Unidad 09 Replic. y Reprod.[1]

La estructura del Núcleo
La Replicación del ADN
Niveles de Enrollamiento del ADN
El Proyecto Genoma Humano
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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El presente material de trabajo ha sido diseñado con el propósito de orientar
al alumno en el proceso de aprendizaje de la Biología.
El alumno podrá alcanzar un óptimo rendimiento en la cursada de esta materia,
cuando logre una modificación significativa y estable de sus conocimientos y sus pautas
“previas” en lo referente a las Ciencias Biológicas.
Con el objeto de ayudar a superar las dificultades que suelen plantearse durante el
aprendizaje de esta asignatura, se efectúan algunas sugerencias acerca del uso del material
didáctico y de la modalidad de cursada:
-
Lea atentamente los OBJETIVOS y los CONTENIDOS de cada unidad del programa.
Esto le permitirá saber qué se espera que usted pueda lograr mediante el
aprendizaje de la unidad (Objetivos) y qué temas serán tratados durante las clases
(Contenidos).
-
Resuelva la totalidad de los ejercicios, problemas y actividades que se proponen en
cada unidad. Para hacerlo, recurra al material denominado Marco Teórico de la
Unidad, donde encontrará información orientadora, y a la bibliografía recomendada
en clase.
-
No dude en acudir al docente cada vez que lo crea necesario.
-
Efectúe todas las Autoevaluaciones propuestas. Esto le permitirá hacer una
estimación “propia” acerca de la evolución de sus conocimientos.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
OBJETIVOS:
•
Comprender la estructura del núcleo y su función
•
Describir la estructura básica de la molécula de ADN
•
Explicar el proceso de Replicación y sus Mecanismos de Regulación
•
Conocer los Niveles de Enrollamiento del ADN
•
Comprender el concepto de Cariotipo y su utilidad
CONTENIDOS:
•
El Núcleo: estructura y función
•
La Replicación del ADN
•
Mecanismos de Regulación de la Replicación
•
Niveles de Enrollamiento del ADN
•
Tipos de Cromosomas
•
Cariotipo
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Las distintas formas de vida poseen su propia identidad. Sin embargo todas ellas
transmiten su información genética mediante la misma molécula: el ADN.
1- Cuál es la función básica del ADN?
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2- Qué estructura propone Watson y Crick para la molécula de ADN? Relacione con
conceptos aprendidos anteriormente.
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3- ¿Qué significa que el ADN se replica?
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4.- Mediante un esquema describa la replicación del ADN indicando : hebra líder –
hebra rezagada – enzimas que participan – ARN cebador – Fragmentos de Okasaki.
5- Compare la cadena líder con la rezagada en cuanto a:
a) Dirección de la síntesis.
b) Presencia de fragmentos de Okasaki.
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6- Explique por qué la replicación del ADN es:
a) Semiconservativa.
b) En horquilla.
c) Bidireccional
d) Discontinua.
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7- Clasifique la síntesis del ADN desde el punto de vista metabólico y energético.
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
8- Analice el esquema e indique:
a) Qué proceso representa.
b) En qué etapa del ciclo celular ocurre
c) Cuál es la finalidad del mismo
d) Cuales son las características de este proceso.
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
9- Lea atentamente e interprete los siguientes textos:
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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10- La siguiente secuencia, muestra desde el enrollamiento del ADN hasta la formación del
cromosoma eucariota. Explique el significado de cada paso.
11- Cuántos cromosomas poseen una célula somática humana y una célula sexual humana?
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12- ¿Qué diferencia existe entre el material genético de una célula eucarionte y una célula
procarionte?. Relacione con conceptos aprendidos anteriormente.
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13- Qué es un cariotipo?. ¿Cuál es su utilidad?.☺ Investigue sobre este tema.
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
14- Complete el siguiente esquema:
15- Los siguientes esquemas representan distintos tipos de cromosomas. Identifíquelos.
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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La etapa S : Duplicación del ADN
Una de las etapas del ciclo celular es la fase S, donde la célula duplica su material genético.
Esta etapa es crucial para la reproducción celular, ya que las células hijas deben recibir una
copia exacta del ADN de la célula de cual provienen. Una vez determinado el ADN como el
material hereditario y descifrada su estructura, los científicos comenzaron a investigar
acerca de los mecanismos a través de los cuales el
ADN se duplica.
Antes de comenzar a analizar los complejos
mecanismos que involucra de duplicación del ADN
profundicemos acerca de nuestros conocimientos
sobre la estructura del núcleo celular.
Como se recordará, el núcleo de las células está
constituido por una envoltura nuclear, formada por
una doble membrana (bicapa fosfolipídica)
separadas por un espacio, el carioplasma, varias
moléculas de ADN (dependiendo de cada especie),
un nucleolo o sector que contiene heterocromatina y
ARN, proteínas y enzimas (ver Unidad 5, Envoltura
Nuclear).
La comunicación entre el núcleo y el citoplasma se
establece a través de los poros de la envoltura
nuclear. Estos son interrupciones de la doble bicapa,
Microfotografía de un núcleo
rodeadas por proteícelular donde se observa la
nas específicas que
envoltura nuclear, regiones de
forman el complejo
heterocromatina y eucromatina.
del
poro.
Estas
proteínas controlan y regulan el transporte de moléculas
entre el núcleo y el citoplasma. Como es lógico, impiden
que el ADN salga del núcleo y evitan el ingreso de cualquier
enzima que pueda dañarlo. Sin embargo, cuando el ADN se
duplica, necesita que ingresen al núcleo los nucleótidos
necesarios para formar la nueva molécula, las enzimas que
Micrografía de las proteínas
formando el complejo del
poro.
catalizan el proceso y las
proteínas histonas en las
cuales de enrolla el ADN.
