BIOLOGÍAJM: LA BASE MOLECULAR DE LA HERENCIA

UNIDAD 19 La base molecular de la herencia 

1. El ADN como molécula portadora de la información genética. 

2. El material genético en procariotas y eucariotas. 

3. Replicación del ADN. Mecanismo de la replicación. 

4. Diferencias en el proceso replicativo entre procariotas y eucariotas. 

5. Corrección de errores. 



1. El ADN como molécula portadora de la información genética

Antes de conocer la naturaleza de la molécula portadora de la información genética, se pensaba que debía cumplir ciertos requisitos:

- Debía ser una sustancia químicamente estable, para que perdurara la información.

- Debía ser capaz de replicarse para poder pasar la información a las células hijas.

- Al mismo tiempo debía presentar una cierta capacidad de presentar cambios para que pudiese actuar la evolución.

El descubrimiento de los cromosomas y su capacidad de división y transmisión a las células hijas, permitió comprobar que ambos componentes de los cromosomas (proteínas y ADN) cumplían los requisitos citados. Posteriores experiencias permitieron confirmara al ADN como molécula responsable de la información genética. 

Pruebas: 

- Experimento de Griffith de transformación bacteriana. Ver otra imagen

- Se observó que la capacidad transformante desaparecía con los enzimas que destruían el ADN. 

- Todas las células somáticas tenían la misma cantidad de ADN. 

- Proporciones en las bases nitrogenadas 

- La prueba definitiva. La experiencia de Hershey y Chase 

 

2. El material genético en procariotas y eucariotas.

El ADN, organizada en fragmentos denominados genes, dispuestos linealmente unos a continuación de otros, en los cromosomas. Cada gen a su vez tiene una secuencia de nucleótidos (también se habla de pares de bases) que constituye la información específica para la síntesis de un polipéptido. Ahora bien, este modelo de organización de la información genética es más complejo de lo previsto. 

a) La cantidad de ADN por célula es la misma para cada célula diploide dentro de la misma especie, pero las variaciones entre las diferentes especies son enormes, 

b) En cada célula eucariota parece haber un gran exceso de ADN o cuando menos ADN cuyas funciones son desconocidas. Se estima que en las células eucariotas menos de1 10% de todo el ADN codifica proteínas, mientras que en los procariotas lo usan casi su totalidad. 

c) Casi la mitad del ADN de la célula consiste en secuencias de nucleótidos que repiten centenas, o hasta millones, de veces. En procariotas, como por ejemplo, Escherichia coli cada molécula de ADN sólo tiene una copia de cualquier gen dado. 

d) El hecho más sorprendente fue el descubrir que las secuencias de genes eucariotas que codifican proteínas habitualmente no son continuas, sino que están interrumpidas por secuencias no codificadoras llamadas intrones, diferenciándolas de las que sí se expresan denominadas exones.  Ver modelo de genoma eucariota.




3. Replicación del ADN. Mecanismo de la replicación. 

Tres posibilidades distintas para replicar el ADN: 

- Hipótesis conservativa 

- Hipótesis semiconservativa 

- Hipótesis dispersiva 

La experiencia de Meselson y Stahl, cultivo de bacterias en un medio marcando con Nitrógeno 15 radiactivo, para después dejarlas desarrollarse en un medio con nitrógeno 14. Con esto se muestra que la hipótesis semiconservativa es la correcta.


Mecanismo de replicación. Fases

a) Inicio de replicación

a1. Origen de replicación

a2.. Burbuja de replicación

a3. Dos horquillas de replicación.

a4. Enzimas necesarias (Helicasa, topoisomerasas I y II o girasa, proteínas SSB, ADN polimerasa)

b) Formación de nuevas hebras

c) Finalización


El mecanismo de la replicación es un proceso que ocurre una sola vez en cada generación celular, durante la fase S del ciclo celular. 

El principio de la replicación según el cual cada cadena de la doble hélice de ADN sirve como molde para la formación de una nueva cadena, es relativamente simple; sin embargo, el proceso real es considerablemente complejo. Para su estudio se pueden diferenciar las siguientes etapas: 

a) Inicio Ver 

1. La iniciación siempre comienza con una secuencia específica de nucleótidos conocida como origen de la replicación; requiere enzimas llamadas helicasas, las cuales rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias, abriendo así la doble hélice. 

2. Las separaciones de las cadenas, provoca superenrollamientos en zonas vecinas, por lo que existen otras enzimas, las topoisomerasa o girasas que rebajan la tensión. 

3. Una vez separadas las dos cadenas unas proteínas de unión a cadena simple (proteínas ssb) se unen a las hebras individuales, manteniéndolas separadas y evitando que se retuerzan. 

b) Formación de nuevas hebras . Ver

4. Ahora bien, para que se forme una nueva cadena no es suficiente que esté presente la cadena vieja que sirve de molde; sino que debe estar presente el inicio de la nueva cadena, este inicio lo proporciona un fragmento de ARN llamado cebador (sintetizado por una ARN primasa, acoplado mediante una ARN polimerasa y retirado por una ADN polimerasa), los cuales son reconocidos por las ADN polimerasas que se ponen a sintetizar la nueva cadena de ADN. 

