Biología - Conservación de la Información Genética

BIOLOGÍA
CONSERVACIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
BREVE HISTORIA
-En 1944, Avery demostró que el ADN constituye el material genético. Este hecho constituye el nacimiento de la Genética
molecular.
-En 1950, Chargaff demostró que la composición de bases nitrogenadas en los ADN varía según la especie considerada, y
estableció la llamada ley de equivalencia entre las bases (A-T y C-G).
-En 1953, Watson y Crick establecieron la estructura de estas moléculas que constituyen, sin ninguna duda, el material
genético.
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
-La información genética se almacena en la doble hélice del ADN, cuya estructura es idónea para mantener la integridad
de dicha información.
-Cuando una célula se divide, transmite su información genética a las células hijas; para ello, duplica previamente su ADN
mediante el mecanismo de la replicación.
-En 1970, Crick enunció el llamado dogma central de la Biología molecular:
"la información genética contenida en el ADN es transcrita en forma de ARN y traducida a
proteínas"
(Los virus con ARN constituyen la única excepción a esta regla).
-Sin embargo, hay que observar que, no todos los genes se expresan a la vez, es decir, no todas las proteínas se
sintetizan al mismo tiempo.
El control de la expresión génica se puede realizar de distintas formas, pero casi siempre tiene lugar mediante la
regulación de su transcripción.
HIPÓTESIS SOBRE LA REPLICACIÓN
-Watson y Crick (1953), al proponer la estructura del ADN, ya sugerían uno de los tres modelos o hipótesis de replicación:
1) Conservativa:
La doble hélice original permanece intacta, originándose una doble hélice completamente nueva.
2) Semiconservativa:
Cada nueva molécula de ADN está formada por una hebra original y por otra recién sintetizada.
3) Dispersiva:
La molécula original se rompe y las dos nuevas se construyen con precursores originales y de nueva síntesis.
-Messelson y Stahl (1958) demostraron que la hipótesis semiconservativa era la correcta, además de congruente con el
modelo de la doble hélice de Watson y Crick.
-La duplicación del ADN se produce de acuerdo con las siguientes características:
1)Es semiconservativa.
2)Bidireccional: a partir de un punto dado del cromosoma, la replicación progresa en dos direcciones
3)En virus y bacterias hay un único punto de inicio de la replicación, mientras que en eucariotas hay varios.
4)La replicación avanza por adición de desoxirribonucleótidos-monofosfato (dNMP) en el sentido 5'Æ3'.
5)Semidiscontinua: una hebra se replica de forma continua y la complementaria de modo discontinuo (fragmentos de
Okazaki).
6)La iniciación de la síntesis de cada hebra y de cada fragmento requiere de un cebador o primer (ARN).
ENZIMAS DE LA REPLICACIÓN
-Las más importantes son las ADN polimerasas, que catalizan la formación de los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos y
van añadiendo el nucleótido complementario al de la hebra molde.
Para ello, utilizan desoxirribonucleótidos-trifosfato (dNTP) que, además, aportan la energía necesaria para la reacción y
desprenden restos de fosfato inorgánico (P):
(Cadena polinucleótida)n + dNTP Æ (Cadena polinucleótida)n+1 + P+P
-Las ADN polimerasas son diferentes en procariotas y en eucariotas, aunque en todos los casos requieren un ADN-molde y
un fragmento polinucleótido que proporcione el grupo 3' -OH libre al que ir añadiendo desoxirribonucleótidos. Este
segmento es un ARN cebador llamado también iniciador o primer.
-Las ADN polimerasas de procariotas son:
1) ADN pol I
-Escinde el ARN cebador.
-Repara errores de la síntesis del ADN.
-Rellena con desoxirribonucleótidos el hueco resultante al eliminarse el ARN cebador.
2) ADN pol II
-Repara pequeñas roturas en las hebras del ADN (corrigiendo estos errores).
3) ADN pol III
-Interviene directamente en la polimerización del ADN, (seleccionando el dN adecuado).
-Las ADN polimerasas de eucariotas son:
1) ADN pol alfa y ADN pol delta:
-Controlan directamente la replicación.
2) ADN pol beta
-Actividad reparadora.
3) ADN pol gamma
-Controla la replicación mitocondrial y plastidial.
-Otras enzimas importantes son:
1) Primasas (ARN polimerasas dependientes de ADN): Sintetizan el ARN cebador usando como molde una hebra de ADN
2) Girasas (topoisomerasas): Actúan desenrollando el ADN
3) Helicasas: Separan las dos hebras del ADN, para que cada una actúe de molde.
4) Proteínas SSB (single strand-binding) (estabilizadoras): Se unen a las hebras, estabilizándolas (manteniéndolas
separadas) mientras tiene lugar la replicación. Actúan conjuntamente con las helicasas.
5) Nucleasas: Rompen los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos, dando lugar a un 'punto de origen' o inicio de
replicación.
6) Ligasas: Unen fragmentos adyacentes mediante enlaces fosfodiéster.
MECANISMO MOLECULAR DE LA REPLICACIÓN
-El mecanismo obedece a la hipótesis semiconservativa, y consiste en la formación de dos moléculas de ADN idénticas a
partir de una original que actúa como molde o patrón.
