Replicación del ADN: Proceso, Características y Fases

La replicación del ADN es un proceso que tiene lugar antes de la división celular, durante la fase S del ciclo celular. Su significado biológico consiste en sintetizar, a partir de una molécula inicial de ADN, dos moléculas idénticas entre sí. La finalidad es asegurar que las células hijas tengan la misma información genética que la célula madre.

Características de la Replicación del ADN

• Las dos cadenas de ADN se separan para replicarse y fabricar una nueva, donde las bases nitrogenadas se aparean según la regla de complementariedad: Adenina-Timina (A-T) y Guanina-Citosina (G-C).
• Se duplica la secuencia de nucleótidos con exactitud, manteniendo constante la información genética.
• Inicialmente se propusieron tres modelos de replicación:
  • Conservativa: La doble hélice original permanece y se origina una doble hélice nueva.
  • Semiconservativa: Propuesta por Watson y Crick. Cada nueva molécula de ADN tiene una cadena original y una recién sintetizada.
  • Dispersiva: Las cadenas de las moléculas hijas de ADN tienen fragmentos de la molécula madre y fragmentos nuevos.
• Ocurre según un modelo semiconservativo: la nueva cadena se sintetiza tomando como molde la cadena antigua.
• Cadena conductora: Se sintetiza de forma continua.
• Cadena retardada: Se sintetiza por fragmentos (fragmentos de Okazaki) que después se unen.
• Las dos cadenas del ADN son antiparalelas y se sintetizan en sentido 5’→3′.
• Es bidireccional a partir de una señal de iniciación, formándose dos horquillas de replicación. A medida que avanza la replicación, las horquillas se mueven a lo largo del ADN en sentido opuesto, formando «burbujas de replicación».
• Ocurre con fidelidad, ya que existen mecanismos de autocorrección de errores.
• Adición de mononucleótidos en sentido 5’→3′.

Enzimas que Intervienen en la Replicación

• Nucleasas: Rompen los puentes de hidrógeno.
• Ligasas: Unen fragmentos de ADN formando enlaces fosfodiéster.
• Primasas: Sintetizan el ARN cebador (molde de ADN).
• Helicasas: Permiten la separación de las hebras.
• Topoisomerasas: Eliminan las tensiones generadas en la doble hélice.
• Proteínas SSB: Se unen a la cadena sencilla de ADN, estabilizándola.
• ADN polimerasas: Solo son capaces de unir nucleótidos al extremo 3′ libre de un pequeño fragmento de ARN ya formado (cebador). Son responsables de la síntesis de la nueva cadena y de la corrección de errores.

Corrección de Errores

• La selección de nucleótidos que realiza la ADN pol III le da estabilidad al complejo formado por la ADN pol III, el ADN molde y el dNTP (previene errores).
• La corrección de pruebas que realiza la ADN pol I, mediante su acción exonucleasa. Si hay un nucleótido emparejado incorrectamente, se detiene la adición del siguiente y la exonucleasa tiene tiempo de retirarlo (previene errores).
• La reparación de apareamientos incorrectos. En eucariotas es desconocido, en E. coli las enzimas deben reconocer, eliminar y sustituir el nucleótido mal emparejado por el correcto. En procariotas, algunos nucleótidos se metilan después de la síntesis del ADN; la cadena nueva y la vieja se diferencian en el grado de metilación (corrige los errores).

Replicación en Eucariotas y Procariotas

Eucariontes

• El ADN está formado por nucleosomas.
• Existen 5 tipos de ADN polimerasa, incluyendo la que participa en la replicación del ADN mitocondrial.
• Fases:
  • Iniciación: Existen diferentes puntos de iniciación, por lo que se produce en varias regiones a la vez (replicones). Esto asegura una mayor rapidez del proceso, ya que los cromosomas contienen moléculas de ADN muy largas.
  • Elongación: Síntesis de los nuevos fragmentos con la enzima primasa, que sintetiza un pequeño fragmento de ARN cebador.

