN contiene timina y citosina.

Experimentos de Franklin y Wilkins

Rosalind Franklin y Maurice H. Wilkins utilizaron para sus estudios una técnica física conocida como difracción de rayos X. Esta técnica se utiliza para obtener patrones de difracción de cualquier molécula, los cuales son analizados e interpretados matemáticamente, con el fin de proponer una determinada estructura tridimensional de la molécula estudiada. El patrón de difracción de rayos X que obtuvieron Franklin y Wilkins les permitió proponer que la molécula de ADN forma una doble hélice semejante a una escalera de caracol.

El Modelo de Watson y Crick

Watson y Crick propusieron el modelo que establece las bases de la molécula responsable de contener la información genética de todo ser vivo, una estructura tridimensional denominada ácido desoxirribonucleico (ADN). Contribución que celebra este año su cincuenta aniversario y que festeja especialmente la biología molecular.

El ADN está formado por unidades químicas (nucleótidos) coloquialmente denominadas A, T, G y C; estos nucleótidos se alinean y se acoplan con otra cadena para formar la doble hélice (A se acopla con T y G con C). La importancia del orden de los nucleótidos es tal que determina a las proteínas, responsables de la estructura y funcionamiento de cada célula de un ser vivo.

Características del Modelo de Watson y Crick

El modelo para la estructura tridimensional de la molécula de DNA propuesto por Watson y Crick, se basa en la interpretación de imágenes obtenidas a través de difracción de rayos X por Rosalind Franklin quien trabajaba en el laboratorio de Maurice Wilkins. 

Para la interpretación de estas imágenes, Watson y Crick contaban con la siguiente información:

Los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos.

Un nucleótido equivale a una base + un azúcar + un fosfato.

Replicación: Por que ocurre?

Al cabo de la división celular, las células hijas heredan la misma información genética contenida en la célula progenitora. Como esta información se halla en el ADN, cada una de sus moléculas debe generar previamente dos moléculas de ADN idénticas a la de ADN originario para ser repartidas de manera equitativa entre las dos células hijas. Esta duplicación, gracias a la cual el ADN se propaga en las células de generación en generación, lleva el nombre de replicación

Que es la replicación del DNA?

La replicación es el proceso por el cual se pueden formar dos moléculas de DNA a partir de una, primero deben separarse las dos cadenas de doble hélice de ADN preexistente, las cuales sirven de moldes para la construcción de sendas cadenas complementarias. Dado que las cadenas recién formadas permanecen con las cadenas moldes, quedan formadas dos nuevas dobles hélices de ADN.

Características de la replicación

La replicación se produce sectorialmente

Es semiconservativa Es generada a partir de múltiples

orígenes de replicación Es un proceso bidireccional

Producción sectorial

El ADN integra los nucleosomas y se enrolla hasta generar una estructura helicoidal, que a su vez se enrolla sobre si formando lazos de diferente longitud, los cuales emanan de un eje constituido por proteínas no histónicas.

Esta disposición de la cromatina, organiza sectorialmente el ADN mediante dichos lazos que se convierten en unidades de replicación.

Es decir, el ADN no se sintetiza globalmente sino a partir de múltiples segmentos a lo largo de la molécula, cada uno de los cuales representa un lazo(origen de replicación)

La replicación es semiconservativa

En cada una de las moléculas hijas se conserva una de las cadenas originales, y por eso se dice que la replicación del ADN es semiconservadora. El experimento de Meselson y Stahl en 1958 permitió demostrar que el mecanismo real se ajusta a la hipótesis de replicación semiconservadora.

Hasta que finalmente se pudo demostrar que la replicación es semiconservadora, se consideraron dos posibles modelos para el mecanismo de la replicación:

Conservadora: se sintetiza una cadena completamente nueva, copia de la original.

Dispersora: conserva fragmentos de cadena nueva y vieja.

Orígenes de Replicación Si para sintetizarse el ADN comenzara su

replicación por uno de los extremos del cromosoma y avanzara uniformemente hasta concluir en el otro extremo, el proceso tardaría un promedio de 30 días. Sin embargo, la replicación(en fase S) dura unas 7 horas aproximadamente. La rapidez de dicho proceso se debe a los múltiples orígenes de replicación que aparecen a lo largo del ADN y que dan inicio a dicho proceso. Cada origen de replicación se gesta al separarse las dos cadenas de ADN, y consta de secuencias de ADN espaciales formadas por cientos de nucleótidos diferentes en cada origen.

