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Guía 6
Docente: Diego Cañaveral
Área: Ciencias Naturales
Grado: Noveno
Estándar: Reconoce la importancia del modelo de la doble
hélice para la explicación del almacenamiento y trasmisión del material
hereditario.
Ámbito conceptual: Replicación del ADN.
Indicadores de desempeño
Comprendo el
proceso de replicación del ADN.
Describe términos
fundamentales utilizados dentro de la temática.
Identifico las vías que
constituyen el principio fundamental de la genética molecular.
REPLICACIÓN DEL
ADN
INTRODUCCIÓN
La unidad básica de información en los seres
vivos es el gen, definido en células
eucariotas como un segmento de ADN que lleva la información necesaria para la
síntesis de una proteína o de un ARN. La cantidad, tamaño y distribución de los
genes varía según la especie analizada. En el hombre, el número de genes que
codifican proteínas se calcula que es tan sólo el 3 % del ADN; siendo el resto,
secuencias reguladoras y estructurales.
La comprensión de los mecanismos de almacenamiento
y de las formas de utilización de la información ha servido para poder aclarar
muchas de las incógnitas planteadas sobre la estructura y la función celular.
La célula realiza esta actividad a través de las rutas de la información genética;
estas vías constituyen el principio fundamental de la genética molecular. Son
tres procesos denominados:
a)
Replicación o copia del ADN paterno para formar moléculas de ADN hijas idénticas a
su progenitor, e idénticas entre sí.
b)
Transcripción o copia de la información de una parte
del ADN a moléculas de ARN.
c)
Traducción o copia de la información genética del ARN a la secuencia aminoacídica específica de una proteína.
REPLICACIÓN DEL
ADN
Las propiedades de la replicación son básicamente
iguales en todos los seres vivos, y siendo así que la mayoría de los estudios
se han realizado en Escherichia coli,
se describirá el proceso a nivel del organismo bacteriano; y a continuación, se
indicarán algunas características propias de organismos eucariotas.
Principales características
de la replicación
1)
La replicación es un proceso
semiconservador.
Cada cadena de la molécula de ADN
parental actúa de molde para la síntesis de una nue-va cadena produciéndose dos
nuevas moléculas de ADN, cada molécula nueva posee una cadena vieja y una
nueva.
Las dos cadenas de ADN se replican al
mismo tiempo y comienzan en un punto denominado origen. En dicho punto el ADN
parental se desenrolla y forma una estructura de lazo cuyos extremos se
denominan horquillas de replicación.
En el caso del cromosoma circular bacteriano, el punto inicial de la
replicación es un gen denominado oriC.
3)
La replicación es bidireccional.
Comenzada en un punto de la molécula de
ADN el proceso se desarrolla hacia los dos extremos de la cadena; en cada lazo,
los extremos u horquillas de replicación avanzan en el proceso de síntesis
hasta completar la copia.
4)
La síntesis de ADN se desarrolla en
dirección 5' → 3'.
La dirección en que actúan las enzimas es
fija y única de 5' a 3'. Esto determina que la cadena molde ha de tener la dirección 3'→5', para que la nueva cadena en
formación, complementaria y antiparalela tenga la dirección 5' →3'
coincidente con el sistema de trabajo de la enzima. Al ser la horquilla de
replicación bidireccional, el sistema descrito implicaría que la otra cadena
parental 5'→3'
debería estar siendo copiada en dirección 3'→5', situación imposible debido a la limitación de
las enzimas sintéticas.
5)
La síntesis de ADN es semidiscontinua.
En una cadena, la
inicialmente comentada en el punto anterior, la replicación es continua y en la
segunda la síntesis es discontinua. Esta solución fue descrita por Reiji Okazaki quien encontró que en el
procedimiento de copia de las dos cadenas del ADN parental, se formaba una
cadena nueva continua (también denominada conductora) en la que la síntesis se
desarrolla en la misma dirección de la enzima o de la horquilla de replicación;
mientras que la otra cadena nueva era discontinua (también denominada cadena
rezagada o retrasada) ya que su síntesis se realizaba en contra de la dirección
de la horquilla mediante fragmentos, los
fragmentos de Okazaki, secuencias formadas por unos centenares o miles de
nucleótidos dependiendo de la célula.
ENZIMAS
QUE PARTICIPAN EN LA REPLICACIÓN
ADN polimerasas
La reacción básica que tiene lugar en la
replicación es una reacción de polimerización, de formación de un enlace
fosfodiéster entre nucleótidos. En una cadena de ADN en crecimiento se
incorpora un nucleótido cuya base es la complementaria a la de la cadena molde.