Durante la fase G1 del ciclo
celular los poros regulan el
ingreso de ribonucleótidos
para la trascripción, las
enzimas que catalizan este
proceso y también controlan la
salida de los ARNs y los
ribosomas. Recordemos que
durante toda la interfase el
ADN se encuentra en estado
Esquema de la organización y ubicación de las unidades
proteicas que forman el complejo del poro
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de cromatina (eucromatina y heterocromatina). Esta forma laxa permite copiar su
información.
Cómo se duplica el ADN?
Ya conocido el modelo estructural de la molécula de ADN, comenzaron a formularse
hipótesis acerca de su duplicación, hecho fundamental que permite transmitir la información
que contiene una célula a las dos células hijas resultantes luego de la división celular.
Dentro de estas hipótesis que intentaban explicar la duplicación, mencionaremos tres:
La conservativa, la dispersiva y la semiconservativa.
Según la hipótesis
conservativa, luego
de la duplicación se
formaban
dos
moléculas hijas, una
formada por ambas
hebras
de
la
molécula original y
otra formada por
ambas
hebras
nuevas.
Esquemas correspondientes a las tres hipótesis propuestas para
explicar el mecanismo de replicación.
El modelo dispersivo proponía el intercambio de fragmentos de ADN entre la molécula
antigua (original) y la molécula nueva (la copia), de forma que a cada célula hija pasaran
moléculas formadas por segmentos copia y segmentos originales de la doble hélice de la
célula madre.
La discusión en el mundo
científico continuó hasta que
Watson y Crick propusieron la
hipótesis
semiconservativa,
demostrada más tarde por
Meselson y Stahl (1957). Según
esta hipótesis, la molécula
original se abre durante el
proceso de duplicación, y cada
una de las hebras que la forman
sirve de molde para la síntesis
de
una
nueva
hebra
complementaria. Al finalizar el
proceso, las moléculas hijas así
formadas contienen una hebra
de la molécula original (que
sirvió de molde) y una hebra
sintetizada
nucleótido
a
nucleótido, es decir, una hebra
completamente nueva.
Esquema de una molécula de ADN
replicándose.
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En la hipótesis semiconservativa, la molécula bicatenaria de ADN se abre en forma de
horquilla y se sintetizan dos hebras nuevas. Las hebras nuevas se forman por
complementariedad de bases con la hebra “madre” u original que están copiando, lo cual
asegura la preservación de la información genética. Al final del proceso se forman dos
moléculas nuevas, formadas cada una de ellas por una hebra original (de la molécula vieja)
y una hebra nueva. En otras palabras,
las hebras existentes sirven de molde
complementario a las nuevas. El nombre de “semiconservativa” proviene de que en la
molécula recientemente formada se conserva una hebra de la molécula original.
Hebra original
Hebra
nueva
Esquema de la formación de la
horquilla de replicación y la acción de
algunas de las enzimas intervinientes.
La experiencia de Meselson y Stahl
El experimento propuesto por estos científicos
demostró de manera concluyente que la replicación
del ADN seguía el modelo semiconservativo. En su
experiencia, cultivaron varias generaciones de la
bacteria Escherichia coli en un medio que contenía
cloruro amónico como única fuente de nitrógeno y
cuyo nitrógeno era el isótopo pesado N15
(recordemos que para la duplicación del ADN las
células necesitan sintetizar nucleótidos y, por
supuesto, bases nitrogenadas). Dado que el isótopo
más frecuente en la naturaleza es el N14, todas las
moléculas originales de ADN de estas bacterias
contendrían N14, mientras que las que fueran
sintetizadas en este nuevo medio contendrían N15.
El peso de las moléculas de ADN según contengan
N14 o N15 puede observarse luego de una
centrifugación. Así, las moléculas formadas por N14
son más livianas que las formadas por N15.
Experiencia de Meselson y Stahl
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En el experimento, las células que se colocaron en el medio de cultivo con N15 se dejaron
replicar por varias generaciones, para asegurar que todo su material genético tuviera el
isótopo pesado. Luego, se tomó una muestra de este cultivo y se colocó en un medio con
N14, dejando que las células se dividan (y por lo tanto repliquen su ADN) por varias
generaciones, tomando muestras a distintos intervalos.
Cada muestra era centrifugada. En los resultados se observó que, después de la primera
generación de bacterias en el medio con N14, la banda que marcaba el centrifugado de la
muestra correspondía a una molécula “semipesada”, es decir, que contenía N14 y N15.
Este resultado demostraba que la molécula de ADN duplicado contenía una hebra original
(con N15) y otra nueva (con N14). En la segunda generación, siempre utilizando el mismo
medio de cultivo con N14, se obtuvieron, luego de la centrifugación, moléculas livianas y
moléculas semipesadas. Las moléculas livianas, formadas íntegramente por N14 y las
semipesadas, constituidas por una hebra con N14 y otra con N15.
Muestra de la centrifugación
de la primera generación.
El ADN presenta
en sus dos hebras
el isótopo pesado
de N15. La banda negra
representa el sitio
donde se deposita el
ADN “pesado”, en el
sector inferior del tubo
de ensayo.
Muestra de la centrifugación
de la segunda generación.
Las moléculas de ADN
están formadas
por una hebra
pesada con N15
y otra liviana con N14.
