REPLICA Y REPARACION DEL DNA

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B O S Q U E J O D E L C A P Í T U L O
 13.1 Replicación de DNA
 13.2 Replicación de DNA en células 
bacterianas
 13.3 La maquinaria que opera en la 
horquilla de replicación
 13.4 Estructura y funciones de las 
DNA polimerasas
 13.5 Replicación en los virus
 13.6 Replicación del DNA en las célu-
las eucariotas
 13.7 Estructura y replicación de cro-
matina
 13.8 Reparación del DNA
 13.9 Entre la replicación y la repara-
ción
 13.10 PERSPECTIVA HUMANA: 
Consecuencias de las deficien-
cias de reparación del DNA
Replicación y reparación 
de DNA
Fuente: (izquierda) Eamonn M. McCormack/Getty Images, Inc.; (dere-
cha) Evan Oto/Science Source Images
PRUEBA BRCA1 Y RIESGO DE 
CÁNCER DE MAMA
Cada vez que nuestras células se dividen, necesitan hacer 
una copia exacta de nuestro genoma. Los errores en la se-
cuencia del genoma pueden iniciar a las células por el camino 
a convertirse en cáncer al mutar los genes que controlan la di-
visión celular. Por tanto, es fundamental que nuestro genoma 
se copie con precisión cuando las células se dividen y se repa-
re cualquier daño en el DNA que pueda cambiar la secuencia 
de nuestro genoma. El daño al DNA puede ocurrir en respues-
ta a la luz del sol o la radiación, pero también puede ocurrir al 
azar sin ninguna causa externa. Sin importar la causa, nuestras 
células necesitan reparar el daño, y si no pueden, entonces 
nuestros genomas acumulan mutaciones o reordenamientos cromosómicos que pueden conducir directamente al cáncer. Las mu-
jeres con alelos particulares del gen BRCA1 involucrados en la reparación del DNA, tienen un riesgo de tres a siete veces mayor 
de desarrollar cáncer de mama (la abreviatura “BRCA” significa “cáncer de mama”). Este descubrimiento condujo a pruebas genéti-
cas simples para las anomalías BRCA1, que proporcionan un sistema de alerta temprana para el alto riesgo de cáncer de mama. 
Pero esta prueba crea una situación en la que muchas personas descubren que tienen un riesgo elevado de cáncer de mama 
aunque en ese momento realmente no lo tengan. ¿Qué puede hacer alguien que descubre que está en riesgo? Un enfoque extre-
mo es extirpar ambos senos quirúrgicamente, un método conocido como mastectomía preventiva. Este enfoque quirúrgico efecti-
vamente reduce el riesgo de cáncer en 90% para pacientes en riesgo. Una opción menos invasiva es que los pacientes con 
anomalías genéticas BRCA1 se sometan a exámenes de detección más frecuentes para detectar cualquier tipo de cáncer que pue-
da desarrollarse, en una etapa más temprana y más tratable. A nivel de sociedad, todavía estamos aprendiendo la mejor forma de 
utilizar el diagnóstico genético de riesgo. Es una decisión compleja que cada individuo debe tomar por sí mismo, pero ayuda al pú-
blico a comprender los problemas y riesgos. En el caso de las pruebas genéticas BRCA1, el problema fue dramáticamente expues-
to al público por la actriz Angelina Jolie, que eligió someterse a una mastectomía preventiva después de descubrir que tenía una 
anomalía genética BRCA1. Puede leer sobre su decisión en un artículo que escribió para el New York Times: http://www.nytimes.
com/2013/05/14/opinion/mymedicalchoice.html? _R = 2&. En este capítulo se discutirá cómo se replica el DNA con un alto nivel de 
precisión para evitar errores y cómo se reparan los errores o daños en nuestro DNA.
13.1 • Replicación de D
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51313.1 Replicación de DNA
La reproducción es una propiedad fundamental de todos los sis-
temas vivos. El proceso de reproducción se puede observar en 
varios niveles: los organismos se duplican por reproducción 
asexual o sexual, las células se duplican por división celular y el 
material genético se duplica por la replicación del DNA. La ma-
quinaria que replica el DNA también se llama a la acción en otra 
capacidad: reparar el material genético después de que ha sufrido 
daños. Estos dos procesos —la replicación del DNA y su repara-
ción— son los temas que se abordan en este capítulo.
Se presume que la capacidad de autoduplicación fue una de 
las primeras propiedades críticas que apareció en la evolución 
de las primeras formas de vida primitiva. Sin la capacidad de 
propagarse, cualquier conjunto primitivo de moléculas biológicas 
estaría destinado al olvido. Los primeros portadores de informa-
ción genética eran probablemente moléculas de RNA que podían 
autorreplicarse. A medida que progresó la evolución y las molé-
culas de RNA se reemplazaron por moléculas de DNA como ma-
terial genético, el proceso de replicación se hizo más complejo y 
requirió una gran cantidad de componentes auxiliares. Por tanto, 
aunque una molécula de DNA contiene la información para su 
propia duplicación, carece de la capacidad de realizar la actividad 
en sí misma. Como lo expresó Richard Lewontin, “la imagen co-
mún del DNA como una molécula que se autorreplica es casi tan 
cierta como describir una carta como un documento autorrepli-
cante. La carta necesita una fotocopiadora; el DNA necesita una 
célula”. Se verá entonces cómo la célula lleva a cabo esta actividad.
La propuesta de Watson y Crick para la estructura del DNA 
en 1953 estuvo acompañada por un mecanismo sugerido para su 
“autoduplicación”. Las dos hebras de doble hélice se mantienen 
unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases. Individualmente, 
estos enlaces de hidrógeno son débiles y se rompen fácilmente. 
Watson y Crick previeron que la replicación ocurrió por la sepa-
ración gradual de las hebras de doble hélice (véase FIGURA 13-1), 
muy similar a la separación de dos mitades de una cremallera. 
Debido a que las dos hebras son complementarias entre sí, cada 
hebra contiene la información requerida para la construcción de 
la otra. Por tanto, una vez que las hebras se separan, cada una 
puede actuar como una plantilla para dirigir la síntesis de la hebra 
complementaria y restaurar el estado de doble hebra.
La propuesta de Watson-Crick mostrada en la figura 13-1 hi-
zo ciertas predicciones sobre el comportamiento del DNA du-
rante la replicación. De acuerdo con la propuesta, cada hija dú-
plex debe consistir en una hebra completa heredada del dúplex 
parental y una hebra complementaria completa recién sintetiza-
da. Se dice que la replicación de este tipo (consúltese FIGURA 13-2, 
esquema 1) es semiconservativa porque cada hija dúplex con-
tiene una hebra de la estructura parental. A falta de información 
sobre el mecanismo responsable de la replicación, se tuvieron 
que considerar otros dos tipos de replicación. En la replicación 
conservativa (véase figura 13-2, esquema 2), las dos hebras origi-
nales permanecerían juntas (después de servir como plantillas), 
al igual que las dos hebras recién sintetizadas. Como resultado, 
una de las hijas dúplex contendría solo DNA parental, mientras 
que la otra hija dúplex contendría solo DNA recién sintetizado. 
En la replicación dispersiva (obsérvese figura 13-2, esquema 3), las 
hebras parentales se dividirían en fragmentos, y las nuevas he-
bras se sintetizarían en segmentos cortos. Luego, los viejos frag-
mentos y los nuevos segmentos se unirían para formar una hebra 
completa. Como resultado, las hijas dúplex contendrían he- 
bras compuestas por DNA viejo y nuevo. A primera vista, la re-
plicación dispersativa podría parecer una solución improbable, 
pero a Max Delbrück le pareció en ese momento la única forma 
de evitar la tarea aparentemente imposible de desenrollar dos 
hebras entrelazadas de un DNA dúplex mientras se replicaba 
(discutido en la p. 517).
Para decidir entre estas tres posibilidades, era necesario dis-
tinguir las hebras de DNA recién sintetizadas de las hebras de 
DNA originales que servían como plantillas. Esto se logró en es-
tudios sobre bacterias en 1957 por Matthew Meselson y Franklin 
Stahl del Instituto de Tecnología de California, quienes usaron 
isótopos de nitrógeno pesados (15N) y ligeros (14N) para distinguir 
entre hebras de DNA parentales y recién sintetizadas (véase 
FIGURA 13-3). Estos investigadores cultivaronbacterias en un me-
dio que contenía cloruro de amonio 15N como la única fuente de 
nitrógeno. En consecuencia, las bases que contienen nitrógeno 
del DNA de estas células contenían solo el isótopo pesado de ni-
trógeno. Los cultivos de bacterias “pesadas” se lavaron del medio 
antiguo y se incubaron en medio nuevo con compuestos ligeros 
que contenían 14N, y las muestras se eliminaron a intervalos cre-
cientes durante un periodo de varias generaciones. El DNA se 
extrajo de las muestras de bacterias y se sometió a centrifugación 
en gradiente de densidad de equilibrio (véase figura 18-38). En 
este procedimiento, el DNA se mezcla con una solución concen-
trada de cloruro de cesio y se centrifuga hasta que las moléculas 
de DNA bicatenario alcanzan el equilibrio de acuerdo con su den-
sidad.
En el experimento Meselson-Stahl, la densidad de una molé-
cula de DNA es directamente proporcional al porcentaje de áto-
mos 15N o 14N que contiene. Si la replicación es semiconservado-
ra, cabría esperar que la densidad de las moléculas de DNA 
disminuya durante el cultivo en el medio que contiene 14N de la 
manera que se muestra en el conjunto superior de tubos de cen-
trífuga de la figura 13-3a). Después de una generación, todas las 
moléculas de DNA serían híbridos 15N-14N, y su densidad de flo-
tación estaría a medio camino entre la esperada para el DNA to-
talmente pesado y el totalmente ligero (consúltese figura 13-3a). 
A medida que la replicación continuó más allá de la primera ge-
neración, las hebras recién sintetizadas continuarían contenien-
do solo isótopos ligeros, y aparecerían dos tipos de dúplex en los 
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Viejo
Viejo Viejo
ViejoNuevo
Nuevo Nuevo
Nuevo
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C G
C G
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FIGURA 13-1 Propuesta original de Watson-Crick para la replicación de 
una molécula de doble hélice de DNA. Durante la replicación, la doble 
hélice se desenrolla, y cada una de las hebras parentales sirve como plan-
tilla para la síntesis de una nueva hebra complementaria. Como se discute 
en este capítulo, estos principios básicos han sido confirmados.