REPLICACIÓN EN PROCARIOTAS
-Distinguimos varias etapas:
1)El punto de la doble hélice de ADN donde se inicia el proceso se conoce como 'origen de replicación'.
A partir de él se forma una 'horquilla de replicación' en la que el ADN modifica su estructura espacial debido a la
desespiralización que se produce por rotura de los enlaces de H entre las bases complementarias.
2)En la formación de la horquilla intervienen:
a)las girasas: desenrollan o desespiralizan el ADN.
b)las helicasas: separan las dos hebras del ADN.
c)las proteínas SSB: mantienen separadas las hebras.
3)A continuación y por medio de una primasa se sintetiza un ARN cebador para que pueda actuar la ADN pol III.
Esta enzima (ADN pol III), en principio, añade dNTP al cebador y, después, puede continuar la polimerización por sí
sola, siguiendo el principio de complementariedad de bases.
4)Posteriormente, la ADN pol I actúa como exonucleasa eliminando el cebador y al mismo tiempo actúa como
polimerasa rellenando el hueco con nuevos dNTP.
A la vez, la ADN pol II repara las roturas
que pueden producirse. De esta manera ininterrumpida (continua) se
elabora una nueva hebra de ADN, que se conoce como 'hebra conductora'.
5)Paralelamente al proceso anterior, la otra cadena del ADN sirve de molde para la síntesis de su complementaria, que
va a llamarse 'hebra retardada' porque su elaboración es discontinua al efectuarse de manera fragmentada (Okazaki,
1968).
Los fragmentos de Okazaki poseen entre 1000-2000 dN.
El mecanismo es igual al descrito anteriormente para la 'hebra continua', con las siguientes salvedades:
a)la síntesis comienza en un punto que dista unos 1000 nucleótidos de la señal de iniciación.
b)varias primasas sintetizan diversos ARN cebadores (uno por cada fragmento de Okazaki).
c)la ADN pol III alarga los fragmentos de cebador incorporando dNTP en sentido 5'>3' (de modo antiparalelo a la
hebra molde).
d)la ADN pol I vuelve a actuar como exonucleasa eliminando cebadores y como polimerasa rellenando huecos, así
como la ADN pol II repara las posibles roturas.
e)al final, la ADN ligasa une los fragmentos independientes para construir ya una cadena sin discontinuidades (la
llamada 'hebra retardada').
-Así pues, el mecanismo de replicación confirma que el ADN molde se autoduplica exactamente, formando dos nuevas
moléculas con idéntica información genética.
El mecanismo es esencial para que se realice correctamente la división celular, en la que una célula madre origina por
división dos células hijas con idéntica información hereditaria.
REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS
-Sigue el mismo esquema básico para el mecanismo, aunque ofrece algunas diferencias destacables:
a)la célula eucariota contiene más ADN y sus moléculas tienen mayor longitud (más o menos 50 mm., frente a poco
más de 1 mm. en bacterias).
b)debido a ello, la replicación comienza simultáneamente en varios 'puntos de origen', con lo cual se acorta el tiempo
del proceso, formándose numerosas horquillas de replicación.
c)el ADN de eucariotas consta de replicones (unidades de replicación) alineados uno tras otro (suele haber alrededor
de 100 replicones por cromosoma).
d)cada replicón tiene un punto de origen (O), donde se inicia la replicación, y dos puntos de terminación (T), uno a
cada lado del origen, en los que acaba ese replicón y se encuentra el adyacente.
e)los fragmentos de Okazaki son más pequeños (alrededor de 100-200 nucleótidos) que en procariotas.
MECANISMOS DE REPARACIÓN DE ERRORES
-Existen mecanismos enzimáticos que contribuyen a asegurar una correcta replicación, ya que este proceso requiere una
gran precisión. Concretamente, se sabe que algunas ADN polimerasas (I y II) poseen una 'actividad exonucleasa'. Tal
actividad ...
a)reduce drásticamente la posibilidad de errores, y
b)se conoce como 'corrección de pruebas'.
La ADN pol como exonucleasa, es capaz de comprobar si el último dN colocado es el complementario de la hebra molde,
antes de colocar el siguiente; en caso de error lo retira y lo reemplaza por el correcto.
-A pesar de este sistema de 'corrección de pruebas', suele haber un nucleótido equivocado por cada 10 millones de dN
añadidos.
Este valor no es considerable en procariotas, pero sí en el ADN de eucariotas ya que la cantidad es mayor y, por tanto, la
probabilidad de errores se incrementa (ello puede acarrear consecuencias no deseables).
-Para tratar de evitar este problema existe un complejo enzimático que, por su modo de actuar, se conoce como 'sistema
de reparación con escisión del ADN'.
Este 'sistema de reparación' revisa constantemente el ADN recién elaborado y repara las posibles lesiones, rebajando el
error a sólo un nucleótido por cada 100 millones de dN añadidos.
A título de ejemplo, este complejo enzimático (sistema de reparación) funciona así:
a)una endonucleasa detecta el error y produce dos cortes a ambos lados del mismo.
b)luego actúa una exonucleasa que elimina todos los dN del segmento cortado.
c)después, la ADN pol sintetiza el segmento de forma correcta.
d)por último, una ligasa une los extremos finales.
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