Los nucleótidos que se incorporan han de hacerlo en su forma activada o
uncleótido trifosfatados (dNTP). La reacción que tiene lugar es la siguiente:
ADN (n nucleótidos) + dNTP →
ADN (n+1 nucleótidos) + PPi
La reacción de polimerización es
termodinámica-mente favorable por la hidrólisis del pirofosfato; pero no sólo
por el desdoblamiento del pirofosfato, sino también por las interacciones no
covalentes que se establecen entre las bases. Esta reacción es catalizada por
varias enzimas, las ADN-polimerasas, cada una con un tipo de actividad muy
específica pero con una serie de requisitos de funcionamiento comunes, que son:
1)
Necesitan
una cadena de ADN molde, el proceso
de replicación es dirigido por la cadena de ADN molde, y sigue el principio de
complementariedad de bases fijando el nucleótido que debe incorporarse a la
cadena en formación según tal regla.
Necesitan
una cadena de ADN molde, el proceso
de replicación es dirigido por la cadena de ADN molde, y sigue el principio de
complementariedad de bases fijando el nucleótido que debe incorporarse a la
cadena en formación según tal regla.
2)
Necesitan un
cebador, la polimerización que
realizan estas enzimas requiere que exista una cadena previa inicial (cebador)
ya que son incapaces de coger sobre su centro activo dos nucleótidos
individuales y comenzar la síntesis. Uno de los sustratos necesarios de la
reacción es, por tanto, una cadena preexistente, y ninguna de estas enzimas es
capaz de iniciar la síntesis de una cadena nueva desde su primer nucleótido.
3)
Su dirección
de síntesis es fija de 5'→ 3',
esto significa que adicionan nucleótidos a la cadena siempre por un extremo
fijo, el extremo 3'. O bien, que de los dos extremos del nucleótido libre que
se va a incorporar, utilizan su grupo fosfato o extremo 5' para añadirlo a la
cadena en crecimiento.
4)
La velocidad
con que adicionan nucleótidos, o procesividad,
se mide como el número de nucleótidos incorporados en la unidad de tiempo y es
una característica propia de cada polimerasa.
Una cualidad de todas las ADN-polimerasas es la
precisión con que realizan la replicación, estimándose en Escherichia coli que se comete un error en uno de cada 109
a 1010 nucleótidos, lo cual en el cromosoma de Escherichia coli supone un error cada 1.000 a 10.000 replicaciones.
Estos errores son corregidos por las mismas polimerasas mediante una actividad
enzimática independiente, la actividad exonucleasa 3'a 5';
esta actividad les permite eliminar el último nucleótido incorporado si éste es
erróneo, para a continuación, seguir con la polimerización. Esta capacidad de corrección,
mediante la discriminación entre bases correctas e incorrectas, mejora la
precisión de la replicación. Si se añade el hecho de que, además, existen otros
sistemas de corrección que actúan después de acabada la replicación, puede
observarse la fidelidad y garantía del proceso.
Existen tres polimerasas denominadas ADN polimerasa I (la primera que se
describió), ADN polimerasa II y ADN
polimerasa III. Si se comparan algunas características diferenciales entre
ellas, se puede observar que la ADN polimerasa III es la más compleja. Está
formada por diez subunidades diferentes y tiene una capacidad de polimerización
infinitamente superior a cualquiera de las otras dos, siendo, por tanto, la
principal enzima de la replicación.
La ADN polimerasa I es importante por su tarea de
corrección, capaz de realizarla tanto en la dirección descrita como en la
dirección contraria, debido a que posee la actividad exonucleasa 5'→3',
careciendo de la misma el resto de polimerasas.
Otros enzimas que participan en el proceso
de replicación
Para la replicación se necesitan, aparte de las
ADN polimerasas descritas, alrededor de 20 pro-teínas diferentes, el conjunto
de las mismas se denomina sistema ADN replicasa o replisoma ya que aunque no
formen una unidad física, constituyen una unidad funcional.
Dentro de las enzimas que participan están:
1)
Helicasas,
enzimas que separan las dos cadenas de la molécula de ADN parental.
Despla-zándose a lo largo de la molécula de ADN eliminan los enlaces entre las
cadenas consu-miendo en el proceso ATP.
2)
Topoisomerasas, enzimas que desenrollan el ADN y lo relajan. Existen cuatro
topoisome-rasas (I a IV) que actúan eliminando superenrollamientos negativos; o
bien induciéndolos, dependiendo del grado de plegamiento que tenga el ADN en su
estado natural.
3)
Proteínas fijadoras de ADN, proteínas que estabilizan las cadenas separadas
uniéndose a ellas.