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 13 • Replicación y reparación de D
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514 gradientes: los que contienen híbridos 15N-14N y los que contie-
nen solo 14N. Como el tiempo del crecimiento en el medio ligero 
continuó, un porcentaje cada vez mayor de las moléculas de DNA 
presentes, sería ligero. Sin embargo, mientras la replicación con-
tinuó de forma semiconservativa, las hebras parentales pesadas 
originales permanecerían intactas y presentes en moléculas de 
DNA híbridas que ocupaban un porcentaje cada vez más peque-
ño del DNA total (consúltese figura 13-3a). Los resultados de los 
experimentos de gradiente de densidad obtenidos por Meselson 
y Stahl se muestran en la figura 13-3b), y demuestran inequívoca-
mente que la replicación se produce de manera semiconservativa. 
Los resultados que se habrían obtenido si la replicación se hubie-
ra producido por mecanismos conservativos o dispersivos se in-
dican en los dos conjuntos inferiores de tubos de centrífuga de la 
figura 13-3a).1
Curiosamente, el experimento Meselson-Stahl tuvo éxito de-
bido a un artefacto experimental fortuito. Los cultivos celulares 
utilizados en el experimento fueron asincrónicos, lo que significa 
que diferentes células comienzan la replicación del DNA en dis-
tintos momentos, de modo que cuando se hizo el cambio de me-
dio de nitrógeno pesado a ligero, algunas de las células ya habían 
comenzado a replicar su DNA. El genoma de las células bacteria-
nas es una sola molécula de DNA grande. Con comienzo con el 
DNA que contiene nitrógeno pesado, el DNA genómico replican-
te incorporará más y más nitrógeno ligero durante el experimen-
to. Solo si el genoma se replica por completo en presencia de ni-
trógeno ligero, todo el DNA tendrá exactamente la densidad 
híbrida. En las células que ya habían comenzado a replicarse 
cuando se cambió el medio, las partes del genoma que ya se ha-
bían replicado seguirían siendo pesadas/pesadas, mientras que 
solo las partes del genoma que se replicaron después del cambio 
en el medio alcanzarían la densidad híbrida ligera/pesada. Esto 
significa que, si se midiera la densidad del genoma completo des-
pués de dar tiempo suficiente para replicar el genoma una vez, 
solo las células que acababan de comenzar la replicación cuando 
se cambiaba el medio tendrían genomas completamente ligeros/
pesados. El resto tendría densidades intermedias porque parte de 
su genoma era ligero/pesado y parte pesado/pesado. Esto tam-
bién sería cierto durante la siguiente ronda de replicación —el 
genoma aumentaría gradualmente en su densidad de ligero/pe-
sado a ligero/ligero a medida que continúa la replicación del 
DNA—. Entonces, si Meselson y Stahl hubieran podido medir la 
densidad del DNA genómico intacto de la célula, lo que habrían 
visto era una muestra de densidades que comenzaba pesada/pe-
sada y luego cambiaba continuamente a densidades cada vez 
más ligeras hasta que finalmente alcanzaban ligero/ligero. Esto 
se habría visto exactamente como el resultado predicho para la 
replicación dispersora (consúltese figura 13-3). Afortunadamente 
para Meselson y Stahl, estaban inadvertidamente rompiendo su 
DNA en pedazos pequeños cuando lo cargaban en la cámara de 
la centrífuga. Incluso si todo el genoma se está replicando gra-
dualmente, una pequeña porción del genoma se replica o no, y 
por tanto sería pesada/pesada o pesada/ligera, lo que daría un 
aumento gradual de la etapa de limpieza en la densidad que era 
observada. Esto muestra que incluso los diseños experimentales 
más brillantes también pueden beneficiarse de un poco de buena 
suerte.
Durante el mismo periodo se demostró que la replicación se 
produce de forma semiconservativa también en eucariotas, me-
diante un enfoque experimental completamente diferente. Los 
Moléculas de
DNA parental
Moléculas de DNA 
de progenie
de 1a. generación
Moléculas de DNA de
progenie de 
2a. generación
Replicación dispersiva
Replicación semiconservadora
Moléculas de 
DNA parental
Moléculas de DNA 
de progenie
de 1a. generación
Moléculas de DNA de
progenie de 
2a. generación
Replicación conservativa
Moléculas de DNA
parental
Moléculas de DNA 
de progenie
de 1a. generación
Moléculas de DNA de
progenie de 
2a. generación
1
2
3
FIGURA 13-2 Tres esquemas alternativos de replicación. La replicación 
semiconservativa se representa en el esquema 1, la replicación conservati-
va en el esquema 2 y la replicación dispersiva en el 3. En el texto se brin-
da una descripción de los tres modos alternativos de replicación.
1 Cualquier persona que busque explorar las circunstancias previas a este 
anunciado esfuerzo de investigación y examine los giros y vueltas experi-
mentales a medida que se desarrollen podría querer leer el libro Meselson, 
Stahl y la replicación del DNA por Frederick Lawrence Holmes, 2001. Una 
discusión del experimento también se puede encontrar en PNAS 2004; 
101:17889, que está en la web.
13.1 • Replicación de D
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515
experimentos originales fueron llevados a cabo por J. Herbert 
Taylor, de la Universidad de Columbia, y de hecho fueron publi-
cados más de un año antes de los estudios de Meselson y Stahl. 
El dibujo y la fotografía de la FIGURA 13-4 muestran los resulta-
dos de un experimento más reciente en el que se permitió que 
las células cultivadas de mamífero experimentaran replicación 
en bromodesoxiuridina (BrdU, bromodeoxyuridine), un compues-
to que se incorpora al DNA en lugar de la timidina. Después de 
la replicación, un cromosoma está formado por dos cromátidas. 
Después de una ronda de replicación en BrdU, ambas cromáti-
das de cada cromosoma contenían BrdU (obsérvese figura 13-
4a). Después de dos rondas de replicación en BrdU, una cromáti-
da de cada cromosoma estaba compuesta por dos hebras que 
contenían BrdU, mientras que la otra cromátida era un híbrido 
queconsistía en una hebra conteniendo BrdU y otra conteniendo 
timidina (obsérvese figura 13-4a, b). La hebra que contiene timi-
dina había sido parte de la molécula original de DNA parental 
antes de la adición de BrdU al cultivo. Es interesante considerar 
por qué Meselson y Stahl, que citan brevemente a Taylor en su 
documento emblemático, son tan ampliamente vistos como los 
primeros en demostrar la replicación semiconservativa a pesar 
del hecho de que Taylor ya había establecido este resultado un 
año antes. La razón más probable es que el enfoque de Meselson 
y Stahl probó la naturaleza molecular del DNA replicado más 
directamente que el enfoque microscópico de Taylor, y su ponen-
cia hizo un mejor trabajo al ubicar los resultados en el contexto 
de la estructura de doble hélice del DNA.
FIGURA 13-3 Experimento que demuestra que la replicación del DNA en bacterias es semiconservativa. El DNA se extrajo de las bacterias en diferen-
tes etapas del experimento, se mezcló con una solución concentrada de la sal cloruro de cesio (CsCl, cesium chloride), se colocó en un tubo y se centri-
fugó para equilibrar a alta velocidad en una ultracentrífuga. Los iones cesio tienen suficiente masa atómica para que la fuerza centrífuga los afecte, y for-
men un gradiente de densidad durante el periodo de centrifugación con la concentración más baja (densidad más baja) de Cs en la parte superior del 
tubo y la mayor (densidad más alta) en el parte inferior. Durante la centrifugación, los fragmentos de DNA dentro del tubo se localizan en una posición 
que tiene una densidad igual a su propia densidad, que a su vez depende de la relación de 15N /14N que está presente en sus nucleótidos. Cuanto mayor 
es el contenido de 14N, más alto en el tubo se encuentra el fragmento de DNA en equilibrio. a) Resultados esperados en este tipo de experimento para 
cada uno de los tres posibles esquemas de replicación. El único tubo a la izquierda indica la posición del DNA parental y las posiciones a las que ban-
dean los fragmentos de DNA totalmente ligeros o híbridos. b) Resultados experimentales obtenidos por Meselson y Stahl. La aparición de una banda hí-
brida y la desaparición de la banda pesada después de una generación eliminan la replicación conservadora. La aparición posterior de dos bandas, una 
ligera y una híbrida, elimina el esquema dispersor.
Fuente: b) Tomada de M. Meselson y F. Stahl. Proc Nat9l Acad Sci USA 1958;44:671. Cortesía de Matthew Meselson.
I
II
Generaciones
III
Parental
Transferencia a 14N
DNA 14N ligero
DNA 14N15N híbrido
DNA 15N pesado
I
II
III
I
II
III
a)
Semiconservadora
Conservativa
Dispersativa
Pe
sa
do
-H
íb
rid
o
-L
ig
er
o
Generaciones
0 (parental)
0.3
0.7
1.0
1.1
1.5
1.9
2.5
3.0
4.1
b)
REPASO
1. La propuesta original de Watson-Crick para la replicación del 
DNA preveía la síntesis continua de hebras de DNA. ¿Cómo y 
por qué se ha modificado este concepto a lo largo de los 
años?
2. ¿Qué significa que la replicación es semiconservativa? ¿Cómo 
se demostró esta característica de replicación en las células 
bacterianas?, ¿en las células eucariotas?
3. ¿Por qué no hay bandas pesadas en los tres tubos superiores 
de la centrífuga de la figura 13-3a)?
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13.2 Replicación de DNA 
en células bacterianas
Esta sección del capítulo se centrará en la replicación en células 
bacterianas, que se entiende mejor que el proceso correspondien-
te en las eucariotas. El progreso temprano en la investigación 
bacteriana fue impulsado por enfoques genéticos y bioquímicos 
que incluyen:
●● La disponibilidad de mutantes que no pueden sintetizar una 
u otra proteína requerida para el proceso de replicación. El 
aislamiento de mutantes incapaces de replicar su cromosoma 
puede parecer paradójico: ¿cómo pueden cultivarse las célu-
las con un defecto en este proceso vital? Esta paradoja se re-
solvió mediante el aislamiento de mutantes sensibles a la 
temperatura (ts, temperatura-sensitive), en los que la defi-
ciencia solo se revela a una temperatura elevada, denomina-
da temperatura no permisiva (o restrictiva). Cuando crece a 
temperatura más baja (permisiva), la proteína mutante puede 
funcionar suficientemente bien para llevar a cabo su activi-
dad requerida, y las células pueden continuar creciendo y 
dividiéndose. Se han aislado mutantes sensibles a la tempe-
ratura que afectan prácticamente a todo tipo de actividad fi-
siológica (véase también p. 261), y han sido particularmente 
importantes en el estudio de la síntesis de DNA como ocurre 
en la replicación, la reparación del DNA y la recombinación 
genética.
