1.2: ADN- El material genético
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- Detallar la naturaleza molecular de un gen.
- Reconocer cuándo y dónde está ocurriendo la replicación del ADN que está empaquetado en el cromosoma de un organismo para su crecimiento, mantenimiento y reproducción.
- Describir cómo se puede aumentar la velocidad de replicación cromosómica con múltiples orígenes de replicación y replicación bidireccional.
- Explicar el papel de cada una de las enzimas primarias replicantes de ADN en la realización de la replicación de un cromosoma. Incluir el papel de estas enzimas para garantizar la precisión del proceso de replicación.
- Predecir cómo ocurrirá la replicación semiconservativa de un ADN bicatenario dada la estructura de la molécula y la función específica de las enzimas replicantes del ADN.
Introducción
El material genético (hereditario) para todos los seres vivos está compuesto por ADN (ácido desoxirribonucleico). La estructura del ADN debe permitir que esta sustancia almacene información codificada que controle la función biológica de las células. El material genético transmite esta información hereditaria en forma estable para la célula y el organismo a través de una replicación precisa del ADN. Si bien el ADN es capaz de cambiar (discutiremos cómo sucede esto cuando hablamos de mutaciones en el ADN), el proceso de replicación asegura una alta precisión en la copia de la información genética para que todas las células de la progenie reciban la misma información. ¡El ADN de todos los cromosomas en una célula humana tendría más de 6.5 pies de largo! Por lo tanto, para encajar dentro del núcleo de una célula, el ADN se empaqueta en cromosomas.
Lea este artículo sobre Watson y Crick para obtener más información sobre los hechos experimentales descubiertos por químicos y biólogos que contribuyeron a la determinación de la estructura del ADN.
Estructura química de las subunidades de ADN
El ADN es un polímero hecho de subunidades nucleotídicas. Un nucleótido consta de 3 grupos químicos; un azúcar, un fosfato y una base nitrogenada (Figura 1). En el caso del ADN, el azúcar es desoxirribosa.
Hay 4 nucleótidos diferentes en el ADN que contienen 4 bases diferentes (Figura 2). Estas bases se denominan adenosina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T).
Cadenas de ADN complementarias y antiparalelas
El ADN codifica la información ordenando la secuencia de los nucleótidos A, T, G y C en un polímero largo. Los nucleótidos están conectados por enlaces fosfato para formar una cadena. Dos hebras forman una molécula bicatenaria (Figura 3). Obsérvese que en la Figura 1, los átomos de carbono en el azúcar desoxirribosa están numerados. El enlace fosfato conecta el carbono #3 (el carbono 3 primo o 3′) de un azúcar con el carbono 5′ del siguiente. Esto le da direccionalidad a una cadena de ADN porque el carbono 5′ se enfrenta en una dirección y el carbono 3' se enfrenta a la otra.
Las bases en una cadena forman enlaces de hidrógeno con las bases en la otra. Esto se denomina “emparejamiento de bases” y es muy específico, A solo se empareja con T y C solo se empareja con G. Así, las secuencias en las dos cadenas de ADN son “complementarias”; siempre que haya una “A” en una hebra, hay una “T” en la posición correspondiente de la hebra complementaria.
Además de contener secuencias de nucleótidos complementarias, las cadenas están en orientaciones opuestas. El extremo 5' de una hebra está orientado hacia el extremo 3' de la otra. Por esta razón, los hilos son referidos como “antiparalelos”.
Doble hélice
La característica final de la estructura molecular es que el ADN asume una conformación helicoidal (Figura 4). Esta es la configuración más estable que acomoda todas las estructuras moleculares y enlaces químicos que componen el ADN.
Dada la siguiente secuencia de una cadena de ADN, predecir la secuencia y orientación de la cadena complementaria.