La banda negra, que
representa la molécula de
ADN se deposita más
Arriba que en el 1° tubo.
Muestra de la centrifugación de la
tercer generación. Se observan
Moléculas semipesadas y livianas,
estas últimas
formadas íntegramente
por N14. Aquí, las dos
bandas negras se depositan en posiciones que
diferencian su peso, y,
en consecuencia, su
contenido de N14 o N15.
El Proceso de Replicación
El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariontes como en los
eucariontes. Es un proceso complejo en el que intervienen más de 50 proteínas distintas
agrupadas en complejos multienzimáticos. La replicación del ADN ocurre una sola vez en
cada generación celular. La velocidad con que ocurre este proceso es variable; en la
especie Homo sapiens , por ejemplo, se produce a una velocidad de 50 nucleótidos por
segundo, mientras que en procariontes la velocidad es de 500 nucleótidos por segundo.
Una vez que los mecanismos de regulación celulares disparan el inicio de la etapa S,
comienzan a actuar sobre la molécula de ADN numerosas enzimas:
Helicasa: rompe los enlaces puente de hidrógeno
entre ambas cadenas complementarias del ADN,
separando sectores de la molécula bicatenaria.
Topoisomerasas: alivian la tensión de la molécula
de ADN evitando su hiper-enrrollamiento.
ADN polimerasa: polimeriza los nucleótidos
utilizando la molécula original de ADN como molde.
Hay tres tipos diferentes de ADN polimerasas
llamadas I, II y III. Entre éstas, la ADN polimerasa
III es la responsable de la síntesis de ADN.
Para que la ADN-polimerasa
realice su actividad catalítica
es necesario que existan en el
medio iones de Mg2+ y los
cuatro desoxirribonucleótidos
trifosfatados (dATP, dGTP,
dCTP y dTTP) que constituyen
la molécula de ADN.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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ARN polimerasa o primasa: sintetiza pequeños fragmentos de ARN que se utilizan
como cebadores.
Ligasa: Cataliza la formación de enlaces fosfodiéster entre nucleótidos de distintos
fragmentos (de Okasaki, ver más adelante).
La replicación comienza en sitios específicos llamados
sitios de origen de la replicación. A partir de este sector
(que está determinado por una combinación específica de
nucleótidos) actúan las enzimas helicasas separando
ambas hebras de la molécula. De este modo se forma un
área conocida como "burbuja de replicación". En este
punto actúan proteínas desestabilizadoras de la hélice
o proteínas de unión de una sola cadena, que se acoplan
a las hebras de ADN para mantenerla recta y abierta.
La ADN-polimerasa es también
autocorrectora ya que después
de unir cada nucleótido
comprueba si se han producido
errores antes de incorporar el
nucleótido siguiente. Si detecta
un error, elimina el último
nucleótido colocado y lo
sustituye por el correcto.
Esquema del origen de la replicación
en una molécula de ADN
A partir de esta acción, la ADN polimerasa es
capaz de reconocer las bases libres y colocar
el nucleótido con su correspondiente base
complementaria (recordemos que Adenina se
combina con Timina y Citocina con Guanina).
De esta forma se sintetiza una nueva hebra
utilizando como molde cada una de las
cadenas originales. La enzima ADN polimerasa
efectúa los enlaces fosfodiéster entre los
nucleótidos de la cadena nueva.
Una vez que la ADN-polimerasa localiza el
nucleótido complementario, cataliza su
hidrólisis separando un grupo pirofosfato
(P-P) y uniendo el resto
(desoxirribonucleótido-monofosfato) a la
cadena de ADN que se está formando
mediante un enlace fosfodiéster. La energía
necesaria para esta unión se obtiene de la
hidrólisis del grupo pirofosfato. Ésta es la
función polimerizadora de la ADNpolimerasa.
Es importante notar que en la molécula de ADN ambas hebras son antiparalelas (una se
ubica en sentido 5´3´ y la otra en sentido 3´5´ ) y que las hebras nuevas, sintetizadas
nucleótido a nucleótido, se ubican también en forma antiparalela a la hebra que están
utilizando de molde.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
En organismos procariotas, el inicio
de la replicación se produce en un
extremo de la molécula de ADN, por
lo que se forma una horquilla de
replicación que avanza desde un
extremo al otro de la molécula. En
eucariotas, se abren varias burbujas
de replicación, lo que genera “varios”
sitios de origen de la replicación por
cada molécula. El ADN se replica en
toda su longitud por confluencia de
estas "burbujas".
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Considerando un solo origen de la replicación y la
velocidad de este proceso, un cromosoma humano
tardaría unas 800 horas en replicarse, pero esto no
ocurre. Se ha comprobado que el ADN de células
eucariontes posee varios sitios de origen de la
replicación y a cada una de estas regiones se las
denomina replicón. Los replicones tienden a formar
grupos denominados unidades de replicación (2080 replicones). A lo largo de la fase S del ciclo
celular, a medida que unas unidades de replicación
van finalizando la replicación, se activan otras
nuevas, siempre por grupos, hasta que todo el DNA
se haya replicado.
Esquema de una
horquilla de
replicación.
En este sector ambas hebras de ADN se separan y se inicia la síntesis de una nueva hebra
complementaria. Es importante notar que una de las hebras crece en la dirección de
apertura de la horquilla (cadena adelantada), mientras que la otra lo hace en dirección
opuesta (cadena atrasada).