●● El desarrollo de sistemas in vitro en los que la replicación pue-
de estudiarse utilizando componentes celulares purificados. 
En algunos estudios, la molécula de DNA a ser replicada se 
incuba con extractos celulares de los que se han eliminado 
proteínas específicas supuestamente esenciales. En otros es-
tudios, el DNA se incuba con una variedad de proteínas puri-
ficadas cuya actividad debe probarse.
En conjunto, estos enfoques han revelado la actividad de más 
de 30 proteínas diferentes que se requieren para replicar el cro-
mosoma de la E. coli. En las siguientes secciones, se discutirán las 
actividades de varias de estas proteínas cuyas funciones han sido 
claramente definidas. La replicación en las bacterias y las eucario-
tas ocurre por mecanismos muy similares, y así la mayoría de la 
información presentada en la discusión de la replicación bacteria-
na también se aplica a las células eucariotas.
Cromosoma que
contiene sólo timidina
Réplica
en BrdU
Cromosoma
Ambas cromátidas contienen una hebra
con BrdU y una hebra con timidina
Replicación continuada
en medio que
contiene BrdU
Una cromátida de cada cromosoma contiene timidina
a)
Cromátidas
Hebra de DNA
b)
FIGURA 13-4 Demostración experimental de que la replicación del DNA se produce semiconservativamente en células eucarióticas. a) Diagrama es-
quemático de los resultados de un experimento en el que las células se transfirieron de un medio que contenía timidina a uno que contenía bromo-
desoxiuridina (BrdU) y se les permitió completar dos rondas sucesivas de replicación. Las hebras de DNA que contienen BrdU se muestran en rojo. b) Los 
resultados de un experimento similar al que se muestra en a). En este experimento, las células de mamífero cultivadas crecieron en BrdU durante dos 
rondas de replicación antes de que se prepararan los cromosomas mitóticos y se tiñeran mediante un procedimiento que utilizaba tintes fluorescentes y 
tinción de Giemsa. Con este procedimiento, las cromátidas que contienen timidina dentro de una o ambas hebras se tiñen con tono oscuro, mientras que 
las cromátidas que contienen solo BrdU se tiñen de manera ligera. La fotografía indica que, después de dos rondas de replicación en BrdU, una cromáti-
da de cada cromosoma duplicado contiene solo BrdU, mientras que la otra cromátida contiene una hebra de DNA marcada con timidina. (Algunos de los 
cromosomas intercambian porciones homólogas entre las cromátidas hermanas. Este proceso de intercambio de cromátidas hermanas es común durante 
la mitosis, pero no se discute en el texto.)
Fuente: b) Cortesía de Sheldon Wolff.
13.2 • Replicación de D
N
A en células bacterianas 
517Horquillas de replicación 
y replicación bidireccional
La replicación comienza en un sitio específico en el cromosoma 
bacteriano llamado origen. El origen de replicación en el cro-
mosoma de la E. coli es una secuencia específica llamada oriC 
donde se unen varias proteínas para iniciar el proceso de replica-
ción.2 Una vez iniciada, la replicación procede hacia afuera desde 
el origen en ambas direcciones, es decir, bidireccionalmente (con-
súltese FIGURA 13-5). Los sitios en la figura 13-5 donde el par de 
segmentos replicados se juntan y se unen al DNA no replicado se 
denominan horquillas de replicación. Cada horquilla de repli-
cación corresponde a un sitio donde 1) la doblehélice parental 
experimenta una separación de la hebra y 2) se están incorporan-
do nucleótidos en las hebras complementarias recién sintetiza-
das. Las dos horquillas de replicación se mueven en direcciones 
opuestas hasta que se encuentran en un punto a través del círcu-
lo desde el origen, donde finaliza la replicación. Los dos dúplex 
recién replicados se separan unos de otros y finalmente se dirigen 
a dos células diferentes.
Desenrollado del dúplex y separación 
de las hebras
La separación de las hebras de un DNA dúplex circular y helicoi-
dal plantea importantes problemas topológicos. Para visualizar 
las dificultades, se puede considerar brevemente una analogía 
entre un DNA dúplex y una cuerda helicoidal de dos hebras. 
Considérese lo que sucedería si se colocara una pieza lineal de 
esta cuerda en el suelo, se agarrara las dos hebras en un extremo 
y comenzaran a separarse las hebras justo cuando el DNA se se-
para durante la replicación. Es evidente que la separación de las 
hebras de una doble hélice es también un proceso de desenrollado 
de la estructura. En el caso de una cuerda, que es libre de girar 
alrededor de su eje, la separación de las hebras en un extremo 
estaría acompañada por la rotación de la fibra completa, ya que 
resistió el desarrollo de la tensión. Ahora, considérese lo que su-
cedería si el otro extremo de la cuerda estuviera unido a un gan-
cho en una pared (véase FIGURA 13-6a). En estas circunstancias, 
la separación de las dos hebras en el extremo libre generaría una 
tensión de torsión creciente en la cuerda y haría que la parte no 
separada se enrollara más apretadamente. La separación de las 
dos hebras de una molécula de DNA circular (o una molécula li-
neal que no puede rotar libremente, como es el caso en un cro-
mosoma eucariótico grande) es análoga a tener un extremo de 
una molécula lineal unida a una pared; en todos estos casos, la 
tensión que se desarrolla en la molécula no se puede aliviar me-
diante la rotación de la molécula completa. A diferencia de una 
cuerda, que puede sobreenrollarse fuertemente (como en la figu-
ra 13-6a), una molécula de DNA sobreenrollada queda positiva-
mente superenrollada (p. 381). En consecuencia, el movimiento 
2 El tema del inicio de la replicación se discute en detalle en la página 526, 
como ocurre en las eucariotas.
Horquilla de replicación
Horquilla de
replicación
Hebra parental
Hebra hija
Origen
FIGURA 13-5 Modelo de un cromosoma bacteriano circular sometido a 
replicación semiconservante bidireccional. Dos horquillas de replicación 
se mueven en direcciones opuestas desde un solo origen. Cuando las 
horquillas de replicación se encuentran en el punto opuesto del círculo, la 
replicación finaliza y las dos dúplex replicadas se separan una de otra. Las 
nuevas hebras de DNA se muestran en rojo.
a)
Maquinaria de replicación
Punto de unión
del DNA
b)
FIGURA 13-6 El problema del desenrollado. a) Efecto de desenrollar una 
cuerda de dos hebras que tiene un extremo unido a un gancho. La por-
ción no separada se enrolla más apretadamente. b) Cuando se replica una 
molécula de DNA circular o unida, el DNA que está delante de la maqui-
naria de replicación se sobreenrolla y acumula superenrollados positivos. 
Las células poseen topoisomerasas, como la DNA girasa de la E. coli, que 
eliminan los superenrollados positivos.
Fuente: b) Tomada de J. C. Wang, Nature Reviews Mol Cell Biol 
2002;3:434, copyright 2002. Nature Reviews Molecular Cell Biology por 
Nature Publishing Group. Reproducida con el permiso de Nature 
Publishing Group en el formato de reutilización en un libro/libro de texto a 
través de Copyright Clearance Center.
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 13 • Replicación y reparación de D
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518 de la horquilla de replicación genera superenrollamientos positi-
vos en la parte no replicada del DNA delante de la horquilla (véa-
se figura 13-6b). Cuando se considera que un cromosoma circular 
completo de la E. coli contiene aproximadamente 400 000 vueltas 
y se replica por dos horquillas en 40 minutos, la magnitud del 
problema se vuelve evidente.
Se observó en la página 381 que las células contienen enzi-
mas, llamadas topoisomerasas, que pueden cambiar el estado 
de superenrollamiento en una molécula de DNA. Una enzima de 
este tipo, llamada DNA girasa, una topoisomerasa tipo II, alivia 
la tensión mecánica que se acumula durante la replicación en la 
E. coli. Las moléculas de DNA girasa viajan a lo largo del DNA por 
delante de la horquilla de replicación y eliminan los superenrolla-
mientos positivos. La DNA girasa logra esta proeza mediante la 
división de ambas hebras del DNA dúplex, al pasar un segmento 
de DNA a través de la ruptura de la doble hebra al otro lado y 
luego sellar los cortes, un proceso que se impulsa por la energía 
liberada durante la hidrólisis del ATP (se muestra en detalle en 
figura 10-14b). Las células eucariotas poseen enzimas similares 
que llevan a cabo esta función requerida.
Las propiedades de las DNA polimerasas
Comienza la discusión sobre el mecanismo de la replicación del 
DNA mediante la descripción de algunas de las propiedades de 
las DNA polimerasas, las enzimas que sintetizan nuevas hebras 
de DNA. El estudio de estas enzimas se inició en la década de 
1950 por Arthur Kornberg en la Universidad de Washington. En 
sus experimentos iniciales, Kornberg y sus colegas purificaron 
una enzima de extractos bacterianos que incorporaban precurso-
res de DNA marcados radiactivamente en un polímero insoluble 
en ácido identificado como DNA. La enzima se denominó DNA 
polimerasa (y más tarde, después del descubrimiento de enzimas 
polimerizantes de DNA adicionales, se denominó DNA polimera-
sa I). Para que la reacción continuara, la enzima requirió la pre-
sencia del DNA y los cuatro desoxirribonucleósidos trifosfato 
(dTTP, dATP, dCTP y dGTP). El DNA recién sintetizado, marcado 
radiactivamente tenía la misma composición de base que el DNA 
original no marcado, lo que sugiere en alto grado que las hebras 
de DNA originales habían servido como plantillas para la reac-
ción de polimerización.
A medida que se descubrieron propiedades adicionales de la 
DNA polimerasa, se hizo evidente que la replicación era más 
compleja de lo que se pensaba anteriormente. Cuando se proba-
ron varios tipos de plantillas del DNA, se descubrió que dicha 
plantilla del DNA tenía que cumplir ciertos requisitos estructura-
les si se quería promover la incorporación de precursores marca-
dos (consúltese FIGURA 13-7). Una molécula de DNA intacta, de 
doble hebra, por ejemplo, no estimulaba la incorporación. Esto 
no fue sorprendente teniendo en cuenta el requisito de que las 
hebras de la hélice deben separarse para que ocurra la replica-
ción. Era menos obvio por qué una molécula circular de una sola 
hebra también carecía de actividad; se podría esperar que esta 
estructura fuera un plantilla ideal para dirigir la fabricación de 
una hebra complementaria. Por el contrario, la adición de una 
molécula de DNA parcialmente bicatenaria a la mezcla de reac-
ción produjo una incorporación inmediata de nucleótidos.