5′-G-A-C-C-G-T-A-A-T-C-G-C-3′
Respuesta: 3′-C-T-G-G-C-A-T-T-A-G-C-G-5′
Envasado de ADN en cromatina y cromosomas
Los cromosomas son moléculas largas de ADN bicatenario. Más de 150,000,000 pares de nucleótidos conforman el cromosoma X humano. La replicación completa y la transferencia ordenada de algo tan grande requiere que el cromosoma esté empaquetado para su estabilidad y organización, lo que crea estabilidad genética en las células de una especie. Cada célula en un organismo diploide contiene dos copias (2n) de cada cromosoma presente en ese organismo (Figura 5). Por ejemplo, los humanos tienen 46 cromosomas en su cuerpo, 23 fueron heredados del padre y 23 de la madre. Los gametos, las células reproductivas de un organismo, (óvulo o esperma), tienen solo un conjunto (1n) de cromosomas. Cuando los dos gametos se unen, forman un embrión vivo con dos conjuntos de información genética. Por lo tanto, en realidad tenemos dos copias de la información genética para cada rasgo. A veces, una copia controla la expresión de rasgos y otras veces ambas copias influyen en un rasgo. En consecuencia, la descendencia tendrá características tanto de la madre como del padre.
Dentro de los núcleos celulares, el ADN se ensambla, o se empaqueta, en un material llamado cromatina, que está compuesto tanto por ADN como por proteínas (Figura 6). La cromatina funciona para proteger y regular el ADN, así como para almacenar de manera eficiente las moléculas de ADN muy largas que componen los cromosomas dentro del espacio limitado del núcleo.
El ADN de organismos eucariotas superiores es de aproximadamente 109 a 1010 pb. El ADN cromosómico humano y de maíz es de aproximadamente 109 pb, lo que equivale a 1.8 m si todo el ADN cromosómico se estiró de extremo a extremo de manera lineal. El diámetro del núcleo es solo de aproximadamente 4-6 μm, lo que hace que sea un desafío ajustar el ADN cromosómico dentro del núcleo celular. Esto se logra por la capacidad del ADN para asumir una estructura muy condensada para encajar dentro del núcleo. Por lo tanto, la organización del ADN eucariota en cromatina es un aspecto importante del empaquetamiento del ADN.
Nucleosomas e histonas
El enrollamiento ordenado del ADN cromosómico alrededor de un núcleo de proteína histona forma la cromatina. La cromatina está compuesta por nucleosomas (Figura 6) que representan la asociación del ADN cromosómico con las proteínas histonas. Un nucleosoma se compone de aproximadamente 145-147 pares de bases de ADN enrollados alrededor de cada octámero de histona, durante aproximadamente dos vueltas completas. Un octámero de histona consiste en dos copias de cada histona central. La masa total de las histonas en el núcleo se acerca a la del ADN, 2 moléculas de cada histona central a aproximadamente 200 pb de ADN.
Estructuras de orden superior
Si se altera la estructura de cromatina de orden superior, la microscopía electrónica revela la aparición de “perlas en una cuerda” con un diámetro de aproximadamente 10 nm. Las “cuentas” representan el ADN envuelto alrededor de las histonas. La formación de nucleosomas da como resultado una fibra de ADN que es de aproximadamente 10 nm y una relación de empaquetamiento de aproximadamente 7. La estructura de cromatina de orden superior resulta cuando la fibra de 10 nm se enrolla en un solenoide. El resultado del enrollamiento del nucleosoma es una fibra de cromatina de 30 nm que se observa por microscopía electrónica.
Centromeres
El centrómero es una región cromosómica que controla la segregación cromosómica en la mitosis y meiosis (Figura 7). Los centromeros se conectan a los microtúbulos del aparato huso, el cual dirige su movimiento a polos opuestos (núcleos de células hijas) durante la división celular. Los científicos tuvieron éxito en aislar estas secuencias centroméricas de levadura y plásmidos de levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae) que fueron capaces de replicarse como los cromosomas. A través de estos esfuerzos los científicos pudieron señalar la función centromérica a un tramo de ADN de aproximadamente 120 pb que era resistente a la ADNasa y se unía a un solo microtúbulo.
Telómeros
El telómero se encuentra al final del cromosoma y confiere estabilidad al “sellar” el extremo de un cromosoma (Figura 7). Los telómeros consisten en series largas de secuencias cortas de ADN repetidas que ocurren en matrices en tándem y se agregan al final del cromosoma durante la replicación del ADN por una enzima llamada telomerasa. En la mayoría de las especies vegetales la secuencia TTTAGGG constituye un motivo telomérico conservado.
El conocimiento sobre la estructura y función de los centromeros y telómeros ha tenido un profundo impacto en la genética molecular. Por ejemplo, los cromosomas artificiales de levadura (YAC) y los cromosomas artificiales bacterianos (BAC) han demostrado ser útiles en el mapeo físico de genomas vegetales que requieren la clonación y multiplicación de fragmentos de ADN grandes (>100 kb) en levaduras o células bacterianas.