Procariontes

• El ADN es circular.
• Existen 3 tipos de ADN polimerasa, con actividad polimerasa y actividad exonucleasa.
• Fases:
  • Iniciación: Existe un solo punto de inicio del proceso (virus y bacterias). Este punto es una región del cromosoma bacteriano llamada oriC, rica en las bases GATC.
  • Elongación.

Diferencias entre la Replicación en Procariotas y Eucariotas

• Número de puntos de origen de la replicación.
• Tamaño de los fragmentos de Okazaki.
• Tipos de enzimas ADN polimerasas.
• Lugar donde sucede el proceso.
• Coordinación con la síntesis de histonas en eucariotas. Los cromosomas de los eucariotas dificultan la progresividad de la ADN polimerasa y requieren que la replicación esté coordinada con la síntesis de histonas.
• Eucariotas: muchos puntos de fusión. Procariotas: solo uno.
• Eucariotas: muchas unidades de replicación (replicones), un punto de origen y dos de terminación.

Transcripción

La transcripción es el proceso mediante el cual se «copia» la información genética contenida en el ADN, formando los diferentes tipos de ARN. Tiene lugar en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma de las procariotas.

Etapas de la Transcripción

• Iniciación: La ARN polimerasa reconoce centros promotores en el ADN. La ARN polimerasa hace que la doble hélice se abra para permitir la lectura de la secuencia de bases del ADN y se incorporan los ribonucleótidos que se van a unir (se inicia el proceso de transcripción).
• Elongación: Crecimiento de la cadena de ARN por adición de ribonucleótidos. La cadena crece en dirección 5’→3′ y se lee el ADN en dirección 3’→5′ (se produce gracias a la actuación de la ARN polimerasa).
• Terminación: La ARN polimerasa reconoce señales de terminación y finaliza el proceso. En eucariontes: adición de una «caperuza» (extremo 5′) y poliadenilación (extremo 3′): se unen muchos nucleótidos iguales (AAAA…). Es un proceso de maduración donde se eliminan los intrones (regiones no codificantes).

Elementos Necesarios para la Transcripción

• Cadena de ADN que actúe como molde (solo se transcribe una de las cadenas).
• Ribonucleótidos trifosfato (A, G, C, U).
• Enzimas específicas llamadas ARN polimerasas.

Tipos de ARN Polimerasas y Maduración

• En procariontes:
  • ARN polimerasa (ARN poli).
  • Maduración: El ARNm puede ser traducido directamente y formar una proteína funcional. No hay maduración de los mensajeros. Sin embargo, cuando se transcribe el ADN que codifica los ARNt y ARNr, se forma una larga molécula de ARN que contiene copias de las secuencias del ARNr o ARNt. El transcrito primario se corta en fragmentos más pequeños por enzimas específicas, dando lugar a distintos ARNt y ARNr.
• En eucariontes:
  • ARN pol I: Formación de ARNr.
  • ARN pol II: Formación del ARNm, que sufre un proceso de maduración durante el cual se eliminan los intrones.
  • ARN pol III: Formación de ARNt.
  • Maduración: Es más compleja porque las proteínas están fragmentadas y el ARNm transcrito primario está formado por intrones y exones. Su maduración consiste en la eliminación de los intrones y la unión de los exones mediante un proceso de «corte y empalme» (splicing). Requiere la presencia de una enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). El proceso comienza cuando las secuencias intrónicas forman bucles que provocan el acercamiento de los extremos de los exones y su unión para formar un ARNm maduro.

Traducción

La traducción es el proceso de «lectura» o decodificación del mensaje contenido en el ARNm y la síntesis de la proteína correspondiente. Tiene lugar en el citoplasma y en el interior de orgánulos como cloroplastos y mitocondrias. Se realiza en los ribosomas.