Pronto se descubrió que un DNA circular monocatenario no 
puede servir como plantilla para la DNA polimerasa porque la 
enzima no puede iniciar la formación de una hebra de DNA. Por 
el contrario, solo puede agregar nucleótidos al terminal hidroxilo 
39 de una hebra existente. La hebra que proporciona el terminal 
39OH necesario se llama primaria. Todas las DNA polimerasas 
—tanto procariotas como eucariotas— tienen estos dos requisitos 
básicos (véase figura 13-8a): una plantilla de hebra de DNA para 
copiar y una hebra primaria a la que se pueden agregar nucleóti-
dos. Estos requisitos explican por qué ciertas estructuras de DNA 
no promueven la síntesis de DNA (véase figura 13-7a). Una doble 
hélice lineal intacta proporciona el terminal hidroxilo 39 pero ca-
rece de una plantilla. Una hebra única circular, por otro lado, 
proporciona una plantilla, pero carece de un primario. La molé-
cula parcialmentebicatenaria (obsérvese figura 13-7b) satisface 
ambos requisitos y de este modo promueve la incorporación de 
nucleótidos. El hallazgo de que la DNA polimerasa no puede ini-
ciar la síntesis de una hebra de DNA plantea una pregunta impor-
tante: ¿Cómo se inicia la síntesis de una nueva hebra en la célula? 
Se volverá a esta pregunta en breve. La DNA polimerasa purifica-
da por Kornberg tenía otra propiedad que era difícil de entender 
en términos de su presunta función como enzima de replicación: 
solo sintetizaba DNA en una dirección de 59-a- 39 (escrita 59→ 39). 
Como Watson y Crick descubrieran, las dos hebras de una hélice 
de DNA tienen una orientación antiparalela. El diagrama de la 
replicación del DNA presentado por primera vez por Watson y 
Crick (véase figura 13-1) describía los eventos como se esperaría 
que ocurrieran en la horquilla de replicación. El diagrama sugiere 
que una de las hebras recién sintetizadas se polimeriza en una 
dirección de 59→ 39, mientras que la otra hebra se polimeriza en 
una dirección de 39→ 59. ¿Hay alguna otra enzima responsable de 
la construcción de la hebra 39→ 59? ¿Funciona la enzima de mane-
ra diferente en la célula que en condiciones in vitro? Se volverá a 
esta pregunta también.
Durante la década de 1960 hubo indicios de que la “enzima 
Kornberg” no era la única DNA polimerasa en una célula bacte-
riana. En 1969 se aisló una cepa mutante de la E. coli que tenía 
menos de 1% de la actividad normal de la enzima, pero fue capaz 
de multiplicarse a la velocidad normal. Otros estudios revelaron 
que la enzima Kornberg, o DNA polimerasa I, era solo una de va-
rias DNA polimerasas distintas presentes en las células bacteria-
nas y, de hecho, no era la polimerasa la que replicaba la mayor 
parte del DNA. En cambio, la principal enzima responsable de la 
replicación del DNA (es decir, la polimerasa replicativa) es la DNA 
polimerasa III. Una célula bacteriana típica contiene de 300 a 400 
moléculas de DNA polimerasa I pero solo alrededor de 10 copias 
de DNA polimerasa III. La presencia de DNA polimerasa III 
se había enmascarado por las cantidades mucho mayores de 
DNA polimerasa I en la célula. Pero el descubrimiento de otras 
3�
5�
3�
5�
5�
3�
5�
3�
5�
3�
3�
5�
Nick
5�
5�
3�
3�
a) b)
FIGURA 13-7 Plantillas y no plantillas para la actividad de la DNA poli-
merasa. a) Ejemplos de estructuras de DNA que no estimulan la síntesis 
de DNA in vitro por DNA polimerasa aislada de la E. coli. b) Ejemplos de 
estructuras de DNA que estimulan la síntesis de DNA in vitro. En todos los 
casos, las moléculas en b) contienen una hebra plantilla para copiar y una 
hebra primaria con un 39OH en el que se agregan nucleótidos.
13.2 • Replicación de D
N
A en células bacterianas 
519
DNA polimerasas no respondió a las dos preguntas básicas plan-
teadas anteriormente; ninguna de las enzimas puede iniciar he-
bras de DNA, ni pueden construir ninguna de ellas hebras en una 
dirección de 39→ 59.
Replicación semidiscontinua
La falta de actividad de polimerización en la dirección de 39→ 59 
tiene una explicación sencilla: las hebras de DNA no se pueden 
sintetizar en esa dirección. Por el contrario, ambas hebras recién 
sintetizadas se ensamblan en una dirección de 59→ 39. Durante la 
reacción de polimerización, el grupo —OH en el terminal 39 del 
primario lleva a cabo un ataque nucleófilo sobre el α-fosfato 59 
del nucleósido trifosfato entrante, como se muestra en la figura 
13-8b). Las moléculas de polimerasa responsables de la construc-
ción de las dos nuevas hebras de DNA se mueven en una direc-
ción de 39-a-59 a lo largo de la plantilla, y ambas construyen una 
hebra que crece mediante la adición de nucleótidos a su terminal 
39-OH (consúltese FIGURA 13-8c). En consecuencia, una de las 
hebras recién sintetizadas crece hacia la horquilla de replicación 
donde las hebras de DNA parentales se separan, mientras que la 
otra hebra crece alejada de la horquilla.
Aunque esto resuelve el problema relacionado con una enzi-
ma que sintetiza una hebra en una sola dirección, crea un dilema 
aún más complicado. En la figura 13-8c) es evidente que la hebra 
que crece hacia la horquilla puede construirse mediante la adi-
ción continua de nucleótidos a su terminal 39. Pero, ¿cómo se 
sintetiza la otra? Pronto se recopilaron pruebas para indicar que 
la hebra que crece alejada de la horquilla de replicación se sinte-
tiza de forma discontinua, es decir, como fragmentos (véase figura 
13-9). Antes de que se pueda iniciar la síntesis de un fragmento, 
se debe exponer un tramo de plantilla adecuado mediante el mo-
vimiento de la horquilla de replicación. Una vez iniciada, cada 
fragmento crece alejado de la horquilla de replicación hacia el 
terminal 59 de un fragmento previamente sintetizado al que pos-
teriormente se une. Así, las dos hebras recién sintetizadas de las 
hijas dúplex se sintetizan mediante procesos muy diferentes. La 
hebra que se sintetiza de forma continua se denomina hebra 
adelantada porque su síntesis continúa a medida que avanza la 
horquilla de replicación. La hebra que se sintetiza de forma dis-
continua se denomina hebra retrasada porque la iniciación de 
cada fragmento debe esperar a que las hebras parentales se sepa-
ren y expongan una plantilla adicional (véase FIGURA 13-9). 
Base
O
3�
5�
DNA polimerasa
Nuevas hebras de
DNA en construcción
5'
5�
5�
3�
3�
5�
Plantilla
O
_
Base Base
Base Base
Base
Base
Base
Base
Base
Base
Base
O
O
CH3
HN T
O P
O
Primario
5�
3�
O
NH2
Mg2+Mg2+
O- O- O-
O-
γ β αO
OO
OH
PPP
N
N N
N
HO O
OO
3�
P
S
P
S
P
S
OH
3�5�
5�
Hebra DNA
creciente
Primario
DNA
plantilla
ST
C
T
P P
..
A
G
A
P
S
P
S
P
P
a) c)b)
OH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
ON
A
FIGURA 13-8 Actividad de una DNA polimerasa. a) Polimerización de un nucleótido en el terminal 39 de la hebra primaria. La enzima selecciona los nu-
cleótidos para su incorporación en función de su capacidad para emparejarse con el nucleótido de la hebra plantilla. b) Modelo simplificado del mecanis-
mo de ion de dos metales para la reacción en la que los nucleótidos se incorporan en una hebra de DNA en crecimiento mediante una DNA polimerasa. 
En este modelo, uno de los iones de magnesio extrae el protón del grupo 39hidroxilo del nucleótido terminal del primario, lo que facilita el ataque nu-
cleofílico del átomo de oxígeno 39 cargado negativamente en el α-fosfato del nucleósido trifosfato entrante. El segundo ion de magnesio estabiliza el pi-
rofosfato, promoviendo su liberación. Los dos iones metálicos están unidos a la enzima por residuos de ácido aspártico altamente conservados del sitio 
activo. c) Diagrama esquemático que muestra la dirección de movimiento de cada polimerasa a lo largo de las dos hebras plantillas.
5'
5�
3'
3�
5�
3�
5�
3�
Hebra adelantada
Hebra plantilla adelantada
Horquilla de replicación
Hebra plantilla retrasada
Hebra
retrasada
FIGURA 13-9 Las dos hebras de una doble hélice se sintetizan mediante 
una secuencia diferente de eventos. Las moléculas de DNA polimerasa 
se mueven a lo largo de una plantilla solo en una dirección de 39→ 59. 
Como resultado, las dos hebras recién ensambladas crecen en direcciones 
opuestas, una crece hacia la horquilla de replicación y la otra crece aleján-
dose de ella. Una hebra se ensambla de manera continua, la otra como 
fragmentos que se unen entre sí enzimáticamente. El diagrama que se 
muestra aquí representa las diferencias en la síntesis de las dos hebras.
C
APÍTU
LO
 13 • Replicación y reparación de D
N
A
520 Como se discutió en la página 521, ambas hebras probablemente 
se sintetizan simultáneamente, de modo que los términos de ade-
lanto y retraso pueden no ser tan apropiados como se pensaba 
cuando se acuñaron por primera vez. Debido a que una hebra se 
sintetiza continuamente y la otra discontinuamente, se dice que 
la replicación es semidiscontinua.
El descubrimiento de que una hebra estaba sintetizada como 
pequeños fragmentosfue realizado por Reiji Okazaki de la 
Universidad de Nagoya, Japón, luego de varios tipos de experi-
mentos de marcaje. Okazaki descubrió que si las bacterias se in-
cubaban en [3H]timidina durante unos segundos e inmediata-
mente se eliminaban, la mayor parte de la radiactividad se podía 
encontrar como parte de pequeños fragmentos de DNA de 1 000 
a 2 000 nucleótidos de longitud. Por el contrario, si las células se 
incubaban en el precursor de DNA marcado durante uno o dos 
minutos, la mayor parte de la radiactividad incorporada se con-
vertía en parte de moléculas de DNA mucho más grandes (véase 
FIGURA 13-10). Estos resultados indicaron que una parte del DNA 
se construyó en segmentos pequeños (más tarde llamados frag-
mentos de Okazaki) que se unieron rápidamente a piezas más 
largas que se habían sintetizado previamente. La enzima que une 
los fragmentos de Okazaki en una hebra continua se llama DNA 
ligasa.