Replicación de ADN
En 1953, J.D. Watson y F.H.C. Crick publicaron una nota en NATURE, una de las revistas de investigación más leídas del mundo. En la nota se citaron sólo seis referencias.
La escritura de Watson y Crick tenía detalles de química limitados dado el título de su nota, “Una estructura para el ácido desoxirribonucleico”. Un artículo posterior compartiría más de la química detrás de su estructura de doble hélice propuesta para el ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta nota en Nature fue escrita para un público más amplio, incluyendo biólogos que reconocieron que la estructura del ADN era un requisito previo para comprender la función del material genético. Incluyeron un diagrama para permitir a los lectores visualizar esta estructura única de doble hélice. Para enfatizar la estructura determina la importancia de la función, Watson y Crick incluyeron esta afirmación en su nota...
“No ha escapado a nuestro aviso que el emparejamiento específico que tenemos postulado sugiere de inmediato un posible mecanismo de copia para el material genético”.
La replicación precisa antes de la división celular es una de las tres funciones clave del material genético. Si bien experimentos posteriores revelarían los detalles de cómo las células replican el ADN, Watson y Crick obviamente quedaron impresionados de que la estructura de doble hélice propuesta encajaría con el concepto de que las células vivas son necesarias para producir más células vivas y la transmisión de un conjunto completo de instrucciones biológicas. El material genético debe tener una estructura que se preste a ser copiado. El uso de lo viejo para ayudar a construir nuevos conduce a un modelo semiconservativo propuesto para replicar la molécula de ADN bicatenario (Figura 8).
Previo tanto a la mitosis como a la meiosis, la división celular en organismos multicelulares, y la división celular en procariotas, el ADN dentro de la célula debe replicarse. (ver lección Mitosis y Meiosis). Este proceso de replicación genera la información genética necesaria para dos células, genéticamente idénticas a la célula original o en organismos de reproducción sexual, cuatro células de gameto con la mitad de la información genética de la célula original.
Cuándo y dónde:
La replicación del ADN ocurrirá antes que las células se dividan En horas de edad embriones que se están desarrollando en organismos multicelulares, todas las células están replicando su ADN y dividiéndose en nuevas células. Horas o días después, los organismos multicelulares han desarrollado regiones específicas de meristemo donde ocurre la producción de nuevas células. Un ejemplo visual de células meristema donde se necesita replicación del ADN es la punta de una raíz de planta (Figura 9). Las nuevas células hechas en la punta de la raíz permiten que la raíz crezca. La raíz también debe reemplazar las células que se dañan a medida que la raíz en crecimiento se mueve a través del suelo. En la Figura 8, la región meristema (1) contiene células meristemas que están replicando sus cromosomas, luego dividiéndose en dos células idénticas por mitosis. Las células en la parte de punta del meristemo se especializan en células de casquete radicular (2,3) con el trabajo de proteger el meristema. El destino de estas células es morir (4), y necesitan ser reemplazadas por nuevas células hechas en el meristema. Las células hechas en la otra mitad del meristemo (5) pueden alargarse y eventualmente especializarse. Estas células radiculares funcionarán entonces para la planta, toda la estación para las plantas anuales, años para las plantas perennes. La replicación del ADN solo ocurrirá en las células del meristemo.
Velocidad de replicación cromosómica
Cincuenta y dos años después de la nota de Watson y Crick's Nature, un grupo de unos 50 genetistas moleculares publicaron la secuencia completa de ADN del cromosoma X humano (Figura 5). Este descubrimiento reveló que el cromosoma X es una molécula de ADN bicatenario que tiene aproximadamente 155 millones de pares de nucleótidos de largo. Cada vez que una célula humana se divide, uno o dos de estos 155,000,000 nucleótidos deben replicarse. Esto debe hacerse con rapidez y precisión.
La principal enzima de replicación del ADN (ADN PoliI, ver abajo) funciona rápido. Las estimaciones de su velocidad de replicación rondan los 750 nucleótidos por segundo.
Hagamos las cuentas.
155.000.000 nucleótidos/cromosoma X 1 segundo/750 nucleótidos
= 206,666 segundos por cromosoma X
Convertiremos estos segundos en horas.