Componentes Necesarios para la Traducción

• Ribosomas: Orgánulos citoplasmáticos formados por dos subunidades (una pequeña y otra grande), constituidas por ARNr específicos y proteínas. La subunidad pequeña se une al ARNm, y en la subunidad grande, los aminoácidos forman la cadena polipeptídica.
• ARN mensajero (ARNm): Molécula que contiene codificada la información genética. Tres bases del ARNm constituyen un codón, que codifica para un aminoácido.
• ARN transferente (ARNt): Transporta los aminoácidos y los incorpora a la proteína. Contiene un anticodón, un triplete de bases complementario al codón del ARNm.
• Aminoácidos: Componentes de las proteínas. Su activación consiste en la unión de un aminoácido con su ARNt correspondiente, catalizada por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa.
• Enzimas y energía: Necesarias en toda la reacción de biosíntesis.

Sitios en el Ribosoma

• Sitio E: Se sitúa el ARNt antes de salir del ribosoma.
• Sitio P: Se sitúa la cadena polipeptídica en formación (peptidil).
• Sitio A: Entran los aminoácidos que se van a unir a la cadena proteica (aminoacil).

Etapas de la Traducción

• Iniciación: La síntesis se inicia cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto localizado cerca del codón iniciador (AUG). Entra en el sitio P del ribosoma un primer aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al codón iniciador. El ARNt lleva unido el aminoácido N-formilmetionina en procariontes; en eucariontes, es la metionina. La subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el primer aminoacil-ARNt forman el complejo de iniciación. Después, se une la subunidad grande del ribosoma. (Existe un codón de inicio = AUG).
• Elongación: Consiste en el alargamiento de la cadena proteica. Se inicia cuando un segundo aminoacil-ARNt entra en el ribosoma y ocupa el sitio A, que está libre. Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido que ocupa el sitio P y el nuevo aminoácido que ocupa el sitio A. La reacción de formación del nuevo enlace peptídico está catalizada por la enzima peptidiltransferasa, cuya actividad catalítica reside en el ARN que forma parte de esta subunidad (ribozima). Como consecuencia, el segundo ARNt queda unido por un extremo al dipéptido formado y a su codón complementario. Se produce la translocación del ribosoma. Esto implica el desplazamiento del ribosoma a lo largo del ARNm en sentido 5’→3′. (Alargamiento de la cadena peptídica).
• Terminación: Tiene lugar cuando el ribosoma llega a un lugar del ARNm donde se encuentra un codón de terminación (UAG, UAA, UGA), que no es reconocido por ningún ARNt, sino por factores de liberación de naturaleza proteica. Una vez completada la traducción, la proteína formada, el ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma, que se disocia en sus dos subunidades hasta el momento en que se inicie una nueva síntesis.

Tanto en procariontes como en eucariontes, el ARNm es largo y puede ser leído por más de un ribosoma a la vez. En los procariontes, al no haber división celular entre núcleo y citoplasma, la traducción es simultánea a la transcripción: el ARNm comienza a traducirse antes de que termine la transcripción. (Se produce cuando el ribosoma llega a una señal de finalidad: UAG, UAA, UGA).

Mutaciones

Las mutaciones son alteraciones o modificaciones que se producen en el material genético de un individuo. Aportan variabilidad genética.