El descubrimiento de que la hebra retrasada se sintetiza en 
piezas planteó una nueva serie de preguntas desconcertantes so-
bre el inicio de la síntesis de DNA. ¿Cómo comienza la síntesis de 
cada uno de estos fragmentos cuando ninguna de las DNA poli-
merasas es capaz de iniciar la hebra? Otros estudios revelaron 
que la iniciación no se realiza mediante una DNA polimerasa si-
no, más bien, mediante un tipo distinto de RNA polimerasa, lla-
mada primasa, que construye un primario corto compuesto de 
RNA, no de DNA. La hebra adelantada, cuya síntesis comienza 
en el origen de replicación, también se inicia por una molécula de 
primasa. Los RNA cortos sintetizados por la primasa en el termi-
nal 59 de la hebra adelantada y en el terminal 59 de cada fragmen-
to de Okazaki sirven como el primario requerido para la síntesis 
de DNA por una DNA polimerasa. Los RNA primarios se elimi-
nan posteriormente, y los espacios resultantes en la hebra se lle-
nan con DNA y luego se sellan mediante DNA ligasa. Estos even-
tos se ilustran esquemáticamente en la FIGURA 13-11. La formación 
de RNA primarios transitorios durante el proceso de replicación 
del DNA es una actividad curiosa. Se cree que la probabilidad de 
errores es mayor durante la iniciación que durante el alargamien-
to, y el uso de un segmento corto de RNA degradable evita la 
inclusión de bases desajustadas.
1 2 3
20 40
Velocidad de sedimentación
Distancia desde arriba
2 s
7 s
15 s
30 s
60 s
120 s
Ra
di
ac
tiv
id
ad
 (1
03
 c
ts
/m
in
 p
or
 0
.1
 m
L)
60 S
FIGURA 13-10 Resultados de un experimento que muestra que parte del 
DNA se sintetiza en pequeños fragmentos. Perfiles de gradiente de den-
sidad de sacarosa de DNA de un cultivo de células de la E. coli infectadas 
con fago. Las células se marcaron por cantidades de tiempo crecientes, y 
se determinó la velocidad de sedimentación del DNA marcado. Cuando el 
DNA se preparó después de pulsos muy cortos, un porcentaje significati-
vo de la radiactividad apareció en pedazos muy cortos de DNA (represen-
tados por el pico cerca de la parte superior del tubo a la izquierda). 
Después de periodos de 60-120 segundos, la altura relativa de este pico 
disminuye a medida que los fragmentos de DNA marcados se unen a los 
extremos de las moléculas de alto peso molecular.
Fuente: Tomada de R. Okazaki, et al. Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 
1968;33:130. Reproducida con permiso de Cold Spring Harbor Laboratory 
Press.
5�
3�
Síntesis de RNA
primario por primasa
P OH
Elongación por
DNA polimerasa III
Eliminación del primario
y llenado de espacios
por DNA polimerasa I
Hebras selladas
por DNA ligasa
3�
5�
Hebra adelantada
RNA
Hebra retrasada
5�
3� 1
2
3
4
FIGURA 13-11 Uso de fragmentos cortos de RNA como primarios remo-
vibles al iniciar la síntesis de cada fragmento de Okazaki de la hebra re-
trasada. Los pasos principales se indican en el dibujo y se discuten en el 
texto. Las funciones de varias proteínas accesorias en estas actividades 
se indican en las siguientes figuras.
13.3 • La m
aquinaria que opera en la horquilla de replicación
521
13.3 La maquinaria que opera en la 
horquilla de replicación
La replicación implica más que la incorporación de nucleótidos. 
El desenrollado del dúplex y la separación de las hebras requieren 
la ayuda de dos tipos de proteínas que se unen al DNA, una he-
licasa (o enzima de desenrollado del DNA) y proteínas ligantes 
de DNA de hebra simple (SSB, single-stranded DNA-binding). 
Las helicasas de DNA desenrollan un DNA dúplex en una reac-
ción que usa energía liberada por la hidrólisis de ATP para mover-
se a lo largo de una de las hebras del DNA, se rompen los enlaces 
de hidrógeno que mantienen las dos hebras juntas y se expone la 
hebra simple de DNA plantilla. La E. coli tiene al menos 12 heli-
casas diferentes para su uso en diversos aspectos del metabolismo 
del DNA (y el RNA). Una de estas helicasas —producto del gen 
dnaB— funciona como la principal máquina de desenrollar duran-
te la replicación. La helicasa DnaB consta de seis subunidades 
dispuestas para formar una proteína en forma de anillo que rodea 
una sola hebra del DNA (obsérvese FIGURA 13-12a). El inicio de 
la replicación comienza en la E. coli cuando las copias múltiples 
de la proteína DnaA se unen al origen de replicación (oriC) y se-
paran (funden) las hebras de DNA en ese sitio. La helicasa DnaB 
se carga luego en el DNA de hebra simple de la hebra retrasada 
de oriC, con la ayuda de la proteína DnaC. Luego, la helicasa de 
DnaB se transloca en una dirección de 59→ 39 a lo largo de la he-
bra plantilla retrasada y desenrolla la hélice a medida que avanza 
(consúltese figura 13-12). El desenrollado del DNA por la helicasa 
se ve favorecida por la unión de las proteínas SSB a las hebras de 
DNA separadas (véase figura 13-12). Estas proteínas se unen de 
manera selectiva al DNA de hebra simple, lo mantienen en un 
estado extendido y evitan que se vuelva a enrollar o dañe. En las 
micrografías electrónicas de la figura 13-12b) se ilustra un retrato 
visual de la acción combinada de una proteína del DNA helicasa 
y SSB en la estructura de la doble hélice del DNA.
Se recuerda que una enzima llamada primasa inicia la síntesis 
de cada fragmento de Okazaki. En las bacterias, la primasa y la 
helicasa se asocian de manera transitoria para formar lo que se 
denomina un “primosoma”. De los dos miembros del primoso-
ma, la helicasa se mueve a lo largo de la hebra plantilla retrasada 
en el proceso (es decir, sin liberarse de la hebra plantilla durante 
el tiempo de vida de la horquilla de replicación).
A medida que la helicasa se “mueve” a lo largo de la hebra 
plantilla retrasada, abre las hebras del dúplex, la primasa se une 
de forma periódica a la helicasa, y sintetiza los primarios cor- 
tos de RNA que comienzan la formación de cada fragmento de 
Okazaki. Como se indicó con anterioridad, los RNA primarios se 
extienden posteriormente como DNA mediante una DNA poli-
merasa, específicamente la DNA polimerasa III.
El cuerpo de evidencias sugiere que la misma molécula de 
DNA polimerasa III sintetiza fragmentos sucesivos de la hebra 
retrasada. Para lograr esto, la molécula de polimerasa III se recicla 
desde el sitio donde acaba de completar un fragmento de Okazaki 
hasta el siguiente sitio a lo largo de la hebra plantilla retrasada, 
más cerca del sitio de desenrollado del DNA. Una vez en el nuevo 
sitio, la polimerasa se une al 39 OH del RNA primario que acaba 
de establecerse por una primasa y comienza a incorporar 
desoxirribonucleótidos en el extremo del RNA corto.
¿Cómo se mueve una molécula de la polimerasa III desde un 
sitio en la hebra plantilla retrasada a otro sitio que está más cerca 
de la horquilla de replicación? La enzima hace esto “enganchán-
dose en el recorrido” con la DNA polimerasa que se mueve en esa 
dirección a lo largo de la plantilla adelantado. Por tanto, aunque 
las dos polimerasas se muevan en direcciones opuestas con res-
pecto al eje lineal de la molécula del DNA, son, de hecho, parte 
de un único complejo de proteína(véase FIGURA 13-13). Las dos 
polimerasas atadas pueden replicar ambas hebras al enlazar el 
DNA de la hebra plantilla retrasada sobre sí mismo, lo que hace 
que esta plantilla tenga la misma orientación que la hebra planti-
lla adelantada. Ambas polimerasas pueden moverse juntas como 
REPASO
1. ¿Cómo es posible obtener mutantes cuyos defectos se en-
cuentran en los genes que se requieren para una actividad 
esencial como la replicación del DNA?
2. Describa los eventos que ocurren en un origen de replicación 
durante el inicio de la replicación en células de levadura. ¿Qué 
quiere decir que la replicación es bidireccional?
3. ¿Por qué las moléculas de DNA representadas en la figura 13-
7a) no estimulan la polimerización de los nucleótidos por la 
DNA polimerasa I? ¿Cuáles son las propiedades de una molé-
cula de DNA que le permiten servir como plantilla para la in-
corporación de nucleótidos por la DNA polimerasa I?
4. Describa el mecanismo de acción de las DNA polimerasas 
que operan en las dos hebras plantillas y el efecto que esto 
tiene sobre la síntesis de la hebra retrasada frente a la hebra 
adelantada.
FIGURA 13-12 Funciones de la helicasa de DNA, las proteínas ligantes 
del DNA de hebra simple y la primasa en la horquilla de replicación. a) 
La helicasa se mueve a lo largo del DNA, y cataliza el desenrollado del 
dúplex impulsado por ATP. A medida que se desenrolla el DNA, se evita 
que las hebras vuelvan a formar el dúplex mediante proteínas tetraméri-
cas ligantes a DNA de hebra simple (SSB, single-stranded DNA-binding 
proteins). La primasa asociada con la helicasa sintetiza los RNA primarios 
que comienzan cada fragmento de Okazaki. Los RNA primarios, que tie-
nen aproximadamente 10 nucleótidos de longitud, se eliminan posterior-
mente. b) Una serie de cinco micrografías electrónicas que muestran las 
moléculas del DNA incubadas con una DNA helicasa viral (antígeno T, p. 
528) y proteínas SSB de la E. coli. Las moléculas del DNA se desenrollan 
de forma progresiva de izquierda a derecha. La helicasa aparece como la 
partícula redonda en la horquilla, y las proteínas SSB se unen a los extre-
mos de hebra simple, dándoles un aspecto engrosado.
Fuente: b) De Rainer Wessel, Johannes Schweizer y Hans Stahl, J Virol 
1992;66:807. © American Society for Microbiology.
