14.5: Replicación de ADN en eucariotas
- Page ID
- 59800
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Habilidades para Desarrollar
- Discutir las similitudes y diferencias entre la replicación del ADN en eucariotas y procariotas
- Anotar el papel de la telomerasa en la replicación del ADN
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. Existen múltiples orígenes de replicación en el cromosoma eucariota; 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. En la levadura, que es un eucariota, se encuentran secuencias especiales conocidas como Secuencias Autonamente Replicantes (ARS) en los cromosomas. Estos son equivalentes al origen de replicación en E. coli.
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 conocen como pol α, pol β, pol γ, pol δ y pol ε.
Los pasos esenciales de replicación son los mismos que en los procariotas. Antes de que pueda comenzar la replicación, el ADN tiene que estar disponible como molde. El ADN eucariota se une a proteínas básicas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. 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 proteínas o ser accesible a las enzimas de la maquinaria de replicación del ADN. 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 (Tabla\(\PageIndex{1}\)).
Una helicasa que utiliza la energía de la hidrólisis de ATP abre la hélice de ADN. Las horquillas de replicación se forman en cada origen de replicación cuando el ADN se desenrolla. La apertura de la doble hélice provoca sobrebobinado, o superbobinado, en el ADN antes de la horquilla de replicación. Estos se resuelven con la acción de las topoisomerasas. Los cebadores están formados por la enzima primasa, y usando el cebador, ADN pol puede iniciar la síntesis. Mientras que la cadena principal es sintetizada continuamente por la enzima pol δ, la hebra retrasada es sintetizada por pol ε. Una proteína de pinza deslizante conocida como PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) mantiene el ADN pol en su lugar para que no se deslice del ADN. La RNasa H elimina el cebador de ARN, que luego se reemplaza con nucleótidos de ADN. Los fragmentos de Okazaki en la cadena rezagada se unen después del reemplazo de los cebadores de ARN por ADN. Los huecos que quedan son sellados por la ADN ligasa, que forma el enlace fosfodiéster.
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 codifican para ningún gen en particular. En cierto modo, estos telómeros protegen los genes para que no se supriman 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 a comprender 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' de la plantilla de hebra 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. 1 En estos estudios se utilizaron ratones deficientes en telomerasa; estos ratones presentan 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. Así, 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.
| 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 |
| Telomerasa | No presente | Presente |
| Eliminación de cebador de ARN | ADN pol I | RNasa H |
| Alargamiento del hilo | ADN pol III | Pol δ, pol ε |
| Pinza deslizante | Pinza deslizante | PCNA |
Resumen
La replicación en eucariotas comienza en múltiples orígenes de replicación. El mecanismo es bastante similar al de los procariotas. Se requiere un cebador para iniciar la síntesis, que luego se extiende por la ADN polimerasa ya que agrega nucleótidos uno por uno a la cadena en crecimiento. La cadena principal se sintetiza continuamente, mientras que la hebra rezagada se sintetiza en tramos cortos llamados fragmentos de Okazaki. Los cebadores de ARN se reemplazan con nucleótidos de ADN; el ADN sigue siendo una cadena continua al unir los fragmentos de ADN con ADN ligasa. Los extremos de los cromosomas plantean un problema ya que la polimerasa es incapaz de extenderlos sin un cebador. La telomerasa, una enzima con un molde de ARN incorporado, extiende los extremos copiando el molde de ARN y extendiendo un extremo del cromosoma. La ADN polimerasa puede entonces extender el ADN usando el cebador. De esta manera, se protegen los extremos de los cromosomas.
Notas al pie
- 1 Jaskelioff et al., “La reactivación de la telomerasa revierte la degeneración tisular en ratones envejecidos deficientes en telomerasa”, Nature 469 (2011): 102-7.
Glosario
- telomerasa
- enzima que contiene una parte catalítica y un molde de ARN incorporado; funciona para mantener los telómeros en los extremos cromosómicos
- telómero
- ADN al final de los cromosomas lineales