1 hora/360 segundos X 206.666 segundos/cromosoma = 547 horas por cromosoma
Eso significa que una enzima de replicación tardaría 547 horas o aproximadamente 24 días para replicar un cromosoma X. ¿Cuáles son las ramificaciones biológicas de estos 24 días? Si te cortas, tardarías 24 días en replicar los cromosomas antes de que las células de la piel pudieran dividirse. La formación de nuevas células necesarias para la curación de cortes en nuestra piel nos mantendría en un estado herido.
Para acelerar el proceso de replicación cromosómica, las células vivas utilizan dos tácticas. Ambas tácticas se muestran en la Figura 10. Primero, la replicación no comenzará en un solo extremo del cromosoma. En cambio, hay cientos de orígenes de replicación (ori) a lo largo del cromosoma. Además, el proceso de replicación se mueve bidireccionalmente desde el ori. Esta replicación bidireccional crea bifurcaciones de replicación que se mueven una hacia la otra a medida que se replica el cromosoma.
Como resultado de estas dos tácticas, un cromosoma grande se puede replicar en horas en lugar de semanas y la división celular puede ocurrir rápidamente cuando es necesario para el crecimiento o reemplazo celular.
El equipo de replicación de cromosomas
Como todos los procesos en las células vivas, una colección de proteínas específicas trabaja en conjunto para realizar funciones que controlan y completan la replicación cromosómica. Todas las proteínas involucradas en la replicación del ADN hacen y rompen enlaces, por lo que son enzimas. A continuación se describe la función de las principales enzimas replicantes de ADN.
Cinco de las principales enzimas replicantes de ADN
- Helicasa: Esta es una de las enzimas que desenrolla la molécula de ADN bicatenario. Las hebras simples desenrolladas ya no se unen de hidrógeno a su cadena complementaria, sino que los enlaces azúcar-fosfato permanecen intactos.
- Topoisomerasa: El trabajo de desenrollado de la Helicasa crea tensión en el ADN bicatenario por delante de la horquilla de replicación. La topoisomerasa alivia esta tensión catalizando una serie de enlaces de fosfato de azúcar que rompen y hacen pasos. Sin este alivio de tensión, el ADN bicatenario podría romperse y el cromosoma intacto no puede terminar de replicarse.
- ADN Polimerasa III (ADN pol III): Esta es la principal enzima sintetizadora de ADN. La enzima lee la cadena simple como molde y se coloca en el desoxirribonucleótido complementario. DNA pol III lee el molde en la dirección 3' a 5′ y construye la nueva cadena en la dirección 5' a 3', agregando el siguiente nucleótido al extremo 3' catalizando el enlace azúcar-fosfato. DNA pol III ilustra la especificidad de las enzimas de varias maneras; lee y corrige la colocación de nuevos nucleótidos para asegurar una replicación precisa. Sólo puede leer y construir en una dirección. El ADN pol III solo puede agregar nucleótidos a un extremo 3' libre. Esta última especificación significa que ADN pol III no puede iniciar el proceso de replicación en el molde monocatenario. Otra enzima necesita formar parte del equipo de replicación in vivo para cebar el trabajo de DNA pol III.
- Primasa:Los bioquímicos nombraron a esta enzima para describir su papel en el inicio o cebado del proceso de replicación. La ADN (o ARN) primasa es una ARN polimerasa especial. La enzima lee el molde de ADN monocatenario de 3' a 5' y agrega nucleótidos de ácido ribonucleico (ARN) en la dirección 5' a 3'. Una vez que se agregan algunos cientos de nucleótidos de ARN, la primasa cae de la cadena molde y deja el extremo 3' que necesita ADN Pol III para continuar con el proceso.
- ADN Polimerasa I (ADN pol I): La ADN polimerasa se especializa en la eliminación de los cebadores de ARN y reemplazarlos con nucleótidos de ADN. La enzima trabaja con la misma lectura de 3′ a 5′ y 5′ a 3′ edificación.
- ADN Ligasa: Después de que las cinco enzimas descritas anteriormente hayan completado su trabajo, es necesario hacer algunos enlaces fosfato de azúcar para completar la molécula bicatenaria. La ADN ligasa tiene esta asignación de sellado de enlace principal.
Ahora que hemos introducido las enzimas de replicación, podemos describir la acción paso a paso de este equipo. Nos centraremos en la acción que ocurre en un origen de replicación.