3�
5�
Hebra retrasada
Hebra adelantada
Movimiento de la helicasa
DNA
helicasa
Primasa
RNA primario
Proteínas ligantes
del DNA de hebra simple
(SSB)
5�
3�
a)
b) 200 nmHebra de DNA desenrollada 
con proteínas SSB
DNA helicasa
DNA dúplex
C
APÍTU
LO
 13 • Replicación y reparación de D
N
A
522
parte de un solo complejo replicativo sin violar la “regla 59→39” 
para la síntesis de una hebra de DNA (véase figura 13-13). Una 
vez que la polimerasa que ensambla la hebra retrasada alcanza el 
extremo 59 del fragmento de Okazaki que se sintetizó durante la 
ronda anterior, se libera la hebra plantilla retrasada y la polimera-
sa comienza a trabajar en el terminal 39 del próximo RNA prima-
rio hacia la horquilla. El modelo que se representa en la figura 
13-13 a menudo se conoce como el “modelo de trombón” porque 
el enlace de DNA de forma repetida crece y colapsa repetidamen-
te durante la replicación de la hebra retrasada, que evoca el mo-
vimiento de “lazo” de un trombón de bronce cuando se toca. 
Estudios recientes han demostrado que el complejo de replica-
ción, o replisoma, contiene tres copias de la DNA polimerasa III 
en lugar del modelo tradicional de dos copias que se presenta 
aquí. De acuerdo con este modelo revisado, dos de las tres enzi-
mas actúan sobre la hebra retrasada y una actúa sobre la hebra 
adelantada. Los experimentos con moléculas únicas han encon-
trado que la presencia de la polimerasa extra genera que la sínte-
sis de la hebra retrasada sea más eficiente, y también ayuda a que 
todo el replisoma se siga moviendo a lo largo de la plantilla de 
forma progresiva sin caerse. La manera en que se coordinan las 
actividades de las dos polimerasas de hebra retrasadas no está 
clara, pero el mecanismo de síntesis de la hebra retrasada se man-
tiene como se discute en esta sección.
Hebra plantilla adelantada
a)
b)
DNA polimerasa III
3�
5�
3�
5�
3'
5'
5′
3�
Hebra retrasada
Hebra plantilla retrasada DNA original no replicado
RNA primario 
#2
RNA primario
#1
Polimerasa liberada de la plantilla
Crecimiento de fragmento de 
Okazaki de la hebra retrasada
5�
3�
5�
5�
5'5�
5�
5�
5'
3� OH
3�
3�
5�
3�
5�
3�
El RNA primario #1 para ser reemplazado 
con DNA por la DNA polimerasa I; muesca 
sellada por la DNA ligasa
Fragmento de Okazaki completo
c)
Fragmento
de Okazaki
recién iniciado Antiguo fragmento 
de Okazaki
DNA helicasa
SSB
Subunidad β
Hebra adelantada
RNA primario
#3
RNA primario
#2
RNA primario
#3
RNA primario
#2
FIGURA 13-13 La replicación de las hebras adelantadas y retrasadas en la E. coli se lleva a cabo mediante dos DNA polimerasas, las cuales trabajan 
juntas como parte de un único complejo. a) Las dos moléculas de DNA polimerasa III viajan juntas, a pesar de que se mueven hacia los extremos opues-
tos de sus respectivas plantillas. Esto se logra al provocar que la hebra plantilla retrasada forme un lazo. b) La polimerasa libera la hebra plantilla retrasa-
da cuando encuentra el fragmento de Okazaki previamente sintetizado. c) La polimerasa que estaba involucrada en el ensamblaje del fragmento de 
Okazaki anterior, ahora se vuelve a unir más rápido a la hebra plantilla retrasada a lo largo de su longitud, y sintetiza DNA en el extremo del RNA primario 
#3 que ha acabado de construir la primasa.
Fuente: a-c) Tomada de D. Voet y J. G. VoeT, Biochemistry. 2a. ed. Copyright© 1995, John Wiley and Sons, Inc. Reimpreso con permiso de John Wiley and 
Sons, Inc.
REPASO
1. Compare las funciones de las DNA polimerasas I y III en la re-
plicación bacteriana.
2. ¿Cuál es la consecuencia de tener el DNA de la hebra plantilla 
retrasada enrollado sobre sí mismo como en la figura 13-13a)?
13.4 • Estructura y funciones de las D
N
A polim
erasas
52313.4 Estructura y funciones 
de las DNA polimerasas
La DNA polimerasa III, la enzima que sintetiza las hebras de 
DNA durante la replicación en la E. coli, es parte de una gran 
“máquina de replicación” llamada holoenzima DNA polimerasa III 
(consúltese FIGURA 13-14). Uno de los componentes no catalíticos 
de la holoenzima, denominada abrazadera β, mantiene la poli-
merasa asociada con el DNA plantilla. Las DNA polimerasas (co-
mo las RNA polimerasas) poseen dos propiedades algo contras-
tantes: 1) deben permanecer asociadas a la plantilla en tramos 
largos si van a sintetizar una hebra complementaria continua, y 
2) deben estar lo suficientemente sueltas para poder moverse a 
través de la plantilla desde un nucleótido al siguiente. Estas pro-
piedades contrastantes son proporcionadas por la abrazadera β 
en forma de rosquilla que rodea el DNA (véase FIGURA 13-15a) y 
se desliza a lo largo de ella. Siempre que esté unido a una “abra-
zadera corrediza”, una DNA polimerasa puede moverse de forma 
progresiva de un nucleótido al siguiente sin dispersarse fuera de 
la plantilla. La polimerasa en la hebra plantilla adelantada perma-
nece unida a una sola abrazadera β durante la replicación. Por el 
contrario, cuando la polimerasa en la hebra plantilla retrasada 
completa la síntesis de un fragmento de Okazaki, se desengancha 
de la abrazadera β y se cicla a una nueva abrazadera β que se ha 
ensamblado en una unión DNA plantilla-RNA primario ubicada 
más cerca de la horquilla de replicación (obsérvese figura 13-15b). 
Pero, ¿cómo se introduce una molécula de DNA altamente elon-
gada dentro de una abrazadera en forma de anillo como en la fi-
gura 13-15a)? El montaje de la abrazadera β alrededor del DNA 
requiere un cargador de abrazadera multisubunidad que también es 
parte de la holoenzima de la DNA polimerasa III (véanse figuras 
13-14, 13-15c). En el estado de unión al ATP, el cargador de abra-
zadera se une a una unióndel primario-plantilla, mientras se man-
tiene la abrazadera β en una conformación abierta como se ilustra 
en la figura 13-15c). Una vez que el DNA se ha introducido a 
través de la abertura en la pared de la abrazadera, el ATP unido 
al cargador de la abrazadera se hidroliza, lo que provoca la libera-
ción de la abrazadera, que se cierra alrededor del DNA. La abra-
zadera β está lista para unir la polimerasa III como se muestra en 
la figura 13-15b).
La DNA polimerasa I, que consiste en una sola subunidad, 
participa principalmente en la reparación del DNA, un proceso 
mediante el cual se corrigen las secciones dañadas del DNA (véa-
se sección 13.8). La DNA polimerasa I también elimina los RNA 
primarios en el extremo 59 de cada fragmento de Okazaki duran-
te la replicación y los reemplaza con DNA, como se describe en 
la figura 13-13b). La capacidad de la enzima para lograr esta ha-
zaña se analiza en la siguiente sección.
Actividades exonucleasas 
de las DNA polimerasas
Ahora que hemos explicado varias de las desconcertantes propie-
dades de la DNA polimerasa I, como la incapacidad de la enzima 
para iniciar la síntesis de hebras, se pueden considerar otras ob-
servaciones curiosas. Kornberg descubrió que las preparaciones 
de DNA polimerasa I siempre contenían actividades exonucleasa; 
es decir, fueron capaces de degradar los polímeros de DNA al eli-
minar uno o más nucleótidos del extremo de la molécula. Al prin-
cipio, Kornberg supuso que esta actividad se debía a una enzima 
contaminante porque la acción de las exonucleasas es tan radical-
mente opuesta a la de la síntesis de DNA. No obstante, la activi-
dad exonucleasa no pudo eliminarse de la preparación de la poli-
merasa y, de hecho, era una verdadera actividad de la molécula de 
la polimerasa. Posteriormente se demostró que todas las DNA 
polimerasas bacterianas poseen actividad exonucleasa. Las exonu-
cleasas se pueden dividir en 59→39 y 39→59 exonucleasas, depen-
diendo de la dirección en la que se degrada la hebra. La DNA 
polimerasa I tiene actividades de exonucleasa 39→59 y 59→39, ade-
más de su actividad de polimerización (consúltese FIGURA 13-16). 
Estas tres actividades se encuentran en diferentes dominios del 
único polipéptido. Por tanto, de manera notable, la DNA polime-
rasa I son tres enzimas diferentes en una. Las dos actividades exo-
nucleasas tienen funciones totalmente diferentes en la replicación. 
Consideraremos primero la actividad exonucleasa 59→39.
La mayoría de las nucleasas son específicas tanto para el DNA 
como para el RNA, pero la exonucleasa 59→39 de la DNA polime-
rasa I puede degradar cualquier tipo de ácido nucleico. La inicia-
ción de los fragmentos de Okazaki por la primasa deja un tramo 
de RNA en el extremo 59 de cada fragmento (véase el RNA pri-
mario #1 de la figura 13-13b), que se elimina mediante la activi-
dad exonucleasa de 59→39 de la DNA polimerasa I (obsérvese fi-
gura 13-16a). A medida que la enzima elimina los ribonucleóti- 
dos del primario, su actividad polimerasa llena simultáneamente 
el espacio resultante con desoxirribonucleótidos. El último des- 
oxirribonucleótido que se incorpora se une luego covalentemente 
al extremo 59 del fragmento de DNA sintetizado previamente me-
diante DNA ligasa. La función de la actividad de la exonucleasa 
39→59 será evidente en la siguiente sección.
Garantía de alta fidelidad durante 
la replicación de DNA
La supervivencia de un organismo depende de la duplicación 
precisa del genoma. Un error cometido en la síntesis de una mo-
lécula de RNA mensajero por una RNA polimerasa da como re-
sultado la síntesis de proteínas defectuosas, pero una molécula de 
DNA helicasa
τ
τ
Hebra
adelantada
γ-cargador de
abrazadera
Hebra
retrasada
Polimerasa nuclear
β abrazadera
(listo para cargar 
la abrazadera β para
el próximo fragmento 
de Okazaki)
FIGURA 13-14 Representación esquemática de la holoenzima de la DNA 
polimerasa III. La holoenzima contiene 10 subunidades diferentes organi-
zadas en varios componentes distintos. Incluido como parte de la holoen-
zima están 1) dos polimerasas centrales que replican el DNA, 2) dos o más 
abrazaderas β, las cuales permiten que la polimerasa permanezca asocia-
da con el DNA, y 3) un complejo de carga de abrazadera (), que carga 
cada abrazadera corrediza en el DNA. El cargador de abrazadera de una 
horquilla de replicación activa contiene dos subunidades, que retienen las 
polimerasas centrales en el complejo y también unen la helicasa. Otro tér-
mino, el replisoma, se usa a menudo para referirse al complejo completo 
de proteínas que está activo en la horquilla de replicación, que incluye la 
holoenzima de la DNA polimerasa III, la helicasa, las SSB y la primasa. (Si 
el replisoma bacteriano contiene tres moléculas de DNA polimerasa III, co-
mo se discutió en la página 522, entonces también contendría tres subu-
nidades  para contener todas las proteínas en un complejo, como se 
muestra en Science 2012;335:329).