La enzima ADN polimerasa posee algunas
Como se muestra en el esquema, la
restricciones para poder cumplir con su actividad
síntesis de ADN avanza de manera
catalítica. Una de ellas es que sólo es capaz de
continua sobre la hebra molde que tiene
realizar la síntesis de ADN en el sentido 5´3´,
libre el extremo 3´. La hebra molde
motivo por el cual opera en direcciones opuestas
complementaria, que posee libre su
en cada hebra.
extremo 5´, inicia su síntesis en sentido
opuesto a la apertura de la horquilla de
replicación. Esta última, llamada hebra
rezagada, se sintetiza por fragmentos.
Cada vez que la horquilla de replicación
separa un tramo de la molécula de ADN,
se inicia una nueva cadena , siempre
utilizando la dirección de síntesis 5´3´.
De este modo, se produce una hebra
líder o continua que avanza en el sentido
que avanza la horquilla de replicación y
una hebra discontinua o rezagada,
formada por fragmentos y también
sintetizada en sentido 5´3´. Estos
fragmentos se denominan Fragmentos
de Okasaki en honor al científico que las
descubrió.
Dirección de las cadenas líder y rezagada
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
Otra restricción de la enzima
ADNpolimerasa es que no puede
iniciar la síntesis de las nuevas hebras
si no cuenta con un extremo 3´ libre.
Por esta razón es necesario que,
antes del inicio de cada hebra nueva,
actúe otra enzima, la ARN polimerasa
o primasa, que sintetiza un corto
fragmento de ARN que actúa como
cebador.
De este modo, antes del inicio de
cada hebra rezagada se sintetiza un
pequeño fragmento de ARN cebador
o primer. Luego, la ADN polimerasa
continúa la síntesis de ADN.
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El ARN cebador o primer, corta molécula de ARN (10
pares de bases) hace que empiece a actuar la ADN
polimerasa. El ARN cebador es generado por la
enzima ARN primasa. Esta enzima se une
directamente a la ADN helicasa, formando un
complejo llamado primosoma, que se va desplazando
con la cadena en formación. A medida que se
producen fragmentos de cadena abiertos de suficiente
longitud, se va sintetizando la cadena discontinua
formando pequeños fragmentos, Fragmentos de
Okazaki, cada uno de unos 1000 nucleótidos. Se
utiliza un ARN cebador por cada fragmento de
Okazaki. La ARN primasa, sintetiza los ARN
cebadores que son incorporados a la copia en el
inicio de cada fragmento de Okazaki.
Características de la duplicación
La síntesis de ADN presenta las siguientes características:
Semiconservativa: las moléculas nuevas conservan una de las hebras de la
molécula original.
Bidireccional: a partir de un punto de origen, la molécula se duplicará en ambas
direcciones.
Discontínua: la síntesis se produce a través de fragmentos en la hebra rezagada.
En síntesis, la replicación del ADN consta de los siguientes pasos:
Desenrrollamiento y apertura de la doble hélice de ADN. La separación de las
cadenas comienza en puntos concretos llamados puntos de iniciación. A partir de
ellos se van separando las dos hebras de ADN formando la burbuja de replicación.
Los dos extremos de la burbuja por donde continua la separación reciben el nombre
de horquillas de replicación.
La síntesis de las cadenas complementarias comienza con la síntesis del ARN
cebador que es una corta cadena de ARN con una secuencia complementaria de una
de las porciones de las hebras del ADN. En la hebra que tiene el sentido 3'--5' la
ADN-polimerasa va colocando nucleótido tras nucleótido a continuación del ARN
cebador. Esta hebra complementaria que va creciendo en sentido 5'--3' es la hebra
adelantada o líder. En la hebra opuesta del ADN original, a continuación del ARN
cebador, se coloca un fragmento de Okasaki y, después de éste, un nuevo ARN
cebador seguido de otro fragmento de Okasaki.
Luego, actúa una ribonucleasa que elimina el ARN cebador que está entre dos
fragmentos de Okasaki. El sector que ocupaba el ARN cebador es rellenado por la
ADN-polimerasa, que ubica desoxiribonucleótidos complementarios.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
Síntesis de la hebra líder
Síntesis de la hebra rezagada
Dirección de crecimiento
de la burbuja
Cadenas hijas
Fragmentos de Okasaki
Síntesis de nuevas hebras de ADN y crecimiento de la burbuja de replicación
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Cómo sintetiza la ADN polimerasa ambas hebras de forma
conjunta?
El ADN sintetizado en la cadena retrasada y su cadena molde sufren un plegamiento, esto
posibilita que la ADN polimerasa pueda formar un complejo único y así sintetizar ambas
hebras de ADN (la adelantada y la rezagada). Las topoisomerasas mantienen esta
estructura y evitan que el ADN se súper enrolle, cortando un enlace fosfodiéster (a este
corte se lo denomina nick). Además, existe una proteína llamada SSB, que estabiliza la
forma monocatenaria de la hebra que se está replicando, para que no se pliegue y acople
por complementariedad de bases con ella misma. Luego actúan las enzimas ligasas, que
“reparan” los nicks en el momento en el que se sustituye el ARN cebador y se unen los
fragmentos de Okasaki.
Esquema de la duplicación del ADN que muestra a acción de cada enzima.
Como se expresara anteriormente, existen tres tipos de ADN-polimerasa. Entre ellas, la
ADN polimerasa I es la encargada de reparar la hebra, degradando el cebador, por lo que
actúa como una enzima exonucleasa. Esta enzima es capaz de agregar o sustituir bases.
