La aclaración de la estructura de la doble hélice proporcionó una pista sobre cómo se copia el ADN. Recuerde que los nucleótidos de adenina se emparejan con los nucleótidos de timina y la citosina con guanina. Esto significa que las dos cadenas son complementarias entre sí. Por ejemplo, una cadena de ADN con una secuencia de nucleótidos de AGTCATGA tendrá una cadena complementaria con la secuencia TCAGTACT.
| Las dos cadenas de ADN son complementarias, lo que significa que la secuencia de bases en una cadena se puede usar para crear la secuencia correcta de bases en la otra cadena. |
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| Se muestra el modelo semiconservador de la replicación del ADN. El gris indica las cadenas de ADN originales y el azul indica el ADN recién sintetizado. |
Durante la replicación del ADN, cada una de las dos cadenas que forman la doble hélice sirve como plantilla a partir de la cual se copian las nuevas cadenas. La nueva cadena será complementaria a la cadena parental o "antigua". Cada nueva cadena doble consta de una cadena parental y una nueva cadena hija. Esto se conoce como replicación semiconservativa. Cuando se forman dos copias de ADN, tienen una secuencia idéntica de bases de nucleótidos y se dividen por igual en dos células hijas.
Replicación de ADN en eucariotas
Debido a que los genomas eucariotas son muy complejos, la replicación del ADN es un proceso muy complicado que involucra varias enzimas y otras proteínas. Ocurre en tres etapas principales: iniciación, alargamiento y terminación.
Recuerde que el ADN eucariota se une a proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. Durante el inicio, el ADN se hace accesible a las proteínas y enzimas involucradas en el proceso de replicación. ¿Cómo sabe la maquinaria de replicación dónde comenzar la doble hélice del ADN? Resulta que hay secuencias de nucleótidos específicas llamadas orígenes de replicación en las que comienza la replicación. Ciertas proteínas se unen al origen de la replicación, mientras que una enzima llamada helicasa se desenrolla y abre la hélice de ADN. A medida que se abre el ADN, se forman estructuras en forma de Y llamadas horquillas de replicación. Se forman dos horquillas de replicación en el origen de la replicación, y estas se extienden en ambas direcciones a medida que avanza la replicación. Existen múltiples orígenes de replicación en el cromosoma eucariota, de modo que la replicación puede ocurrir simultáneamente desde varios lugares del genoma.
Durante el alargamiento, una enzima llamada ADN polimerasa agrega nucleótidos de ADN al extremo 3 'de la plantilla. Debido a que la ADN polimerasa solo puede agregar nuevos nucleótidos al final de una cadena principal, una secuencia de cebador, que proporciona este punto de partida, se agrega con nucleótidos de ARN complementarios. Este cebador se elimina más tarde y los nucleótidos se reemplazan con nucleótidos de ADN. Una cadena, que es complementaria a la cadena de ADN parental, se sintetiza continuamente hacia la horquilla de replicación para que la polimerasa pueda agregar nucleótidos en esta dirección. Esta cadena sintetizada continuamente se conoce como la cadena principal. Debido a que la ADN polimerasa solo puede sintetizar ADN en una dirección de 5 'a 3', la otra cadena nueva se junta en piezas cortas llamadas fragmentos de Okazaki. Cada uno de los fragmentos de Okazaki requiere un cebador hecho de ARN para comenzar la síntesis. El filamento con los fragmentos de Okazaki se conoce como el filamento rezagado. A medida que avanza la síntesis, una enzima elimina el cebador de ARN, que luego se reemplaza con nucleótidos de ADN, y los espacios entre los fragmentos se sellan con una enzima llamada ADN ligasa.
El proceso de replicación del ADN se puede resumir de la siguiente manera:
- El ADN se desenrolla en el origen de la replicación.
- Se añaden nuevas bases a las cadenas parentales complementarias. Un nuevo hilo se hace continuamente, mientras que el otro se hace en pedazos.
- Se eliminan los cebadores, se colocan nuevos nucleótidos de ADN en lugar de los cebadores y la columna vertebral se sella con ADN ligasa.
Replicación de telómeros
Debido a que los cromosomas eucariotas son lineales, la replicación del ADN llega al final de una línea en los cromosomas eucariotas. Como has aprendido, la enzima ADN polimerasa puede agregar nucleótidos en una sola dirección. En la cadena principal, la síntesis continúa hasta que se alcanza el final del cromosoma; sin embargo, en la cadena rezagada no hay lugar para hacer un cebador para copiar el fragmento de ADN al final del cromosoma. Esto presenta un problema para la célula porque los extremos permanecen sin emparejar y con el tiempo estos extremos se acortan progresivamente a medida que las células continúan dividiéndose. Los extremos de los cromosomas lineales se conocen como telómeros, que tienen secuencias repetitivas que no codifican un gen en particular. Como consecuencia, son los telómeros los que se acortan con cada ronda de replicación del ADN en lugar de los genes. Por ejemplo, en humanos, una secuencia de seis pares de bases, TTAGGG, se repite de 100 a 1000 veces. El descubrimiento de la enzima telomerasa ayudó a comprender cómo se mantienen los extremos cromosómicos. La telomerasa se adhiere al final del cromosoma y se agregan bases complementarias a la plantilla de ARN en el extremo de la cadena de ADN. Una vez que la plantilla de cadena retrasada está suficientemente alargada, la ADN polimerasa ahora puede agregar nucleótidos que son complementarios a los extremos de los cromosomas. Por lo tanto, los extremos de los cromosomas se replican.
