Ejercicios: La replicación del ADN

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

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.

¿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?

Nombra la enzima que abre la doble hélice de ADN en la horquilla de replicación y explica qué problema mecánico aparece en la molécula por delante de la horquilla (superenrollamiento) y qué tipo de enzima lo resuelve.

¿Cuántas horquillas de replicación se forman a partir de un único origen de replicación y en qué sentido avanzan? Explica qué ventaja supone que los cromosomas eucariotas tengan muchos orígenes de replicación.

Durante la replicación, ¿qué nucleótido se insertará frente a una adenina de la hebra molde? ¿Y frente a una guanina? Explica qué propiedad de la estructura del ADN hace posible que la copia sea fiel.

Indica dos diferencias entre la replicación de un cromosoma bacteriano y la de un cromosoma humano, atendiendo a la forma del ADN y al número de orígenes de replicación.

Los nucleótidos que se incorporan a la nueva hebra llegan como trifosfatos (dATP, dGTP, dCTP, dTTP). Explica de dónde obtiene la célula la energía necesaria para formar los enlaces de la cadena en crecimiento.

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.

Observa el esquema de la horquilla de replicación. 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.

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.

Nombra la enzima que sintetiza los cebadores de ARN durante la replicación y explica por qué cada fragmento de Okazaki necesita su propio cebador mientras que la hebra conductora solo necesita uno al comienzo.

Una vez eliminados los cebadores de ARN de la hebra rezagada, ¿con qué se rellenan los huecos y qué enzima sella después la cadena? Explica por qué la hebra rezagada tarda más en completarse que la conductora.

El análisis químico del ADN de una especie muestra que el $30\ \%$ de sus bases es adenina. Indica, razonándolo, los porcentajes de timina, guanina y citosina, y explica qué consecuencia tiene esta relación de complementariedad para la replicación del ADN.

La ADN polimerasa de E. coli añade unos $1000$ nucleótidos por segundo en cada horquilla. Calcula cuánto tiempo tardará, como mínimo, en replicarse su cromosoma circular de $4,6$ millones de pares de bases si se replica desde un único origen de forma bidireccional, y comenta el resultado comparándolo con el tiempo de generación de la bacteria (unos $20$ minutos).

Tras la replicación, cada cromosoma queda formado por dos cromátidas hermanas. Explica qué relación guardan las secuencias de ADN de ambas cromátidas, por qué permanecen unidas durante un tiempo y en qué momento de la división celular se separan.

Una bacteria cuyo ADN está marcado con $^{15}\text{N}$ (nitrógeno pesado) se cultiva en un medio con $^{14}\text{N}$ (nitrógeno ligero). Indica qué tipos de moléculas de ADN (pesadas, ligeras o híbridas) y en qué proporción habrá tras una y tras dos generaciones, y relaciona el resultado con el experimento de Meselson y Stahl.

Además de sintetizar ADN, la ADN polimerasa posee actividad correctora (exonucleasa 3'→5'). Explica en qué consiste esta actividad y por qué es fundamental para la fidelidad de la replicación y para mantener baja la tasa de mutaciones.

Los extremos de los cromosomas lineales se acortan en cada replicación (el problema de los extremos). Explica por qué ocurre este acortamiento y cómo lo compensa la enzima telomerasa en determinadas células, como las germinales o las madre.

En un experimento, células en división se incuban brevemente con timidina radiactiva (un «pulso») y después con timidina no radiactiva (una «caza»). Explica qué tipo de información sobre la replicación permite obtener esta técnica de pulso-caza y qué resultados cabría esperar si la replicación fuera semiconservadora.

Una mutación inutiliza la ADN ligasa de una célula. Describe, razonándolo, el estado en que quedarían la hebra conductora y la hebra rezagada tras la replicación, indica en cuál de las dos se notará más el defecto y explica qué consecuencias tendrá para la célula.

La ADN polimerasa eucariota añade unos $50$ nucleótidos por segundo y un cromosoma humano medio puede tener $150$ millones de pares de bases. a) Calcula cuánto tardaría en replicarse ese cromosoma si solo hubiera un origen de replicación en su centro. b) Explica cómo resuelve la célula eucariota este problema de velocidad. c) Razona qué ventajas y qué riesgos tiene la estrategia de utilizar muchos orígenes de replicación.

La tasa de error final de la replicación es de aproximadamente un error por cada $10^9$-$10^{10}$ pares de bases copiados. a) Estima cuántos errores quedarían, como máximo, al replicar un genoma de $6 \cdot 10^9$ pares de bases. b) Explica dos mecanismos que contribuyen a esa elevada fidelidad. c) Razona por qué, a pesar de todos los sistemas de corrección, algunos errores acaban fijándose en el genoma.

Cuando se marca el ADN en replicación con pulsos cortos de marcador radiactivo, la marca aparece al principio en fragmentos cortos y, tras pulsos más largos, en fragmentos largos. Explica cómo apoya este resultado el modelo de síntesis discontinua del ADN y razona qué se observaría, en cambio, si las dos hebras nuevas se sintetizaran de forma continua.