La ADN polimerasa III es la que realiza la síntesis propiamente dicha con la acción conjunta
de la enzima ADN polimerasa II.
En el siguiente esquema se puede observar la secuencia de pasos de la duplicación del
ADN. Observe la síntesis continua en la hebra líder, catalizada por la ADN polimerasa III. En
la hebra rezagada se indican con números las diferentes etapas de la síntesis.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Duplicación del ADN. Las helicasas y topoisomerasas se asocian en un extremo de la horquilla de
replicación, separando las hebras complementarias. Las proteínas SSB impiden que ambas hebras se
replieguen sobre sí mismas.
1. La primasa sintetiza el cebador.
2. La ADN polimerasa III sintetiza la hebra complementaria al molde, originando la cadena líder y
los fragmentos de Okasaki (en la hebra rezagada).
3. La ADN polimerasa I elimina el cebador (actividad de exonucleasa) y completa el sector con
nucleótidos de ADN en la cadena rezagada.
4. La ligasa une finalmente los fragmentos de Okasaki.
En qué momento se organizan los nucleosomas?
Recordemos que el ADN eucarionte está asociado a proteínas histónicas formando los
nucleosomas. Existe evidencia experimental para inferir que las histonas se acoplan a las
nuevas moléculas de ADN a medida que se va replicando. Estas proteínas son las únicas
que son sintetizadas en la etapa S del ciclo celular y se asocian rápidamente a la hélice en
crecimiento.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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En el esquema se observa cómo el
octámero de histonas se asocia a la
molécula bicatenaria que se está
sintetizando,
formando
los
nucleosomas. Se propone que las
histonas pertenecientes a la molécula
original pasan a formar parte de la
molécula sobre la que se forma la
hebra líder o continua. Sobre la otra
hebra del ADN, donde se sintetiza la
hebra rezagada o discontinua, se
asocian histonas nuevas.
La replicación llevada a cabo por la
ADN-polimerasa es un proceso muy
exacto, sobre todo por su actividad
autocorrectora. Sin embargo, aún así
se produce un error de apareamiento
por cada 107 pares de bases. En una
bacteria esto podría resultar suficiente
debido a que su cromosoma sólo
posee 3·103 pares de bases. Sin
embargo en el ADN humano existen
3·109 pares de bases y durante el
desarrollo embrionario, a partir del
zigoto, el ADN humano se duplica
1015 veces, por lo que la información
genética pronto se perdería.
Esquema de la horquilla de replicación de una
molécula de ADN perteneciente a un organismo
eucarionte.
Para aumentar más todavía la perfección de la replicación del ADN existe un complejo
enzimático que detecta el nucleótido cuya base no está correctamente apareada, lo elimina
y regenera la secuencia correcta. De este modo se logra bajar esta tasa de errores en uno
por cada 1010 pares de bases. Este proceso se conoce con el nombre de corrección
postreplicativa.
Cuándo comienza la etapa S?
El control de la fase S y el inicio de la replicación
Los mecanismos de replicación del material genético y su
regulación presentan factores que determinan su inicio y
control.
El Modelo del Replicón, inicialmente propuesto para la
bacteria Escherichia coli, propone la existencia de
secuencias de ADN que determinan el inicio de la
replicación.
Estas
secuencias
fueron
identificadas en S. cerevisiae y
se conocen como Secuencias de
Replicación Autónoma (SRA),
las cuales coinciden con los
orígenes de replicación.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
Los cromosomas de eucariontes son demasiado largos para ser replicados a partir de un
solo sitio de origen (como ocurre en procariontes) por lo que contienen varios puntos de
origen de la replicación.
Las proteínas que indican el sitio de origen de la
replicación (CRO) permanecen unidas a los orígenes
de replicación durante todo el ciclo celular, pero el
resto de las proteínas iniciadoras forman o no parte
del complejo, dependiendo de la etapa del ciclo
celular.
Los trabajos de Bell y Stillman
de 1993 describieron un
complejo de 6 proteínas que
reconocen los orígenes de
replicación,
denominado
Complejo de Reconocimiento del
Origen (CRO). Estas proteínas
son esenciales para la viabilidad
celular y necesarias para iniciar
la
replicación
del
ADN.
Posteriormente,
se
han
descubierto otras proteínas
iniciadoras.
De este modo, se determina un estado postreplicativo durante las fases S, G2 y M (sólo
permanecen unidas a los orígenes las proteínas
CRO únicamente) y un estado pre-replicativo,
durante G1 (cuando el resto de las proteínas
iniciadoras forman parte del complejo). El inicio de la
replicación del material genético marca la transición
entre el estado de complejo pre-replicativo (pre-RC) a complejo post-replicativo (post-RC).
Complejo post-replicativo (CRO)
Complejo pre-replicativo
Esquema de los complejos post-replicativos (arriba) y pre-replicativo (abajo).
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Relación entre el inicio de la fase S y el ciclo celular
Los procesos de fosforilación de las diferentes proteínas que se unen al ADN para regular
su duplicación, y la actividad de diferentes ciclinas, controlan la expresión de los genes
necesarios para la replicación. Por otro lado, la conversión de complejos post-replicativos a
pre-replicativos ocurre en la transición entre la división celular y la etapa G1.
Durante la etapa G1, todo el complejo de proteínas reguladoras se encuentra unido al
ADN impidiendo su replicación. Cuando estas proteínas se separan y solo permanece
el CRO unido al ADN, comienza la etapa S. Cuando el complejo proteico vuelve a
unirse al CRO, se reinicia la etapa G1.
