13.2: Replicación de ADN en eucariotas
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Los pasos esenciales de replicación son los mismos que en los procariotas. El inicio de la replicación es más complejo en eucariotas. En el origen de la replicación, se elabora un complejo de pre-replicación con otras proteínas iniciadoras. Luego se reclutan otras proteínas para iniciar el proceso de replicación. El proceso general es el mismo, aunque las enzimas con nombres diferentes cumplen la misma función. Por ejemplo, el ADN pol III se usa para la mayor parte de la replicación en procariotas, mientras que en los eucariotas la cadena principal es sintetizada continuamente por la enzima pol δ, y la hebra rezagada es sintetizada por pol ε. Nos estamos enfocando en las enzimas utilizadas en la replicación procariota, así que no te preocupes por estas diferencias de nombre.
Estas son las diferencias importantes entre la replicación procariota y eucariota:
Tabla\(\PageIndex{1}\): Diferencias entre replicación procariota y eucariota
| Inmueble | Procariotas | Eucariotas |
|---|---|---|
| Origen de replicación | Sencillo | Múltiple |
| Tasa de replicación | 1000 nucleótido/s | 50 a 100 nucleótido/s |
| Tipos de ADN polimerasa | 5 | 14 |
| Envasado de ADN | superenrollamiento | herida alrededor de las histonas |
| Telomerasa | No presente | Presente |
Orígenes y tasa de replicación
Los genomas eucariotas son mucho más complejos y de mayor tamaño que los genomas procariotas. El genoma humano tiene tres mil millones de pares de bases por conjunto haploide de cromosomas, y 6 mil millones de pares de bases se replican durante la fase S del ciclo celular. Esto significa que debe haber múltiples orígenes de replicación en el cromosoma eucariota para que todo el ADN se replique de manera oportuna; los humanos pueden tener hasta 100,000 orígenes de replicación. La tasa de replicación es de aproximadamente 100 nucleótidos por segundo, mucho más lenta que la replicación procariota.
Tipos de ADN polimerasa
El número de ADN polimerasas en eucariotas es mucho más que en procariotas: se conocen 14, de las cuales se sabe que cinco tienen papeles importantes durante la replicación y han sido bien estudiadas. Se les conoce como pol α, pol β, pol γ, pol δ y pol ε. Nunca te preguntaré los nombres de estas polimerasas — aprende los nombres de las polimerasas procariotas.
Envasado de ADN
El ADN eucariota se enrolla alrededor de proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. El ADN debe ser accesible para que la replicación del ADN continúe. La cromatina (el complejo entre ADN y proteínas) puede sufrir algunas modificaciones químicas, de manera que el ADN puede ser capaz de deslizarse fuera de las histonas o de otra manera ser accesible a las enzimas de la maquinaria de replicación del ADN. Los procariotas no empaquetan su ADN envolviéndolo alrededor de histonas.
Replicación de telómeros
A diferencia de los cromosomas procariotas, los cromosomas eucariotas son lineales. Como ya has aprendido, la enzima ADN pol puede agregar nucleótidos solo en la dirección 5′ a 3′. En la cadena principal, la síntesis continúa hasta que se alcanza el final del cromosoma. En la hebra rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos, cada uno de los cuales es iniciado por un cebador separado. Cuando la horquilla de replicación alcanza el final del cromosoma lineal, no hay lugar para que se haga un cebador para que el fragmento de ADN se copie al final del cromosoma. Por lo tanto, estos extremos permanecen desapareados, y con el tiempo estos extremos pueden acortarse progresivamente a medida que las células continúan dividiéndose.
Los extremos de los cromosomas lineales se conocen como telómeros, los cuales tienen secuencias repetitivas que no codifican para un gen en particular. Estos telómeros protegen los genes que se encuentran en el cromosoma de ser eliminados a medida que las células continúan dividiéndose. En humanos, una secuencia de seis pares de bases, TTAGGG, se repite de 100 a 1000 veces. El descubrimiento de la enzima telomerasa (Figura\(\PageIndex{1}\)) ayudó en la comprensión de cómo se mantienen los extremos cromosómicos. La enzima telomerasa contiene una parte catalítica y un molde de ARN incorporado. Se une al extremo del cromosoma, y se agregan bases complementarias al molde de ARN en el extremo 3' de la cadena de ADN. Una vez que el extremo 3' del molde de la cadena retrasada es suficientemente alargado, la ADN polimerasa puede agregar los nucleótidos complementarios a los extremos de los cromosomas. Así, los extremos de los cromosomas se replican.
La telomerasa es típicamente activa en células germinales y células madre adultas. No es activo en células somáticas adultas. Por su descubrimiento de la telomerasa y su acción, Elizabeth Blackburn (Figura\(\PageIndex{2}\)) recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 2009.
Telomerasa y Envejecimiento
Las células que sufren división celular continúan teniendo sus telómeros acortados porque la mayoría de las células somáticas no producen telomerasa. Esto esencialmente significa que el acortamiento de los telómeros está asociado con el envejecimiento. Con el advenimiento de la medicina moderna, la atención médica preventiva y estilos de vida más saludables, la esperanza de vida humana ha aumentado y hay una creciente demanda de que las personas se vean más jóvenes y tengan una mejor calidad de vida a medida que envejecen.
En 2010, los científicos encontraron que la telomerasa puede revertir algunas afecciones relacionadas con la edad en ratones. Esto puede tener potencial en medicina regenerativa (Jaskelioff, 2011). En estos estudios se utilizaron ratones deficientes en telomerasa; estos ratones tienen atrofia tisular, agotamiento de células madre, falla del sistema orgánico y respuestas deterioradas a lesiones tisulares. La reactivación de la telomerasa en estos ratones causó extensión de telómeros, redujo el daño del ADN, revirtió la neurodegeneración y mejoró la función de los testículos, bazo e intestinos. Por lo tanto, la reactivación de los telómeros puede tener potencial para tratar enfermedades relacionadas con la edad en humanos.
El cáncer se caracteriza por la división celular incontrolada de células anormales. Las células acumulan mutaciones, proliferan incontrolablemente y pueden migrar a diferentes partes del cuerpo a través de un proceso llamado metástasis. Los científicos han observado que las células cancerosas han acortado considerablemente los telómeros y que la telomerasa es activa en estas células. Curiosamente, solo después de acortar los telómeros en las células cancerosas se activó la telomerasa. Si la acción de la telomerasa en estas células puede ser inhibida por medicamentos durante la terapia contra el cáncer, entonces las células cancerosas podrían detenerse potencialmente de una mayor división.
Referencias
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OpenStax, Conceptos de Biología. OpenStax CNX. mayo 18, 2016 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:2ousESf0@5/DNA-Replication
Jaskelioff et al., 2011 La reactivación de telomerasa revierte la degeneración tisular en ratones ancianos deficientes en telomerasa. Naturaleza 469:102-7.