Paso 1: Iniciando la replicación en el Ori
Las enzimas helicasas se unen a las secuencias ori y comienzan a desenrollar el ADN bicatenario. Esto establece dos horquillas de replicación (una mostrada en la Figura 10a) y una enzima helicasa estará trabajando para desenrollar el ADN en cada horquilla a medida que las horquillas se alejen entre sí. El desenrollamiento expone cadenas individuales de ADN que son la plantilla para construir una nueva hebra. La topoisomerasa se puede ver trabajando para aliviar la tensión antes de la horquilla de replicación en la Figura 10a.
Paso 2: cebado de ADN con ARN
El proceso de cebado con primasa y luego replicar con ADN pol III ocurre en ambas horquillas de replicación (Figura 10a y b). Las enzimas ADN pol III pueden replicar nuevas cadenas tan rápido como el ADN se desenrolla en cada horquilla de replicación. El desenrollado crea dos hebras de plantilla en cada horquilla, por lo que la enzima primasa debe funcionar para cebar ambas hebras viejas.
Paso 3: Síntesis de hebras principales y rezagadas
Las cadenas dobles del ADN son antiparalelas y 'corren' en direcciones opuestas y el ADN pol III solo puede funcionar en una dirección (Figura 10c). Por lo tanto, hay replicación continua y discontinua sucediendo en cada bifurcación de replicación. La hebra que se puede replicar a medida que se desenrolla la helicasa es la cadena principal. El ADN pol III debe replicar la otra hebra en la dirección opuesta para que esta hebra se quede rezagada. (Figura 10c).
Se necesita más cebado para replicar la hebra rezagada y el cebado deja estiramientos híbridos de ARN-ADN en la nueva molécula bicatenaria. Esto significa que hay trabajo para la enzima ADN pol I. Esta enzima será parte de la eliminación de los cebadores nucleotídicos de ARN, y el reemplazo con nucleótidos de ADN (Figura 10c y d).
Ambas horquillas de replicación tienen una cadena líder y otra retrasada de nuevo ADN. Los tramos de nucleótidos de ADN entre los cebadores de ARN rojos serían los fragmentos de Okazaki.
Uno de los primeros científicos en aportar evidencia para apoyar este modelo de replicación del ADN fue el equipo de Reiji y Tsuneko Okazaki en la década de 1960. Utilizaron nucleótidos radiactivos para rastrear los fragmentos recién replicados y encontraron que muchos de los fragmentos eran cortos. Esto encaja con el modelo discontinuo.
Como las cuatro enzimas que se acaban de describir atienden a sus roles específicos en la replicación, se construyen dos moléculas de ADN bicatenario con una hebra vieja y una nueva hebra. Si el ADN pol III comete un error y agrega el nucleótido incorrecto, no complementario, la enzima puede probar leer su trabajo y reemplazar estos errores de replicación. Cuando la replicación es perfecta, las dos moléculas de ADN bicatenario tendrán secuencias idénticas.
Paso 4: Ligadura de fragmentos de Okazaki
La quinta enzima que tiene un papel final en completar la replicación es la ADN ligasa (no mostrada en la Figura 10d y e). Esta enzima sellará el enlace fosfato de azúcar entre el último nucleótido de reemplazo agregado por ADN pol I y el primer nucleótido que se había agregado después del cebado por ADN pol III. Con este trabajo de sellado de unión, el proceso de replicación se completa.
Las dos moléculas de ADN bicatenario que se hacen tendrán secuencias idénticas a menos que ocurran errores raros mientras las enzimas conducen su trabajo.
El ADN está compuesto por nucleótidos. Los nucleótidos están conectados entre sí por enlaces fosfato para formar una cadena. Las bases en una cadena forman enlaces de hidrógeno con las bases en la otra para formar una molécula bicatenaria. La característica final de la estructura molecular es que el ADN asume una conformación helicoidal. Para encajar dentro del núcleo, el ADN asume una estructura muy condensada. Por lo tanto, el ADN cromosómico se enrolla alrededor de un núcleo de proteína histona para formar cromatina. El empaquetamiento apretado del ADN en la cromatina debe modificarse para permitir la replicación y transcripción del ADN. En el proceso de replicación, las dos cadenas de ADN se separan y actúan como moldes para la síntesis de cadenas hijas complementarias.
Colocar las cadenas individuales, las enzimas de replicación y las etiquetas 3′/5′ en los lugares apropiados (#1 - #7)