En medio de ellas todos los orígenes tienen en común secuencias conservadas alrededor de los nucleótidos, denominadas ARS.

La Replicación es un proceso bidireccional

En la replicación intervienen proteínas iniciadoras y enzimas que separan las dos cadenas de DNA.

Al abrirse la doble hélice se forma una “burbuja” de replicación, cuyo tamaño aumenta a medida que avanza la separación de las dos cadenas del ADN, fenómeno que se produce en ambos extremos de la burbuja en forma simultánea. Al separarse las dos cadenas originales, se forman dos estructuras en forma de Y, llamadas horquillas de replicación. La replicación avanza en forma bidireccional, porque la síntesis y las dos horquillas de replicación se producen en direcciones opuestas desde un único origen.

Mecanismo de replicación del DNA

Las dos cadenas de la doble hélice de DNA se separan y sirven como moldes para la síntesis de nuevas cadenas complementarias. Las helicasas, enzimas que operan en las horquillas de replicación, separan las dos cadenas de la doble hélice original. Las proteínas de unión a cadena simple estabilizan las cadenas abiertas. La DNA polimerasa III cataliza la adición de nucleótidos a ambas cadenas operando sólo en dirección 5' a 3'. Para comenzar a añadir nucleótidos, esta enzima requiere la presencia de un cebador de RNA, unido por puentes de hidrógeno a la cadena molde que luego es reemplazado por nucleótidos de DNA. El cebador de RNA es sintetizado por la RNA primasa.

Mecanismo de replicación del DNA

La cadena adelantada se sintetiza en la dirección 5' a 3' en forma continua. En este caso, el único cebador de RNA está situado en el origen de replicación, que no es visible en este esquema. La cadena rezagada también se sintetiza en la dirección 5' a 3', a pesar de que esta dirección es opuesta a la del movimiento de la horquilla de replicación. El problema se resuelve mediante la síntesis discontinua de una serie de fragmentos, los fragmentos de Okazaki. Cuando un fragmento de Okazaki ha crecido lo suficiente como para encontrar un cebador de RNA por delante de él, la DNA polimerasa I reemplaza a los nucleótidos de RNA del cebador con nucleótidos de DNA. Luego, la DNA ligasa conecta cada fragmento con el fragmento contiguo recién sintetizado en la cadena.

Enzimas de Replicación

ADN-polimerasa I alfa(eucariontes): Sintetiza los fragmentos de ADN discontinuos a partir del cebador.

ADN-polimerasa II beta(eucariontes): Rellena los huecos dejados por el cebador y repara errores como un segundo sistema de reparación.

ADN-polimerasa III delta(eucariontes): Sintetiza la hebra continua a partir del cebador y realiza lecturas de prueba.

Helicasas: Rompen los puentes de hidrógeno, separando las cadenas del ADN.

Primasas: Sintetizan el primer o cebador. Proteínas SSB: Se extienden sobre las hebras del ADN

evitando autoapareamientos entre las bases libremente expuestas

Topoisomerasas I y II: Corrigen el superenrollamiento Ligasa: sella los fragmentos de Okazaki

Acción de la Telomerasa

El telómero es una secuencia fija y repetida de nucleótidos, presente en los extremos de los cromosomas lineales de las células eucariontes. En cada ciclo de replicación los telómeros se acortan, porque la DNA polimerasa no puede sintetizar DNA desde un extremo abierto. La enzima telomerasa compensa la pérdida prolongando los extremos.

Mutación y Reparación de ADN El material genético se halla en constante peligro de ser

alterado no solo por la acción de diversos agentes ambientales, sino también espontáneamente, por ejemplo, como consecuencia de errores durante la replicación. Ello se debe a que cuando se sintetizan las cadenas hijas suelen insertarse nucleótidos incorrectos, o nucleótidos de menos o de mas.

Las mutaciones ocurren al azar, esto se descubrió en un experimento en el que se hicieron 10 cultivos de 10 (8) células cada uno.

Las mutaciones pueden afectar a uno (puntuales), unos pocos (pseudopuntuales) o a un gran número de nucleótidos de una secuencia de ADN (cromosómicas).

La ADN polimerasa delta puede corregir errores que ella misma comete mediante una propiedad conocida como lectura de pruebas