5. La síntesis real de las nuevas cadenas es catalizada por un grupo de enzimas conocidas como ADN polimerasas (en procariotas son 3 y en eucariotas 5), que van añadiendo los nucleótidos uno a uno. La zona donde ocurre la replicación se observa al microscopio electrónico como un "ojo" o burbuja de replicación, estos segmentos de ADN en repli­cación se denominan replicones (en procariotas se forma sólo uno mientras en eucariotas se constitu­yen entre 500 en levaduras y 60 000 en los mamíferos). En los extremos de la burbuja las cadenas for­man una estructura en "Y" conocida como horquilla de replicación

6. El proceso de replicación es bidireccional y siempre en el sentido de la cadena de nucleótidos 5'-3', pues las polimerasas sólo colocan y unen nucleótidos en ese sentido. 

Como la replicación sólo ocurre en un sentido y las dos cadenas del ADN son antiparalelas, se planteaba un problema sobre cómo se efectuaría la replicación en los dos brazos de la horquilla. La solución la halló Reiji Okazaki, al encontrar que una cadena (la 5'-3') se sintetiza continuamen­te como una sola unidad, es la cadena adelantada o conductora, mientras que la otra cadena (la 3'-5') se forma de manera discontinua como una serie de fragmentos de Okazaki, sintetizados cada uno en el sentido 5'-3', que después terminan uniéndose formándose la llamada cadena retrasada o retardada. 

7. Por último, hay otra enzima, la ADN ligasa que conecta los fragmentos de ADN recién formados con la cadena en crecimiento de ADN.

c) Finalización




4. Diferencias en el proceso replicativo entre procariotas y eucariotas.  

Ver replicación en eucariotas

- Como en eucariotas el ADN está asociado a histonas, la replicación debe tener en cuenta esta síntesis

- El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en los organismos eucariotas que los procariotas.

- Existen tres ADN polimerasas en procariotas y cinco en eucariotas.

- La replicación tiene un único origen de replicación en procariotas, mientras que en eucariotas tienen múltiples orígenes (cientos por cromosoma). Cada unidad de replicación se llama replicón

- La velocidad de replicación en cada replicón de eucariotas es menor que en los procariotas.


5. Corrección de errores

Mecanismos de reparación de errores 
El ADN es constantemente dañado por agentes como la mutágenos químicos, el calor, los errores enzimáticos y el propio deterioro espontáneo. 

A través del largo proceso evolutivo, las células han desarrolla mecanismos para reparar el ADN dañado o incorrectamente replicado. 

Los sistemas de reparación se suelen agrupar en tres categorías directa, reparación por escisión y reparación posreplicativa. 

Reparación directa 

La luz ultravioleta causa la unión (dimerización) de pirimidinas ADN, los más frecuentes son los dímeros de timina-timina. Estas mutaciones son reparadas mediante una proceso de fotorreactivación en el que interviene la enzima ADN-fotoliasa, que se une en oscuridad a los dímeros cuando se exponen a la luz, el enzima rompe los enlaces del dímero utilizándolo la energía lumínica. 

Reparación por escisión 

Es el mecanismo general de reparación del ADN que actúa eliminando la porción dañada del mismo. Se ha encontrado en todos los organismos, desde los mayores virus hasta los eucariotas. Varias endonucleasas pueden detectar la deformación de la doble hélice del ADN causada por algún tipo de lesión. Durante la reparación por escisión, se eliminan los nucleótidos de la cadena dañada; a continuación se repara el hueco con una secuencia complementaria a la de la cadena que queda. Se diferencian tres tipos de reparaciones por escisión según sea la causa que ha motivado la mutación: 

a) Reparación de lesiones inducidas por luz ultravioleta 

En ausencia del mecanismo de fotorreactivación, los dímeros de timina se reparan por escisión mediante una endonucleasa que es capaz de detectar esos dímeros, corta la cadena a ambos lados del dímero, para después intervenir la ADN polimerasa I y la ADN ligasa que repa­ran el ADN rellenando el hueco. 

b) Reparación AP 

Este tipo de reparación se refiere a los sitios apurínicos y apirimidínicos del ADN, es decir, lugares en los que ha sido eliminada la base en cuestión, la cual puede haber sido separada del nucleótido por radiación o por enzimas que detectan bases dañadas y las eliminan. En estos casos actúa unas enzimas, las endonucleasas AP, en colaboración con la ADN polimerasa I y con la ADN ligasa. 

c) Reparación de emparejamientos incorrectos 

Es la responsable del 99% de todas las reparaciones del ADN. Durante la replicación, los errores que comete la ADN polimerasa son corregidos mediante el mecanismo de corrección de pruebas, que revisa lo sintetizado y arregla los errores; pero algunos quedan sin corregir, como una guanina que quede emparejada con una timina. Este error es reconocido por el sistema de emparejamientos incorrectos, el cual mediante una enzima corta la cadena de ADN a ambos lados del emparejamiento erróneo 

Reparación posreplicativa 

Durante la replicación, puede ocurrir que la ADN polimerasa al encontrar lesiones, como dímeros de timina, no pueda continuar con el proceso de síntesis, en estos casos salta hacia adelante en la cadena del ADN molde, dejando un hueco en la nueva cadena que se está sintetizando. En este caso un grupo de enzimas rellena el hueco con nucleótidos, la más importante de todas es la proteína RecA, (llamada así por descubrirse en el proceso de la recombinación génica) que es estimulada por cadenas sencillas de ADN, a las que se une para su reparación. El dímero de timina persiste pero ahora su doble hélice está intacta y se dispone de un nuevo ciclo celular para eliminar el dímero por escisión o fotorreactivación.