Fuente: Basada en dibujos de M. O’Donnell.
C
APÍTU
LO
 13 • Replicación y reparación de D
N
A
524 5�
Hebra
plantilla
adelantada
Hebra
plantilla
retrasada
Fragmento de
Okazaki
previamente
sintetizado
Polimerasa III
Abrazadera
β
Abrazadera β
3� 5� 3�
b)a)
c)
FIGURA 13-15 Abrazadera corrediza β y cargador de abrazadera. a) Modelo de relleno de espacio 
que muestra las dos subunidades que forman la abrazadera corrediza con forma de rosquilla en la 
E. coli. El DNA bicatenario se muestra en azul dentro de la abrazadera. b) Diagrama esquemático 
del ciclo de la polimerasa en la hebra retrasada. La polimerasa se mantiene en el DNA mediante la 
abrazadera corrediza a medida que se mueve a lo largo de la hebra plantilla y sintetiza la hebra 
complementaria. Después de la finalización del fragmento de Okazaki, la enzima se desengancha 
de su abrazadera β y los cicla hacia una abrazadera ensamblada recientemente “en espera” de una 
unión corriente arriba RNA primario-DNA plantilla. La abrazadera β original se deja atrás durante un 
periodo en el fragmento de Okazaki terminado, pero finalmente se desmonta y se reutiliza. c) Un 
modelo de un complejo entre una abrazadera corrediza y un cargador de abrazadera de un proca-
riota arcaico basado en el análisis de imágenes microscópicas electrónicas. El cargador de abraza-
dera (que se muestra con las subunidades roja y verde) está unido a la abrazadera corrediza (azul), 
que se mantiene en una conformación espiral abierta que se asemeja a una arandela de seguridad. 
El DNA se ha presionado a través del espacio en la abrazadera. La hebra de DNA primario termina 
dentro del cargador de abrazadera, mientras que la hebra plantilla se extiende a través de una 
abertura en la parte superior de la proteína. El cargador de abrazadera se ha descrito como un “ta-
pón de rosca” que se ajusta al DNA de tal manera que los subdominios de la proteína forman una 
espiral que puede enroscarse en la estructura del DNA helicoidal. La reacción de carga de abraza-
dera se muestra en detalle en Science 2011;334:1675.
Fuente: a) Tomada de John Kuriyan, Cell 1992;69:427; con el permiso de Elsevier; b) Tomada de P. T. 
Stukenberg, J. Turner y M. O9Donnell. Cell 1994;78:878; Cell by Cell Press. Reproducida con permiso de Cell 
Press en formato de reutilización en un libro/libro de texto a través de Copyright Clearance Center; c) 
Tomada de T. Miyata, et al. Proc Nat9l Acad Sci USA. 2005;102: 3799, fig. 4c). © 2005 National Academy of 
Sciences, USA. Imagen proporcionada por cortesía de K. Morikawa, Osaka, Japón.
mRNA es solo una plantilla de vida corta entre una gran pobla-
ción de tales moléculas; por ello, el error dura poco. Por el con-
trario, un error cometido durante la replicación del DNA da co-
mo resultado una mutación permanente y la posible eliminación 
de la progenie de esa célula. En la E. coli, la probabilidad de que 
un nucleótido incorrecto se incorpore en el DNA durante la repli-
cación y permanezca allí es de menos de 10–9, o menos de uno de 
cada mil millonesde nucleótidos. Debido a que el genoma de la 
E. coli contiene aproximadamente 4 3 106 pares de nucleótidos, 
esta tasa de error corresponde a menos de una alteración de nu-
cleótido por cada 100 ciclos de replicación. Esto representa la tasa 
de mutaciones espontáneas en esta bacteria. Se cree que los hu-
manos tienen una tasa de mutación espontánea similar para la re-
plicación de secuencias de codificación de proteínas.
La incorporación de un nucleótido particular en el extremo 
de una hebra de crecimiento depende de que el nucleósido trifos-
fato entrante pueda formar un par de bases aceptables con el 
nucleótido de la hebra plantilla (véase figura 13-8b). El análisis de 
las distancias entre los átomos y los ángulos de enlace indica que 
los pares de bases A-T y G-C tienen una geometría casi idéntica 
(es decir, tamaño y forma). Cualquier desviación de esos empare-
jamientos da como resultado una geometría diferente, como se 
muestra en la FIGURA 13-17. En cada sitio a lo largo de la plantilla, 
la DNA polimerasa debe discriminar entre cuatro precursores po-
tenciales diferentes a medida que se mueven dentro y fuera del 
sitio activo. Entre los cuatro posibles trifosfatos de nucleósidos 
entrantes, solo uno forma un ajuste geométrico adecuado con la 
plantilla, produciendo un par de bases A-T o G-C que pueden 
caber en un bolsillo de unión dentro de la enzima. Este es solo el 
primer paso en el proceso de discriminación. Si la enzima “perci-
be” que el nucleótido entrante es correcto, se produce un cambio 
conformacional en el cual los “dedos” de la polimerasa giran ha-
cia la “palma” (véase FIGURA 13-18a), agarrando el nucleótido 
entrante. Este es un ejemplo de ajuste inducido como se discutió 
en la página 94. Si el par de bases recién formado exhibe una 
geometría inadecuada, el sitio activo no puede alcanzar la confor-
mación requerida para la catálisis, y el nucleótido incorrecto no 
se incorpora. Por el contrario, si el par de bases exhibe una geo-
metría adecuada, el nucleótido entrante se une covalentemente al 
extremo de la hebra en crecimiento.
En ocasiones, la polimerasa incorpora un nucleótido incorrec-
to, lo que da como resultado un par de bases mal apareadas, es 
decir, un par de bases distinto de A-T o G-C. Se estima que un 
apareamiento incorrecto de este tipo ocurre una vez por cada 
105–106 nucleótidos incorporados, una frecuencia que es 103–104 
veces mayor que la tasa de mutación espontánea de aproximada-
mente 10–9. ¿Cómo se mantiene la tasa de mutación tan baja? 
Parte de la respuesta se encuentra en la segunda de las dos acti-
525
13.4 • Estructura y funciones de las D
N
A polim
erasas 
vidades exonucleasas mencionadas anteriormente, la actividad 
39→59 (consúltese figura 13-16b). Cuando se incorpora un nucleó-
tido incorrecto por la DNA polimerasa I, la enzima se paraliza y 
el extremo de la hebra recién sintetizada tiene una tendencia in-
crementada a separarse de la plantilla y formar un término 39 
terminal de hebra simple. Cuando esto ocurre, el extremo deshi-
lachado de la hebra recién sintetizada se dirige al sitio de exonu-
cleasa 39→59 (véase figura 13-18), que elimina el nucleótido mal 
apareado. Este trabajo de “corrección” es una de las actividades 
enzimáticas más notables e ilustra la sofisticación a la que ha evo-
lucionado la maquinaria molecular biológica. La actividad exonu-
G
T
G
A
T
C
G
A
G
T
C
Sitio de hidrólisis de 
exonucleasa 5� 3�
Muesca de hebra simple
5�
3� 3�
5�
Sitio de hidrólisis de 
exonucleasa 3� 5�
Bases mal
emparejadas
5�
3�
3�
a)
b)
C A
A
A
T
C
G
A
T
C
T
C
A
G
G
C X
G
A
T
G
A
T
G C
T C
A
A
C
T
A
G
G
C
T
C
T
T
G
C
5�
FIGURA 13-16 Actividades exonucleasa de la DNA polimerasa I. a) La 
función exonucleasa de 59 → 39 elimina los nucleótidos del extremo 59 de 
una hebra simple cortada. Esta actividad también desempeña una función 
clave en la eliminación de los RNA primarios. b) La función exonucleasa 
39→59 elimina los nucleótidos mal apareados del extremo 39 de la hebra 
de DNA en crecimiento. Esta actividad realiza una función clave en el 
mantenimiento de la precisión de la síntesis de DNA.
Fuente: a-b) Tomada de D. Voet y J. G. Voet. Biochemistry. 2a. ed.; 
Copyright © 1995, John Wiley and Sons, Inc. Reimpresa con permiso de 
John Wiley and Sons, Inc.
T A
C 1�
O N
O
11.1
50° 51°
N H
H
H
H
N
N C 1�
N
N
T
CH3
CH3
C 1�
O
O
N H
C G
C 1�
ON
O
10.8
52° 54°
N H
H
H
H
H
N
N
N
C 1�
N
N
G
O
H
H
H N
N
N
C 1�
N
N
N
C
AC 1�
N
O
10.3
68°
46°
N N
H
H
H
H
N
N C 1�
N
N
H
N
10.3
69°
42°
FIGURA 13-17 Geometría de los pares de bases adecuados (parte supe-
rior) y mal emparejados (parte inferior).
Fuente: Tomada de Annual Review of Biochemistry. Vol. 60 por 
Richardson, Charles reproducida con permiso de Annual Reviews, 
incorporado en el formato Republish en un libro a través de Copyright 
Clearance Center.
FIGURA 13-18 Activación de la exonucleasa 39 → 59de la DNA polimera-
sa I. a) Modelo esquemático de una porción de la DNA polimerasa I, co-
nocida como fragmento de Klenow, que contiene la polimerasa y los sitios 
activos de exonucleasa 39→59. La actividad exonucleasa 59→39 está locali-
zada en una porción diferente del polipéptido, que no se muestra aquí. 