La telomerasa se encuentra típicamente activa en células germinales, células madre adultas y algunas células cancerosas. Por su descubrimiento de la telomerasa y su acción, Elizabeth Blackburn recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 2009.
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| Los extremos de los cromosomas lineales se mantienen por la acción de la enzima telomerasa. |
| Elizabeth Blackburn, Premio Nobel 2009, fue la científica que descubrió cómo funciona la telomerasa. |
La telomerasa no es activa en células somáticas adultas. Las células somáticas adultas que sufren división celular continúan acortando sus telómeros. Esto esencialmente significa que el acortamiento de los telómeros está asociado con el envejecimiento. En 2010, los científicos descubrieron que la telomerasa puede revertir algunas afecciones relacionadas con la edad en ratones, y esto puede tener potencial en la medicina regenerativa.1 En estos estudios se utilizaron ratones con deficiencia de telomerasa; estos ratones tienen atrofia tisular, depleción de células madre, falla del sistema orgánico y respuestas dañadas de tejido dañado. La reactivación de la telomerasa en estos ratones causó la extensión de los telómeros, redujo el daño al ADN, revirtió la neurodegeneración y mejoró el funcionamiento de los testículos, el bazo y los intestinos. Por lo tanto, la reactivación de los telómeros puede tener potencial para tratar enfermedades relacionadas con la edad en humanos.
Replicación de ADN en procariotas
Recuerde que el cromosoma procariota es una molécula circular con una estructura en espiral menos extensa que los cromosomas eucariotas. El cromosoma eucariota es lineal y altamente enrollado alrededor de las proteínas. Si bien hay muchas similitudes en el proceso de replicación del ADN, estas diferencias estructurales requieren algunas diferencias en el proceso de replicación del ADN en estas dos formas de vida.
La replicación del ADN ha sido extremadamente bien estudiada en procariotas, principalmente debido al pequeño tamaño del genoma y la gran cantidad de variantes disponibles. Escherichia coli tiene 4,6 millones de pares de bases en un solo cromosoma circular, y todo se replica en aproximadamente 42 minutos, comenzando desde un único origen de replicación y siguiendo alrededor del cromosoma en ambas direcciones. Esto significa que se agregan aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo. El proceso es mucho más rápido que en eucariotas.
Reparación de ADN
La ADN polimerasa puede cometer errores al agregar nucleótidos. Edita el ADN revisando cada base recién agregada. Las bases incorrectas se eliminan y se reemplazan por la base correcta, y luego continúa la polimerización (a). La mayoría de los errores se corrigen durante la replicación, aunque cuando esto no sucede, se emplea el mecanismo de reparación de desajustes. Las enzimas reparadoras no coinciden reconocen la base mal incorporada y la eliminan del ADN, reemplazándola por la base correcta (b). En otro tipo de reparación, la reparación por escisión de nucleótidos, la doble cadena de ADN se desenrolla y se separa, las bases incorrectas se eliminan junto con algunas bases en el extremo 5 'y 3', y se reemplazan copiando la plantilla con la ayuda de ADN polimerasa (c). La reparación por escisión de nucleótidos es particularmente importante para corregir los dímeros de timina, que son causados principalmente por la luz ultravioleta. En un dímero de timina, dos nucleótidos de timina adyacentes entre sí en una cadena están unidos covalentemente entre sí en lugar de sus bases complementarias. Si el dímero no se retira y repara, dará lugar a una mutación. Las personas con defectos en sus genes de reparación por escisión de nucleótidos muestran una sensibilidad extrema a la luz solar y desarrollan cánceres de piel temprano en la vida.
| La corrección de pruebas por la ADN polimerasa (a) corrige los errores durante la replicación. En la reparación de desajuste (b), la base agregada incorrectamente se detecta después de la replicación. Las proteínas de reparación de desajuste detectan esta base y la eliminan de la cadena recién sintetizada por acción de nucleasa. El espacio ahora se llena con la base correctamente emparejada. La escisión de nucleótidos (c) repara los dímeros de timina. Cuando se exponen a los rayos UV, las timinas adyacentes pueden formar dímeros de timina. En las células normales, se extirpan y se reemplazan. |
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