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La genética molecular · Del ADN a la proteína

La replicación del ADN

Una célula de tu piel se divide y las dos células hijas deben tener el mismo ADN que ella. Un solo error en miles de millones de letras puede importar. ¿Cómo copia la célula un ADN tan largo, tan rápido y casi sin equivocarse? En esta página verás la maquinaria molecular que lo logra, con la bacteria E. coli como modelo y, al final, lo que cambia en una célula eucariota.

La replicación es semiconservadora

Imagina que cultivas bacterias en un medio con nitrógeno pesado ($^{15}\text{N}$) hasta que todo su ADN queda marcado, y luego las pasas a un medio con nitrógeno ligero ($^{14}\text{N}$). Tras una sola división, el ADN no es totalmente pesado ni totalmente ligero: solo hay una banda de densidad intermedia. ¿Cómo se reparte el ADN original entre las células hijas?

Modelo semiconservador: una molécula de ADN de doble cadena se replica y origina dos moléculas hijas, cada una con una cadena original conservada y una cadena nueva. ADN parental (2 cadenas) replicación molécula 1: 1 cadena vieja + 1 nueva molécula 2: 1 cadena vieja + 1 nueva cadena original (conservada) cadena nueva (sintetizada)
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¿Qué significa que la replicación del ADN es semiconservadora? Explícalo con tus propias palabras, indicando cómo quedan formadas las dos moléculas de ADN hijas.

¿Qué significa que la replicación del ADN es semiconservadora? Explícalo con tus propias palabras, indicando cómo quedan formadas las dos moléculas de ADN hijas.

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¿En qué momento del ciclo celular se replica el ADN y por qué es imprescindible que la replicación ocurra antes de que comience la división celular?

¿En qué momento del ciclo celular se replica el ADN y por qué es imprescindible que la replicación ocurra antes de que comience la división celular?

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Antes del célebre experimento de Meselson y Stahl existían tres modelos teóricos para explicar la duplicación del ADN: semiconservativo, conservativo y dispersivo.…

Antes del célebre experimento de Meselson y Stahl existían tres modelos teóricos para explicar la duplicación del ADN: semiconservativo, conservativo y dispersivo. Imagina que realizas este experimento cultivando bacterias E. coli durante muchas generaciones en un medio con nitrógeno pesado ($^{15}\text{N}$) hasta que todo su ADN esté marcado, y luego las transfieres a un medio con nitrógeno ligero ($^{14}\text{N}$).

  1. a) Deduce qué tipos de moléculas de ADN (pesadas $^{15}\text{N}\text{-}^{15}\text{N}$, híbridas $^{15}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$ o ligeras $^{14}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$) y en qué porcentajes aparecerían en el gradiente de densidad tras una y tras dos generaciones si la replicación fuera:
  1. Estrictamente conservativa.

  2. Estrictamente dispersiva.

  1. b) Razona de forma justificada cuál de estos dos modelos alternativos quedó descartado ya con el análisis del ADN de la primera generación y cuál exigió obligatoriamente esperar a la segunda generación para ser refutado.
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La horquilla de replicación

La replicación ocurre en la fase S del ciclo celular, antes de la división, para que cada célula hija reciba una copia completa. Pero el ADN no se copia de golpe: se abre poco a poco y se copia en una zona en forma de Y.

Horquilla de replicación. A la izquierda está la doble hélice original, con una topoisomerasa por delante de la horquilla. En el vértice de la Y, la helicasa separa las dos cadenas molde. A la derecha, la primasa sintetiza cebadores de ARN y, a partir de ellos, crecen las cadenas nuevas de ADN en sentido 5'→3'. 5' 3' 3' 5' ADN original (doble hélice) avance de la horquilla topoisomerasa relaja el superenrollamiento helicasa cadena molde cebador de ARN cadena nueva de ADN primasa cadena nueva de ADN cadena molde cebador de ARN horquilla de replicación

Para repasar la regla de complementariedad (A con T, G con C), completa la cadena en este interactivo:

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Nombra la enzima principal que sintetiza la nueva hebra de ADN durante la replicación y explica cuál es su función básica y en qué sentido (5'→3' o 3'→5') añade los…

Nombra la enzima principal que sintetiza la nueva hebra de ADN durante la replicación y explica cuál es su función básica y en qué sentido (5'→3' o 3'→5') añade los nucleótidos.

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Explica el papel del cebador (o primer) de ARN al comienzo de la replicación y razona por qué la ADN polimerasa no puede iniciar una hebra nueva desde cero.

Explica el papel del cebador (o primer) de ARN al comienzo de la replicación y razona por qué la ADN polimerasa no puede iniciar una hebra nueva desde cero.

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Cadena líder y cadena rezagada

Si se da un pulso breve de nucleótidos radiactivos a células en división, la mitad del ADN nuevo aparece en moléculas muy largas, pero la otra mitad aparece en fragmentos diminutos de unos mil nucleótidos. Si la horquilla avanza siempre en una dirección, ¿por qué una de las cadenas se fabrica a trozos?