Clasificación de las Mutaciones

• Según su origen:
  • Espontáneas o naturales: Se producen de forma natural por errores en la replicación (cambios químicos) y en la meiosis.
  • Inducidas o artificiales: Se producen por la actuación de agentes mutagénicos: agentes físicos o químicos que afectan o alteran la estructura del ADN.
• Según el tipo de célula afectada:
  • Somáticas: No se heredan.
  • Germinales: Se heredan.
• Según la viabilidad del mutante:
  • Letales: Producen la muerte.
  • Patológicas: Producen enfermedades.
  • Inocuas: No producen perjuicios y pueden ser beneficiosas.
• Según la extensión del material genético afectado:
  • Génicas o puntuales: Alteran la secuencia de nucleótidos de un solo gen.
    • Tipos:
      • Sustitución: Cambios de una base nitrogenada por otra.
      • Adición: De un nucleótido.
      • Deleción: Pérdida de un nucleótido.
      • Errores de lectura: Aparecen espontáneamente durante la replicación del ADN y son debidos a cambios tautoméricos y de fase.
      • Lesiones fortuitas: Son alteraciones de la estructura de uno o varios nucleótidos, que aparecen espontáneamente, aunque no se esté replicando el ADN.
      • Transposiciones: Son elementos genéticos que cambian de lugar para producir mutaciones. La zona sufre una deleción y la zona en la que se inserta sufrirá una adición. Si el transposón se inserta en el interior de un gen, este perderá su función. Si el transposón se mueve de nuevo, puede recuperar la función del gen.
  • Cromosómicas: Son cambios en la estructura de los cromosomas.
    • Deleción: Se produce por la pérdida de un fragmento del cromosoma.
    • Duplicación: Se forma por la repetición de un segmento de un cromosoma, con lo que la cantidad de material genético aumenta.
  • Genómicas: Afectan al número total de cromosomas.
    • Aneuploidías: Los individuos afectados presentan algún cromosoma de más o de menos.
      • Nulisomía: Falta un par de cromosomas homólogos (2n-2) → 44 cromosomas (c).
      • Monosomía: Falta un solo cromosoma (2n-1) → 45c.
      • Disomía: Se da en organismos haploides que tienen una pareja de cromosomas homólogos (n+1) → 46c.
      • Trisomía, etc.: Existe un cromosoma de más, o dos… (2n+1, 2n+2…) → 47c.
    • Por alteración en los autosomas:
      • Síndrome de Down: Corresponde a una trisomía del cromosoma 21 (47c). Las personas presentan un grado variable de retraso mental y un rostro con cierto aspecto oriental.
    • Por alteraciones en los heterocromosomas:
      • Síndrome de Klinefelter: Dos cromosomas X y uno Y (44 autosomas + XXY). Son hombres con retraso mental, estériles y con genitales poco desarrollados.
    • Se pueden producir:
      • Fusión céntrica: Es la unión de dos cromosomas no homólogos, con pérdida del centrómero de uno de los dos.
      • Fisión céntrica: Es la escisión de un cromosoma en dos. Da lugar a un nuevo centrómero.
      • Segregación errónea durante la meiosis: Es la repartición errónea de las cromátidas homólogas entre las células hijas durante la meiosis; mientras a una célula van las dos cromátidas, la otra célula no recibe ninguna.
    • Euploidías: Son alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas.
      • Monoploidía: Se produce cuando las células presentan un solo juego de cromosomas.
      • Poliploidía: Consiste en la presencia de más de dos juegos cromosómicos.
        • Autopoliploidía: Todos los juegos cromosómicos proceden de la misma especie.
        • Alopoliploidía: Los juegos cromosómicos proceden de dos especies diferentes.

El Núcleo

El núcleo es un orgánulo membranoso típico de la célula eucariota que alberga el material genético (ADN). Su función principal es actuar como centro de control celular e interviene activamente en el desarrollo y la división celular.