4)
Primasas,
enzimas que sintetizan el cebador, éste suele ser un corto fragmento de ARN, necesario para que pueda comenzar la
ADN polimerasa III, y que posteriormente será eli-minado y sustituido por un
fragmento de ADN por la ADN polimerasa I.
5)
ADN ligasas, enzimas que se encargan de unir trozos formados de cadenas,
realizando un enlace fosfodiéster
entre los nucleótidos pertenecientes a dos segmentos de una cadena.
Todas estas enzimas participan en el proceso de
la replicación de forma coordinada, permitiendo que se desarrolle de una manera
secuencial y organizada.
FASES DE LA REPLICACIÓN
Se pueden distinguir tres fases según las enzimas que participan en
las mismas:
1. Fase de inicio
El origen de la replicación es una porción de ADN
que contiene una secuencia característica de bases. Este segmento es reconocido
por una proteína denominada ADN-A.
2. Fase de elongación
La elongación consiste en la formación del
cebador y la síntesis de la cadena de ADN. El proceso se caracteriza por no
desarrollarse de forma idéntica en ambas hebras. La síntesis en la cadena
conductora o continua requiere únicamente que actúe la primasa formando un
cebador de ARN de unos 10 a 60 nucleótidos, para a continuación penetrar la ADN
polimerasa III y realizar la polimerización de desoxirribonucleótidos.
En la cadena retrasada se forma un conjunto
proteico en el que se localizan siete proteínas distintas además de la primasa
(primosoma). Este grupo se desplaza a lo largo del molde de la hebra retrasada
en dirección 5' →3' sintetizando a intervalos un corto cebador de
ARN, al que se unirá ADN formado por la ADN polimerasa III. El hecho de que las
direcciones de trabajo de la primasa y la polimerasa sean contrarias a la
dirección de crecimiento de la hebra, y de que el proceso sea uniforme en ambas
hebras, viene justificado por el hecho de que la ADN polimerasa III es una
proteína dimérica. Esta enzima obliga a la cadena molde de la hebra retrasada a
formar un bucle sobre la misma. De esta forma, la dirección de síntesis es la
misma en ambas hebras. Al ir desarrollándose la polimerización el bucle aumenta
hasta contactar con el fragmento de Okazaki previo, forzando a la polimerasa a
separarse o disociarse y a recomen-zar de nuevo el proceso dónde se ha formado
el nuevo cebador y ella creará el nuevo bucle.
En una fase posterior se eliminan los segmentos
de ARN cebador, por acción de la actividad exonucleasa 5'→3' de la ADN
polimerasa I, quien también se encarga de rellenar los trozos ocupados por el
cebador. Por último, la ADN ligasa une los segmentos catalizando la formación
de un enlace fosfodiéster.
3. Fase de terminación
En el caso de Escherichia
coli con un cromosoma circular, las dos horquillas de la replicación se
encuentran en el extremo contrario al origen terminando así la replicación y
necesitando, únicamente, la presencia de una topoisomerasa para la separación
de las dos moléculas.
REPLICACIÓN EN
CÉLULAS EUCARIOTAS
Las moléculas de ADN en células eucariotas son
mucho mayores y más complejas ya que el proceso de la replicación es bastante
más complicado.
Los orígenes de la replicación son secuencias
mayores, en levaduras de unos 400 pares de ba-ses, que se presentan en varios
puntos de los cromosomas. La velocidad de desplazamiento de la horquilla de
replicación es de unos 50 nucleótidos por segundo, una velocidad relativamente
baja si se compara con la de los procariotas (10 veces mayor). Para incrementar
la velocidad global del proceso, en eucariotas existen varios puntos de origen
sobre la misma molécula de ADN, estando separados entre 30.000 y 300.000 pares
de bases. La presencia de múltiples horquillas de replicación acelera el
proceso, y permite que la replicación en eucariotas se des-arrolle a
velocidades mayores que en los procariotas.
Los fragmentos de Okazaki en el ADN eucariota son
más cortos, generalmente contienen 135 nucleótidos, debido a que la horquilla
de replicación se mueve más despacio.
También se han descrito diferencias respecto a
las ADN polimerasas en eucariotas, la ADN polimerasa α es una proteína
oligomérica, en la que una de sus subunidades tiene acción primasa.
