La replicación del ADN

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

¿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?

Antes del célebre experimento de Meselson y Stahl existían tres modelos teóricos para explicar la duplicación del ADN: semiconservativo, conservativo y dispersivo. Imaginá que realizás 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 transferís a un medio con nitrógeno ligero ($^{14}\text{N}$).

1. a) Deducí 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) Razoná 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.

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

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

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

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. Indicá cuál de las hebras nuevas (A o B) es la conductora y cuál la rezagada, y explicá 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.

Ordená las siguientes etapas de la replicación y justificá 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.

Nombrá la enzima que sintetiza los cebadores de ARN durante la replicación y explicá por qué cada fragmento de Okazaki necesita su propio cebador mientras que la hebra líder 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? Explicá por qué la hebra rezagada tarda más en completarse que la conductora.

Para analizar la síntesis de las nuevas hebras de ADN durante la replicación, se realiza un ensayo de pulso y caza en un cultivo bacteriano: las células se exponen a timidina radiactiva ($[^3\text{H}]\text{-timidina}$) durante un pulso ultracorto de $5$ segundos y después se transfieren a un medio con timidina no radiactiva en exceso (caza) durante $5$ minutos. Tras lisis y desnaturalización alcalina, las cadenas de ADN se separan por gradiente de densidad en centrífuga. a) Predecí y justificá qué patrón de tamaños de fragmentos radiactivos (pequeños de unos $1000$-$2000$ nucleótidos o de gran peso molecular) se observará al término del pulso ($5$ s) y cómo cambiará tras la caza ($5$ min). b) Si el mismo ensayo se realiza en una cepa mutante con la ADN ligasa bloqueada térmicamente, predecí el resultado tras los $5$ minutos de caza y justificá tu respuesta. c) Razoná por qué este experimento refuta la hipótesis de que ambas hebras se sinteticen de manera continua.

Para comprobar si la replicación es continua o discontinua, unos investigadores realizan un marcaje con timidina tritiada durante pulsos de $5$, $15$ y $60$ segundos en bacterias. Tras desnaturalizar el ADN, analizan el tamaño de las cadenas radiactivas por centrifugación. A los $5$ segundos solo detectan fragmentos cortos ($1000$-$2000$ nucleótidos), pero conforme el tiempo de marcaje aumenta, la radiactividad se desplaza progresivamente hacia fragmentos de gran tamaño molecular. a) Razoná por qué este resultado apoya que la replicación se produce de forma semidiscontinua y no continua en ambas hebras. b) Predecí y justificá qué resultado se habría obtenido en las tres mediciones si ambas hebras se sintetizaran de forma continua a partir del origen de replicación. c) Explicá la causa molecular obligada (estructural y enzimática) por la cual la célula se ve forzada a sintetizar una de las dos hebras a base de pequeños fragmentos.

Se aísla un mutante termosensible de levadura para el gen que codifica la ADN ligasa I. A $25\text{ }^\circ\text{C}$ la levadura se divide normalmente, pero al cultivarla a $37\text{ }^\circ\text{C}$ la enzima se inactiva y la célula detiene su ciclo celular antes de entrar en mitosis. a) Un alumno afirma: «A $37\text{ }^\circ\text{C}$, solo la hebra rezagada presentará roturas porque en ella se forman los fragmentos de Okazaki; la hebra conductora será una única cadena perfectamente continua de un extremo al otro del cromosoma». Rebatí esta afirmación teniendo en cuenta la presencia de múltiples orígenes de replicación (replicones) por cromosoma lineal. b) Especificá el tipo exacto de enlace químico que no se puede sellar en ausencia de ligasa (indicando los grupos químicos terminales $3'$ y $5'$) y razoná por qué las ADN polimerasas no pueden llevar a cabo esta reacción de sellado por sí solas. c) Justificá por qué la presencia de roturas no selladas en la doble hélice activa un punto de control del ciclo celular impidiendo la mitosis.

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

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

La ADN polimerasa de E. coli agrega unos $1000$ nucleótidos por segundo en cada horquilla. Calculá 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 comentá 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. Explicá 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.

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

Indicá 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.

En embriones tempranos del insecto Drosophila melanogaster, la fase S dura solo $5$ minutos, mientras que en las células somáticas adultas se prolonga durante unas $8$ horas. Sin embargo, la velocidad de avance de la horquilla de replicación es idéntica en ambos estadios: unos $40$ nucleótidos por segundo. a) Si el genoma haploide de Drosophila tiene $1,8 \cdot 10^8$ pares de bases, calculá la distancia media máxima (en pares de bases) que puede haber entre dos orígenes de replicación activos adyacentes en el embrión para completar la replicación en $5$ minutos, asumiendo replicación bidireccional. b) Interpretá a qué se debe la diferencia en la duración de la fase S entre el embrión y el adulto si la velocidad de polimerización no cambia. c) Razoná qué riesgo genómico supondría para la célula eucariota que un mismo origen de replicación volviera a activarse («dispararse») dos veces dentro de una misma fase S y cómo previene la célula este suceso.