Estructura del Núcleo

• Envoltura nuclear: Permite el intercambio de sustancias con el citoplasma. Es una doble membrana que deja un espacio llamado perinuclear entre ellas. Está interrumpida por «poros», resultado de la fusión de ambas membranas en algunos puntos.
• Cromatina: Es ADN asociado a proteínas histonas y no histonas (estructura en «collar de perlas»).
  • Histonas: Son proteínas muy básicas.
  • No histonas: Son proteínas muy escasas.
  • Tipos:
    • Eucromatina (10%): Zonas de cromatina donde se produce la transcripción; aspecto difuso.
    • Heterocromatina (90%): Áreas más densas, altamente condensadas y que no se transcriben.
      • Constitutiva: No se transcribe nunca.
      • Facultativa: Conjunto de genes que se inactivan durante la diferenciación celular.
• Nucleoplasma: Medio interno del núcleo constituido por agua, proteínas, nucleótidos… (contiene la maquinaria enzimática para la replicación y la transcripción).
• Nucléolo: Estructura esférica visible en el núcleo cuya función es la síntesis de ARNr y el ensamblaje de las subunidades ribosómicas.
• Cromosomas metafásicos: Están constituidos por dos cromátidas paralelas entre sí, resultado de la duplicación del material genético, y separadas por la zona donde permanecen unidas.
• Centrómero: Divide al cromosoma en dos brazos del mismo o diferente tamaño. Contiene heterocromatina constitutiva. Se localiza una estructura de naturaleza proteica llamada cinetocoro, que constituye los puntos desde los cuales polimerizan los microtúbulos que intervienen en la separación de los cromosomas durante la anafase de la mitosis y de la meiosis.
• Telómeros: Son estructuras protectoras, situadas en los extremos del cromosoma eucariótico, que evitan que se pierda información de los extremos en el ciclo de la replicación. Sus funciones son: son esenciales para la duplicación del cromosoma, protegen a los cromosomas contra las nucleasas, evitan que los extremos de los cromosomas se fusionen entre sí y facilitan la interacción entre los extremos y la envoltura nuclear.

Tipos de Cromosomas

• Índice de proporcionalidad de brazos: Indica la relación que existe entre la longitud del brazo corto y el brazo largo de un mismo cromosoma.
• Índice de proporcionalidad centromérica: Indica la relación entre la longitud del brazo corto y la longitud total del cromosoma.

El Ciclo Celular

La división celular permite obtener dos células hijas idénticas a su progenitora a partir de una célula. Supone para la célula madre:

• Duplicar su material hereditario, que ha de repartirse equitativamente entre las células hijas (cariocinesis).
• Dividir en dos su citoplasma (citocinesis).

El ciclo celular es un conjunto de cambios que sufre una célula desde que se ha formado, por división de otra preexistente, hasta que se divide para dar origen a dos células hijas. Su duración varía entre unas pocas horas y varios años, según el tipo celular. En las células eucarióticas, se divide en:

• Interfase: En la que la célula crece y sintetiza diversas sustancias.
• Fase M: Ocurren la mitosis y la citocinesis; no suele durar más de una o dos horas.

La duración del ciclo celular depende de la duración de la interfase.

Control del Ciclo Celular

Algunas células se dividen con frecuencia, pero hay otras que no se dividen nunca, como las neuronas. Estas diferencias en el ciclo celular son el resultado de un control que se efectúa a nivel molecular y está regulado por un conjunto de proteínas citoplasmáticas que funcionan de forma cíclica.

Interfase

Es el periodo de tiempo que transcurre entre dos mitosis sucesivas y ocupa la mayor parte del ciclo celular. Hay una gran actividad metabólica; la célula aumenta de tamaño y duplica su material genético, preparándose para la división celular.

• Fase G1: Se sintetizan las proteínas necesarias para que la célula aumente de tamaño. Comienza cuando termina la fase M y dura hasta que se inicia la replicación del ADN. Su duración es variable. En las células que no entran nunca en mitosis, esta fase es permanente y recibe el nombre de G0; entonces, la célula se encuentra en estado de reposo. Se da en células que han sufrido un proceso importante de diferenciación, como las neuronas o las fibras musculares estriadas.
• Fase S: Se produce la replicación del ADN y se sintetizan las histonas. En mamíferos dura unas 7 horas. Como resultado de la replicación, cada cromosoma está formado por dos cromátidas unidas por el centrómero.
• Fase G2: Tiene una duración muy corta y la célula puede aumentar ligeramente de tamaño. Se transcriben y traducen genes que codifican las proteínas necesarias para que la célula se divida, y se duplican los centriolos. Finaliza en el momento en que se inicia la condensación de los cromosomas para comenzar la mitosis.

Mitosis y Meiosis: Comparación