Enrollamiento del ADN eucarionte
En las células eucariontes, el ADN se encuentra
asociado a moléculas proteicas, las histonas, formando
los nucleosomas (ver Unidad 8, Ciclo Celular, Interfase).
Durante la interfase, el ADN unido a las histonas se
presenta como largos y delgados filamentos, de aspecto
difuso y granulado, formando la cromatina.
Una vez concluida la fase S, el ADN duplicado (y unido a
las histonas) se condensa gradualmente y comienza a
formar estructuras más compactas, de menor longitud,
que pueden observarse al microscopio óptico: los
cromosomas.
ADN asociado a histonas
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
23
Existen sucesivos niveles de enrollamiento del ADN que culminan con la formación de los
cromosomas observables durante la etapa de división celular (mitosis o meiosis).
Solenoide
(30 nm de diámetro)
Cromosoma
La molécula de ADN se
enrolla alrededor de las
histonas y forma los
nucleosomas.
Después de la etapa S, el
enrollamiento continúa,
formando estructuras cada
vez más compactas y de
mayor diámetro.
Finalmente, la molécula
super-enrollada forma una
cromátida.
Como el ADN se ha
duplicado en la etapa S, la
cromátida, con su duplicado,
forma el cromosoma,
observable durante la
división celular.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
24
Durante las etapas G1 y S, el ADN permanece enrollado a nivel de nucleosomas, y es el
estado en el cual son posibles los procesos de Trascripción y de Replicación.
El enrollamiento permite que grandes cantidades de ADN puedan caber en el pequeño
espacio que posee el núcleo.
El empaqueta-miento del ADN tiende a impedir la expresión de la información genética
pues, ya a nivel de los nucleosomas, las histonas deben “aflojar” el paquete para que pueda
producirse la trascripción.
Las células pueden hacer uso de niveles más altos de empaquetamiento para la inactivación
de lo genes a largo plazo. La cromatina altamente compactada, no solamente se encuentra
en los cromosomas durante la división celular, sino también en diversas regiones del
material genético en interfase y, por lo tanto, no se expresa.
Los distintos niveles de empaquetamiento
del ADN reciben nombres diferentes. El
primer nivel, como ya se ha indicado, lo
constituyen los nucleosomas, las unidades
de enrolamiento de la cromatina. Están
formados por un centro o core de histonas
H2A, H2B, H3 y H4, y poseen dos copias
de cada una. Alrededor de ese centro se
enrollan dos vueltas de ADN. Una quinta
histona, la H1, sella la unidad y permite la
conexión entre nucleosomas formando una
estructura conocida como fibra de 11 nm.
Un caso interesante lo constituyen las hembras
de los mamíferos, donde en cada célula
somática el cromosoma X (cromosoma sexual)
está altamente compactado y se encuentra casi
en su totalidad inactivo, incluso durante la
interfase. Esta desactivación del cromosoma X
se inicia en etapas tempranas del desarrollo
embrionario, cuando en cada célula uno de los
dos cromosomas X, de manera aleatoria, se
desactiva.
Las histonas H1 contribuyen a mantener
juntos a los nucleosomas, formados por dos
copias de histonas H2A, H2B, H3 y H4
(octámero) y dos vueltas de ADN cada uno.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
25
El siguiente nivel de empaquetamiento lo constituyen los solenoides o fibras de 30 nm que
se distribuyen alrededor de un eje imaginario.
El nivel que
sigue es el de
los bucles o
lazos, que
consiste en una
serie de asas
de unos 300 nm
de diámetro.
Finalmente,
éstos se superenrollan y
forman los
cromosomas,
que consisten
en dos
moléculas de
ADN (idénticas,
ya que ocurrió
la replicación en
la etapa S),
unidas por una
estructura
llamada
centrómero o
constricción
primaria. En
algunos
cromosomas
pueden
observarse
otras
constricciones
que unen una
pequeña
porción del
cromosoma
llamada
satélite,
relacionada con
las regiones
donde se forma
el nucleolo
(organizadores
nucleolares).
1
2
3
4
5
6
Niveles de enrollamiento de la cromatina.
Un fragmento de ADN (1) se enrolla alrededor de histonas y forma
nucleosomas (2). Luego, éstos se organizan en solenoides (3), que se
compactan en lazos o bucles (4) y, finalmente, forman un cromosoma.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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No todas las moléculas de ADN tienen el mismo número de nucleótidos, y por lo tanto, no
todos los cromosomas alcanzarán el mismo tamaño. Además, la posición del centrómero
puede variar en los distintos cromosomas. De acuerdo con estas variables, se utiliza una
clasificación de cromosomas. Así, los cromosomas pueden agruparse en:
-
-
metacéntricos: el centrosoma se encuentra en la mitad del cromosoma,
determinando brazos de igual longitud. El brazo es la porción de cada cromátide
que se extiende desde el centrómero hasta la región terminal del cromosoma,
llamada telómmero.
submetacéntricos: un par de brazos es ligeramente más corto que el otro
acrocéntricos: un par de brazos es mucho más corto que el otro
telecéntricos: el centrómero se encuentra totalmente desplazado hacia un extremo,
observándose un solo par de brazos.
Tipos de Cromosomas
Según la posición del
centrómero, los cromosomas
se clasifican en distintos
grupos.