Por último, el ADN eucariota está unido a las
histonas y empaquetado en los nucleosomas. El proceso de replicación ha de ir
acompañado por el proceso de síntesis de histonas, ya que en cada ciclo de
replicación no sólo se ha de duplicar el ADN sino también las histonas. Las
enzimas que desarrollan ambos procesos son distintas pero han de ir
coordinadas, ya que la velocidad debe ser igual. Las histonas recién
sintetizadas se incorporan a la molécula de ADN que lleva la hebra retrasada,
mientras que las viejas histonas permanecen en el dúplex que lleva la hebra
conductora.
El mantenimiento de la información
codificada en el ADN es absolutamente imprescindible para la célula, ya que
éstas son moléculas insustituibles.
Una alteración en la molécula de ADN
produce un cambio en la secuencia de bases, que en el caso de que la molécula
se replique se transmite a las generaciones futuras. Los cambios permanentes se
denominan mutaciones. Si la mutación
se produce sobre ADN que no es relevante, o bien tiene un efecto pequeño sobre
un gen, la mutación se denomina “silenciosa”, por carecer de efectos aparentes.
Si la mutación es favorable aporta ventajas adaptativas a las células o al
organismo que la desarrolla, y si bien estas mutaciones son raras, por lo
estables que son las moléculas de ADN y por los mecanismos de reparación
existentes, su existencia ha permitido la variación necesaria para el desarrollo
de la evolución de las especies. Sin embargo, la mayoría de las mutaciones son
deletéreas para la célula, y en los mamíferos está comprobada una estrecha
correlación entre la acumulación de mutaciones y el cáncer.
A lo largo de tan solo un día se acumulan gran
cantidad de lesiones sobre el genoma celular; se estima que cada veinticuatro
horas se pierden alrededor de 5000 bases púricas por destrucción de sus enlaces
glicosídicos con la desoxirribosa. Sin embargo, gracias a los mecanismos de
reparación, estas lesiones son eliminadas prácticamente en su totalidad, las
que no lo son se convierten en mutaciones. Existen varios tipos de mutaciones,
clasificadas según el tipo de cambio que se produce sobre la molécula de ADN:
1)
Sustitución de una base por otra:
a)
Transición
si el cambio es de una base por otra del mismo grupo, base púrica por base
púrica o pirimidínica por pirimidínica.
b)
Transversión, si el cambio es de base
púrica a pirimidínica, o a la inversa.
2)
Inserción de un par de bases, o adición
de nucleótidos.
3)
Delección de un par de bases o
eliminación de nucleótidos.
La reparación del ADN es posible debido a la
existencia de hebras dobles que funcionan como moldes ya que en caso de que una
de ellas sufra algún tipo de lesión, puede eliminarse y sus-tituirse por una
correcta, utilizando la información de la hebra complementaria.
a)
Reparación de apareamientos incorrectos.
b)
Reparación por corte de base.
c)
Reparación de grandes lesiones.
d)
Reparación directa.
e)
Reparación por recombinación.
Videos complementarios.
ACTIVIDAD
- Define los siguientes términos: Replicación,
Transcripción, traducción, topoisomerasas, Primasas,
gen, cebador.
- Existen tres polimerasas denominadas ADN
polimerasa, que características diferenciales se presentan entre ellas.
Lee a siguiente información y, con base en ella,
realiza las actividades.
La secuencia de ADN que se muestra a continuación
pertenece a un en que tiene la información para fabricar una de las cadenas de
hemoglobina normal:
GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG
CAC GTG GAC GTA GGA CTC CTC
La siguiente secuencia de AND pertenece a un gen
que, al traducirse, produce hemoglobina anormal y desarrolla la enfermedad
conocida como anemia falciforme, caracterizada por la formación de glóbulos
rojos deformes.
GTC CAC CTG ACT CCT GTG GAG
CAC GTG GAC TGA GGA CAC CTC
·
Compara
las cadenas de ADN y encierra e triplete que contiene el error.
·
Escribe
la secuencia de ARN mensajero que se fabrica a partir de la última hebra de
ADN.
·
Teniendo
en cuenta la forma como se produce la anemia falciforme, ¿consideras que es
posible curar esta enfermedad con medicamentos? Sustenta tu respuesta con dos
razones.
La actividad
se debe entregar preferiblemente en un trabajo escrito en Word, de no tener la
forma realizarlo a mano con letra legible y en forma ordenada. (Recordar marcar
el trabajo con nombre completo y grado).
Enviar el
trabajo al correo. cienciasnaturalestoe@gmail.com o al whatsApp 3116271804 (Recordar identificarse nombre completo y
grado).
Fecha límite
de entrega: 12 de junio 11 am.
BIBLIOGRAFIA
En estas
páginas podrás profundizar más sobre el tema.
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Realicen esos archivos en tipo documento en diapositivas es desorganizado y hay que esforzrse para poder ver
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