Las regiones del fragmento Klenow a menudo se asemejan a la forma de 
una mano derecha parcialmente abierta, de ahí las porciones etiquetadas 
como “dedos”, “palma” y “pulgar”. El sitio catalítico para la polimerización 
se encuentra en el subdominio central “palma”. El extremo 39 de la hebra 
en crecimiento puede transportarse entre los sitios activos de la polimera-
sa y la exonucleasa. La adición de una base mal emparejada al extremo 
de la hebra en crecimiento produce un extremo 39 deshilachado (de hebra 
simple) que ingresa al sitio de la exonucleasa, donde se elimina. (Los sitios 
de polimerasa y exonucleasa de la polimerasa III funcionan de manera si-
milar, pero están localizados en diferentes subunidades). b) Modelo mole-
cular del fragmento de Klenow en conjunto con DNA. La hebra de DNA 
plantilla que se copia se muestra en azul, y la hebra primaria a la que se 
agregarían los siguientes nucleótidos se muestra en rojo.
Fuente: a) Por T. A. Baker y S. P. Bell. Cell 1998;92:296, tomada de un 
dibujo de C. M. Joyce y T. A. Steitz. Cell by Cell Press. Reproducida con 
permiso de Cell Press en el formato de reutilización en un libro/libro de 
texto a través de Copyright Clearance Center; b) Cortesía de Thomas A. 
Steitz, Universidad de Yale.
b)
Dedos PulgarPalma
Hebra
plantilla
Hebra 
recién 
formada
Base mal
emparejada
3� OH 3�
5�
3�
5�
a)
Sitio exonucleasa
3� 5�
Base mal emparejada
para ser eliminada
C
APÍTU
LO
 13 • Replicación y reparación de D
N
A
526 cleasa 39→59 elimina aproximadamente 99 de cada 100 bases des-
ajustadas, lo que eleva la fidelidad a aproximadamente 107–108. 
Además, las bacterias poseen un mecanismo llamado reparación 
de desapareamientos que opera después de la replicación (p. 534) 
y corrige casi todos los desajustes que escapan al paso de Repaso. 
En conjunto, estos procesos reducen la tasa de error global obser-
vada a aproximadamente 10–9. Así, la fidelidad de la replicación 
del DNA se puede remontar a tres actividades distintas: 1) selec-
ción precisa de nucleótidos, 2) Repaso inmediata y 3) reparación 
de apareamiento posterior.
Otra característica notable de la replicación bacteriana es su 
velocidad. La replicación de un cromosoma bacteriano completo 
en aproximadamente 40 minutos a 37 °C requiere que cada hor-
quilla de replicación se mueva aproximadamente 1 000 nucleóti-
dos por segundo, lo que es equivalente a la longitud de un frag-
mento completo de Okazaki. Por tanto, todo el proceso de síntesis 
de fragmentos de Okazaki, incluida la formación de un RNA 
primario, elongación del DNA y corrección simultánea por la 
DNA polimerasa, escisión del RNA, su reemplazo con DNA y li-
gadura de hebras, se produceen pocos segundos. Aunque la E. 
coli tarda aproximadamente 40 minutos en replicar su DNA, pue-
de comenzar una nueva ronda de replicación antes de que se 
complete la ronda anterior. En consecuencia, cuando estas bacte-
rias crecen a su ritmo máximo, duplican su número en aproxima-
damente 20 minutos.
en Estados Unidos y después de que solo un ensayo clínico de-
mostrara ser altamente efectivo para prevenir la muerte por infec-
ción del VIH. De hecho, fue tan efectivo que el ensayo finalizó 
temprano para que el medicamento pudiera aprobarse más rápi-
damente.
REPASO
1. Describa la función de la DNA helicasa, las SSB, la abrazade-
ra, la DNA girasa y la DNA ligasa durante la replicación en 
bacterias.
2. ¿En qué se diferencian las dos actividades exonucleasas de la 
DNA polimerasa I? ¿Cuáles son sus respectivas funciones en 
la replicación?
3. Describa los factores que contribuyen a la alta fidelidad de la 
replicación del DNA.
13.5 Replicación en los virus
A menudo los virus producen su propia maquinaria de replica-
ción. El sistema de replicación del bacteriófago T4 desempeñó 
una función particularmente importante como sistema experi-
mental para diseccionar los mecanismos de replicación del DNA. 
Algunos virus como el VIH tienen genomas basados en RNA, 
pero como parte de su ciclo de replicación producen una copia de 
DNA de su genoma utilizando la enzima transcriptasa inversa 
(RT, reverse transcriptase). Como se discutió en “Perspectiva hu-
mana” en el capítulo 3 (véase sección 3.8) la transcriptasa inversa 
tiene una tasa de error mucho más alta que las DNA polimerasas 
bacterianas o humanas. Pero debido a que la enzima es menos 
selectiva en los nucleótidos que incorpora, es capaz de incorporar 
análogos de nucleótidos en la hebra de DNA recién sintetizada. 
Uno de tales análogos es la azidotimidina o AZT (azidothymidine). 
La AZT se parece a la timidina, pero el grupo 39OH se reemplaza 
por un grupo azida. Si la AZT se incorpora al DNA, crea un blo-
queo para una mayor polimerización porque no hay 39OH para 
extender la hebra. Debido a que la transcriptasa inversa puede 
incorporar AZT en el DNA, mientras que las polimerasas eucario-
tas (véase sección 13.6) no pueden, el fármaco inhibe selectiva-
mente la síntesis de DNA mediante la transcriptasa inversa del 
VIH. El descubrimiento de que la AZT bloquea la transcripción 
reversa del VIH fue un gran avance, y llegó en un momento en 
que el rápido crecimiento del VIH/sida, combinado con una falta 
total de medicamentos para tratarlo, estaba creando una sensa-
ción de terror en la comunidad médica. La AZT se aprobó por la 
FDA en 1987, solo seis años después de que se reconociera el sida 
REPASO
1. ¿Cómo la bioquímica diferente de la transcriptasa inversa hace 
que los virus como el VIH sean más vulnerables a los análo-
gos de nucleótidos?
13.6 Replicación del DNA 
en las células eucariotas
Como se señaló en el capítulo 10, las letras de nucleótidos de la 
secuencia del genoma humano llenarían un libro de aproximada-
mente un millón de páginas. Si bien cientos de investigadores 
tardaron varios años en secuenciar inicialmente el genoma huma-
no, un núcleo de una sola célula de aproximadamente 10 μm de 
diámetro puede copiar todo este DNA en unas pocas horas. Dado 
el hecho de que las células eucarióticas tienen genomas grandes 
y una estructura cromosómica compleja, nuestra comprensión de 
la replicación en eucariotas ha quedado retrasada con respecto 
a la de las bacterias. Este desequilibrio se ha abordado mediante 
el desarrollo de sistemas experimentales eucariotas que son para-
lelos a los utilizados durante décadas para estudiar la replicación 
bacteriana. Éstos incluyen
●● Aislamiento de levadura mutante y células animales incapa-
ces de producir productos genéticos específicos requeridos 
para varios aspectos de la replicación.
●● Análisis de la estructura y el mecanismo de acción de las pro-
teínas de replicación de especies de arqueas (como en la figura 
13-15c). La replicación en estos procariotas comienza en múl-
tiples orígenes y requiere proteínas que son homólogas a las 
de las células eucariotas, pero son menos complejas y más 
fáciles de estudiar.
●● Desarrollo de sistemas in vitro donde la replicación puede 
ocurrir en extractos celulares o mezclas de proteínas purifica-
das. El más valioso de estos sistemas ha utilizado Xenopus, 
una rana acuática que comienza su vida como un enorme 
huevo con todas las proteínas necesarias para llevarlo a través 
de una docena de rondas muy rápidas de división celular. Se 
pueden preparar extractos de estos huevos de rana que repli-
carán cualquier DNA que se le añada, independientemente 
de la secuencia. Los extractos de huevos de rana también apo-
yarán la replicación y la división mitótica de los núcleos de 
mamíferos, lo que ha hecho que este sea un sistema libre 
de células particularmente útil. Los anticuerpos pueden usar-
se para reducir los extractos de proteínas particulares, y la 
capacidad de replicación del extracto puede probarse en au-
sencia de la proteína afectada.
Iniciación de la replicación 
en células eucariotas
La replicación en la E. coli comienza en solo un sitio a lo largo del 
cromosoma único circular (obsérvese figura 13-5). Las células de 
organismos superiores pueden tener mil veces más DNA que esta 
bacteria, pero sus polimerasas incorporan nucleótidos en el DNA 
a tasas mucho más lentas. Para acomodar estas diferencias, las 
células eucarióticas replican su genoma en pequeñas porciones, 
denominadas replicones. Cada replicón tiene su propio origen a 
partir del cual las horquillas de replicación avanzan hacia afuera 
en ambas direcciones (véase figura 13-23a). En una célula huma-
13.6 • Replicación del D
N
A en las células eucariotas 
527na, la replicación comienza en aproximadamente 10 000 a 
100 000 orígenes de replicación diferentes. La existencia de repli-
cones se demostró por primera vez en experimentos autorradio-
gráficos en los que se demostró que las moléculas de DNA indi-
viduales se replicaban simultáneamente en varios sitios a lo largo 
de su longitud (véase FIGURA 13-19).
Aproximadamente de 10 a 15% de los replicones participan 
activamente en la replicación en cualquier momento dado durante 
la fase S del ciclo celular (consúltese figura 14-1). Los replicones 
localizados muy juntos en un cromosoma dado experimentan re-
plicación simultáneamente (como se evidencia en la figura 13-19). 
Además, aquellos replicones activos en un momento particular 
durante una ronda de síntesis de DNA tienden a ser activos en un 
momento comparable en las rondas siguientes. En las células de 
mamíferos, el momento de la replicación de una región cromosó-
mica está aproximadamente correlacionado con la actividad de los 
genes en la región y/o su estado de compactación. La presencia de 
histonas acetiladas, que están estrechamente relacionadas con la 
transcripción génica (p. 497), es un factor probable para determi-
nar la replicación temprana de los loci genéticos activos. Las regio-
nes más altamente compactadas y menos acetiladas del cromoso-
ma están empaquetadas en heterocromatina (consúltese sección 
12.4), y son las últimas regiones en ser replicadas. Esta diferencia 
en el momento de la replicación no está relacionada con la secuen-
cia de DNA porque el cromosoma X heterocromático inactivo en 
las células de mamíferos hembra (p. 469) se replica tarde en la fase 
S, mientras que el cromosoma X eucromático activo se replica en 
una etapa anterior. Del mismo modo, el locus β globina se replica 
temprano durante la fase S en las células eritroides donde se ex-
presa el gen, pero mucho más tarde en las células no eritroides 
donde el gen permanece en silencio.
El mecanismo por el cual se inicia la replicación en eucariotas 
ha sido un foco de investigación en la última década. El mayor 
progreso en esta área se ha realizado con la levadura en ciernes 
porque los orígenes de la replicación pueden eliminarse del cro-
mosoma de levadura