Obsérvese que la
constricción primaria es el
centrómero, pero puede
haber constricciones
secundarias, que determinan
porciones cromosómicas
llamadas satélites,
relacionadas con la
organización del nucleolo.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
27
En la naturaleza, cada especie posee, en sus células somáticas, un número característico
de cromosomas de diferentes tipos. La representación gráfica de ese número se llama
cariotipo. El análisis del cariotipo constituye una de las técnicas utilizadas en la
investigación científica y en el diagnóstico de enfermedades genéticas humanas.
Bandas en un cromosoma
Para realizar el cariotipo, se procede a teñir células y, como
resultado de esa tinción, pueden observarse bandas en los
cromosomas, que corresponden a regiones ricas en pares
Adenina-Timina.
Dichas regiones de color oscuro se
denominan “bandas G” y son características de cada
especie.
En 1968 se obtuvo el primer éxito en el
intento de visualizar diferencias de
tinción en los cromosomas. Esta técnica,
denominada bandeo, fue desarrollada
por Casperson en la década de 1970, y
demostró que los cromosomas se tiñen a
lo largo de manera irregular. Existen
distintos tipos de bandeo según el
colorante y el procedimiento empleado .
Mediante esta técnica se pueden
distinguir la eucromatina y la
heterocromatina, y otras características
estructurales.
Cariotipo
Cariotipo de un individuo humano de sexo masculino (contiene un cromosoma Y). Consta de
23 pares de cromosomas. Los pares 1 a 3 son metacéntricos; el 4 y 5 submetacéntricos; el 6 a
12 y el X, submetacéntricos; el 13 a 15, acrocéntricos; el 16 a 18 submetacéntricos a
acrocéntricos; el 19 y 20 submetacéntricos y el 21, 22 y el Y, acrocéntricos.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Los cromosomas de un cariotipo humano se obtienen a partir de células de la médula ósea,
fibroblastos o glóbulos blancos, que, con la droga colchicina, son bloqueadas durante la
división celular, el período de la metafase. Luego se analizan las células en el microscopio
óptico y se las fotografía, recorta y ordenan los cromosomas de a pares según su tamaño.
También se pueden obtener cromosomas del líquido amniótico del útero para realizar un
diagnóstico prenatal.
Los cromosomas humanos se clasifican en seis grupos según el alfabeto, de A a G, de
acuerdo con su tamaño y la ubicación del centrómero.
GRUPO
CROMOSOMAS Nº
TAMAÑO
A
1a3
GRANDE
B
4-5
GRANDE
C
6 a 12 y X
MEDIANO
D
13 a 15
MEDIANO
E
16 a 18
MEDIANO PEQUEÑO
F
19 – 20
PEQUEÑO
G
21 – 22 - Y
PEQUEÑO
EI cariotipo también permite reconocer anormalidades en el número de cromosomas, como
excesos o defectos. Un ejemplo de exceso en el número de cromosomas se manifiesta en el
Síndrome de Down, donde los individuos que presentan un cromosoma de más en el par 21,
sufren retraso mental, entre otras anomalías.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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El Proyecto Genoma: la investigación del ADN humano
El proyecto GENOMA HUMANO tiene como objetivo último la determinación de la secuencia
de todos los nucleótidos que componen el genoma de la especie humana. Este proyecto,
iniciado en el año 1990, se dividió en tres subproyectos específicos. El primero de dichos
subproyectos fue el mapa genético humano, consistente en la obtención de marcadores o
variables en la población, regularmente espaciados a lo largo de los distintos cromosomas.
El segundo fue la obtención del mapa físico humano o colección ordenada de clones de
ADN (copias de fragmentos genómicos) que abarcaran todos y cada uno de los
cromosomas. El tercero y último subproyecto consistía en la secuenciación del genoma
humano y caracterización estructural de todos los genes que lo componen. Los mapas
genético y físico han sido realizados de acuerdo a los objetivos inicialmente propuestos. No
obstante, el mapa físico completo, si bien ha proporcionado una colección de secuencias
únicas que constituyen excelentes marcas genómicas, consta de clones no aptos para su
secuenciación directa debido a su gran tamaño y a la presencia de deleciones en los
mismos. Por ello, la secuenciación del genoma humano se inició a partir de clones más
pequeños (llamados cósmidos) de localización conocida, pero ha sido sólo tras el desarrollo
de unos nuevos vectores, denominados cromosomas artificiales de bacteria (BACs), y se
prevé la finalización de este objetivo último para el año 2005. Asimismo, se ha llevado a
cabo un proyecto encaminado a determinar la totalidad de las secuencias de ADN
expresadas (ESTs), lo que ha permitido marcar los genes humanos y estimar su número. La
información proporcionada por el proyecto GENOMA HUMANO permitirá abordar el estudio
de las distintas funciones del ADN, y, en particular de todos sus genes.
Estos proyectos no sólo son importantes en el estudio biológico de dichos organismos, sino
que además permitirán acelerar el análisis de la función de genes humanos. Asimismo, cabe
destacar los proyectos de secuenciación de determinados virus por su contribución al
desarrollo de terapias y al conocimiento del sistema inmune. La aplicación por excelencia
del proyecto GENOMA HUMANO se encuentra dentro del campo de la Medicina.
Consideremos, por ejemplo, una familia en la que algunos de sus miembros padecen o
presentan predisposición a cierta enfermedad. La existencia del mapa genético humano
proporciona la herramienta necesaria para asociar el fenotipo de la enfermedad con un
marcador polimórfico y determinar la región genómica donde se encuentra el gen
responsable de la alteración genética observada. El conocimiento de los genes existentes
en esa región, obtenido tras la secuenciación del genoma, permitirá disponer de genes
candidatos, entre los cuales se podrá distinguir fácilmente el causante de la enfermedad;
una vez determinado dicho gen, se podrá llevar a cabo el diagnóstico inequívoco de la
enfermedad asociada, así como analizar la función del gen para futuros ensayos de terapia
farmacológica y génica.