Horquilla de replicación que avanza hacia la derecha. La cadena líder crece de forma continua hacia la derecha, en el mismo sentido que la horquilla. La cadena rezagada se hace en fragmentos de Okazaki que crecen hacia la izquierda, en sentido contrario al avance de la horquilla, con huecos entre ellos que luego se sellan. horquilla cadena líder: continua cadena rezagada: fragmentos de Okazaki crecen 5'→3', hacia la izquierda avance de la horquilla
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En una horquilla de replicación, una de las hebras nuevas (A) se sintetiza de forma continua avanzando hacia la horquilla, mientras que la otra (B) se sintetiza en…

En una horquilla de replicación, una de las hebras nuevas (A) se sintetiza de forma continua avanzando hacia la horquilla, mientras que la otra (B) se sintetiza en fragmentos alejándose de ella. Indica cuál de las hebras nuevas (A o B) es la conductora y cuál la rezagada, y explica por qué una se sintetiza de forma continua y la otra en fragmentos de Okazaki, haciendo referencia al sentido en que actúa la ADN polimerasa.

Esquema de una horquilla de replicación del ADN con síntesis continua y en fragmentosADN moldeHebra nueva AHebra nueva BCebador (ARN)5'3'3'5'HelicasaAvance de la horquillaHebra AHebra B
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Ordena las siguientes etapas de la replicación y justifica el orden elegido: unión de los fragmentos por la ADN ligasa, apertura de la doble hélice por la helicasa,…

Ordena las siguientes etapas de la replicación y justifica el orden elegido: unión de los fragmentos por la ADN ligasa, apertura de la doble hélice por la helicasa, síntesis de nucleótidos por la ADN polimerasa, eliminación de los cebadores, formación de los fragmentos de Okazaki.

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La fidelidad de la copia

Corrección de pruebas en tres pasos: la ADN polimerasa incorpora un nucleótido mal emparejado (G frente a T), retrocede y lo elimina con su actividad exonucleasa 3'→5', y después inserta el nucleótido correcto (A frente a T) y continúa la síntesis. 1 · Se incorpora un nucleótido mal emparejado G ATGCCT TACGGATCTGCAAG 5'3'5' cadena nueva cadena molde nucleótido erróneo (G frente a T) ADN polimerasa 2 · Retrocede y lo retira: exonucleasa 3'→5' ATGCCT TACGGATCTGCAAG 5'3'5' G nucleótido erróneo eliminado retrocede 3 · Inserta el nucleótido correcto y continúa ATGCCTA TACGGATCTGCAAG 5'3'5' nucleótido corregido (A frente a T) continúa la síntesis
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En un laboratorio se obtiene una cepa mutante de Escherichia coli* que presenta una alteración en la ADN polimerasa III: mantiene intacta su velocidad de polimerización…

En un laboratorio se obtiene una cepa mutante de Escherichia coli que presenta una alteración en la ADN polimerasa III: mantiene intacta su velocidad de polimerización en sentido $5'\to 3'$, pero ha perdido completamente su actividad exonucleasa $3'\to 5'$. a) Predice y justifica qué efecto tendrá esta mutación sobre la fidelidad de copia y sobre la tasa de mutaciones espontáneas por división celular. b) Si se cultiva esta cepa en presencia de 2-aminopurina (un análogo de base que puede aparear incorrectamente con la citosina), razona si la tasa de fijación de mutaciones será mayor, menor o igual que en la cepa silvestre. c) Justifica molecularmente por qué la actividad correctora de pruebas debe retirar el nucleótido erróneo en dirección $3'\to 5'$ antes de continuar con la adición del siguiente nucleótido.

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Particularidades de la replicación eucariota

El ADN de una célula humana mide casi dos metros y sus polimerasas avanzan mucho más despacio que las de una bacteria, pero se replica todo en unas ocho horas. ¿Cómo lo logra, y cómo evita que los cromosomas lineales se degraden por sus extremos?

Esquema de un cromosoma eucariota lineal con tres orígenes de replicación activos a la vez y los telómeros en rosa en ambos extremos. varios orígenes de replicación telómeros: se acortan si no actúa la telomerasa
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Se comparan en el laboratorio dos cultivos celulares humanos: fibroblastos dérmicos normales y células cancerosas de una estirpe de carcinoma pulmonar. A lo largo de…

Se comparan en el laboratorio dos cultivos celulares humanos: fibroblastos dérmicos normales y células cancerosas de una estirpe de carcinoma pulmonar. A lo largo de $60$ duplicaciones poblacionales se monitoriza la longitud media de los telómeros. Los fibroblastos entran en senescencia replicativa en la duplicación $40$ con un acortamiento telomérico progresivo, mientras que las células cancerosas proliferan de forma continua y mantienen intacta la longitud de sus telómeros. a) Justifica molecularmente por qué la maquinaria convencional de replicación no puede completar el extremo $5'$ de la hebra rezagada tras la eliminación del último cebador de ARN (el «problema del extremo»). b) Se diseña una terapia que introduce en las células tumorales un oligonucleótido sintético complementario al ARN molde de la ribonucleoproteína telomerasa humana (hTR). Predice y justifica qué efecto tendrá este tratamiento sobre la actividad de la telomerasa, la longitud de los telómeros y la viabilidad a largo plazo de las células tumorales.

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Vuelve al principio: la célula copia su ADN abriéndolo con la helicasa y usando cada cadena como molde, con cebadores, polimerasa y ligasa, y corrige casi todos los errores sobre la marcha; en eucariotas, miles de orígenes lo aceleran.

Resumen

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