Independientemente de su contribución a los campos biológico y clínico, este proyecto ha
impulsado el desarrollo de una serie de tecnologías y programas informáticos que permiten
la generación y análisis de un gran número de datos con la precisión y eficacia requeridas.
En este sentido, cabe destacar la creación de secuenciadores automáticos, estaciones
robóticas, ordenadores y, recientemente, equipos que cuantifican la expresión génica. Esto
ha desembocado en la puesta a punto de Servicios de Secuenciación de ADN y Análisis
Genéticos, que realizan de forma rutinaria una serie de técnicas de genética y biología
molecular, facilitando así la labor de la comunidad científica y médica.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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PROBLEMAS de APLICACIÓN
1. Indique a qué fase del Ciclo Celular corresponde cada uno de los siguientes procesos:
a.
b.
c.
d.
2.
Replicación de las regiones heterocromatínicas.
Regulación del Ciclo Celular.
Finalización de la replicación de todo el ADN.
Detención del Ciclo Celular.
Ubique los siguientes sucesos en el orden cronológico correcto:
a.
b.
c.
d.
e.
Unión de d-ribonucleótidos por complementariedad de bases.
Acción de las helicasas.
Formación de enlaces fosfodiester entre d-ribonucleótidos.
Acción de las ligasas.
Formación de los fragmentos de Okasaki.
3..Indique si la siguiente afirmación es correcta o no y justifique su elección:
“El nucleolo es una región del núcleo que no contiene información genética”
4. Compare los Complejos Pre y Post-replicativos en cuanto a:
a. Momentos del Ciclo Celular en que actúan
b. Proteínas que los forman
c. Función de cada uno
5. Compare la función de la Topoisomerasa con la de la Proteína SSB.
6..Observe el esquema referente al Cariotipo Humano y complete el siguiente cuadro:
GRUPO
CROMOSOMAS Nº
A
1a3
B
4-5
C
6 a 12 y X
D
13 a 15
E
16 a 18
F
19 – 20
G
21 – 22 - Y
TAMAÑO
UBICACIÓN DEL CENTRÓMERO
METACÉNTRICOS
GRANDE
SUBMETACÉNTRICOS
ACROCÉENTICOS
MEDIANO PEQUEÑO
SUBMETACÉNTRICOS a
ACROCÉNTRICOS
ACROCÉNTRICOS CON SATÉLITE –
NO POSEE SATÉLITE
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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AUTOEVALUACIÓN
1. Señale la opción correcta respecto de a
la síntesis de proteínas y la replicación del
ADN:
a. El primer proceso ocurre en G1 y G2 y
el segundo en la etapa S
b. El primer proceso ocurre en G1 y el
segundo en S
c. Ambos procesos ocurren durante toda
la interfase
d. El primer proceso ocurre durante toda
la interfase y el segundo en la etapa S
2. El nucleosoma es:
a. un conjunto de proteínas capaces de
unir una molécula de ADN
b. un conjunto de proteínas capaces de
unir ARN pequeño nuclear
c. la unidad de enrollamiento de la
cromatina
d. ADN super-enrollado
3. Durante la replicación del ADN, todos
los segmentos de ARN:
a. corresponden a cebadores
sintetizados por la ADNpolimerasa
b. aportan el extremo 3´-oH para que
pueda actuar la ADNpolimerasa
c. son los llamados fragmentos de
Okazaki
d. se encuentran únicamente en la
cadena nueva de la molécula de ADN
hija
4. La secuencia de nucleótidos específicos
donde se inicia la replicación del ADN se
conoce como:
a. horquilla de replicación
b. origen de replicación
c. complejo de reconocimiento
d..fragmento de Okazaki
5. La cromatina y los cromosomas se
diferencian en :
a. los genes que los componen.
b. la cantidad de ADN.
c. en el grado de empaquetamiento.
d. en sus componentes básicos.
6. El ADN, en su estado de máxima
condensación :
a. no podrá expresarse pero si duplicarse.
b. podrá expresarse pero no duplicarse.
c. podrá expresarse y duplicarse
d. no podrá expresarse (transcribirse) ni
duplicarse
7..La helicasa abre la cadena de ADN:
a. rompiendo los enlaces covalentes entre
las bases nitrogenadas.
b. rompiendo los enlaces débiles entre las
bases nitrogenadas.
c. al mismo tiempo que disminuye el
super-enrollamiento de las cadenas.
d. al mismo tiempo que se liga a ambas
hebras impidiendo que se unan.
8..Las ligasas:
a. reemplazan al cebador por ADN y luego
lo unen a la cadena de ADN contigua
b. unen las cadenas nuevas de ADN de la
hebra rezagada.
c. unen un cebador a un fragmento de
Okasaki.
d. contribuyen a unir las cadenas
complementarias tras la duplicación.
9. Señale la opción correcta:
a. Las bandas cromosómicas
corresponden a regiones ricas en G-C
b. Un cromosoma con dos brazos será
telecéntrico
c. Los satélites son constricciones
primarias
d. En el cariotipo humano no se observan
cromosomas metacéntricos.
10. El nivel de empaquetamiento que
sigue a los solenoides es:
a. nucleosomas
b. cromosoma
c. cromátida
d. bucle o lazo