Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-63

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De cerca Estructura y rep licación de l ADN
E s t r u c tu ra d e l A D N
Para entender la repllcadón d e l ADN, tenem os q ue regresar a 
su estructura, l o s b ioquím icos siguen e l rastro d e los átom os 
d e una m olécula com pleja num erándolos. En el caso d e un 
nucleótldo, los átom os q ue form an la s 'e sq u in as ' d e la base 
están num erados del I al 6 para c itosina y tlm ina q ue tienen 
un solo an illo , y del I al 9 para adenina y guan ina que 
llevan un an illo doble, lo s átom os d e ca rbono del azúcar 
se num eran del I ’ a l 5 '. Se usa el sím bolo d e prim a O para 
d istingu ir los átom os del azúcar d e los átom os d e la base. Los 
carbonos d e l azúcar se llam an ’ l p rim a ' a '5 p rim a ' (F IG U R A 
E l ) -4).
El azúcar d e un nucleótldo tiene dos 'e x tre m o s ' que 
pueden partic ipar en la síntesis de la co lum na de azúcar 
y fosfato de la hebra d e ADN, un extrem o 3' que tiene un 
g rupo lib re —O H (h id roxilo ) unido al carbono 3' d e l azúcar, 
y un extrem o 5’ que tiene un grupo fosfato unido al carbono 
5 ’. Cuando se sintetiza una hebra d e ADN, e l fosfato de 
un nucleótldo se une con e l grupo hidroxilo d e l azúcar del 
siguiente nucleótldo (f i g u r a E l 1-5).
C on esto queda todavía un grupo hidroxilo lib re e n el 
extrem o 3* d e un nudeó tido y un grupo fosfato lib re en 
e l extrem o 5 'del o tro nucleótldo. No Im porta cuántos 
nucleótidos se unan, siempre queda un hidroxilo lib re e n el 
extrem o 3' de la hebra y un fosfato lib re e n e l extrem o 5'.
la s co lum nas d e azúcar y fosfato d e las d o s hebras de 
una doble hélice son antlparalelas. lo que significa que corren 
e n d irecciones opuestas. Por tanto, en un extrem o de una 
doble hélice una hebra tiene un hidroxilo lib re e n e l azúcar (el 
ex trem o 3’X m ientras q ue la o tra hebra tiene un fosfato Ubre 
(e l extrem o 5*X En el o tro extrem o de la doble hélice, los 
extrem os de la hebra están invertidos (F IG U R A E l 1 -6).
R e p llc a c ió n d e l A D N
l a replicación d e l A D N consta d e tres acciones principales 
(F IG U R A E11-7X En prim er lugar, la doble hélice d e l ADN 
debe abrirse para q ue sea posible Interpretar la secuencia de 
bases. Enseguida, es necesario s intetizar nuevas hebras 
d e ADN con la secuencia d e bases com plem entarla d e las 
d o s hebras origina les. En las célu las eucariontes, estas 
nuevas hebras d e A D N se s intetizan e n secciones m u y cortas.
O H H
A F IG U R A E l 1*4 N u m e ra c ió n d e b s á to m o s de 
c a rb o n o e n u n n u c le ó t id o
ftjr tanto, el te rcer paso de la replicación del A D N e s un ir las 
secciones para form ar una nueva hebra con tinua d e A D N . Cada 
paso e s realizado por un con junto diferente de enzimas.
La AD N h e lk a s a s e p a ra las h eb ras 
d e l AD N o r ig in a l o p a re n ta l
En sintonía con o tras enzim as, la ADN helicasa rom pe los 
enlaces d e hidrógeno en tre pares de bases com plem entarias 
que mantienen unidas las dos hebras del ADN original.
C on esto se separa y desenrolla la doble hélice orig ina l y 
se forma una 'b u rbu ja ' d e replicación (F IG U R A E l 1-7 # 
y O I. La burbuja d e replicación contiene una 'h o rq u illa ' de 
replicación en cada extrem o, donde la s dos hebras del ADN 
original apenas com ienzan a desenrollarse. En la burbuja de 
rep llcadón. las bases de las hebras d e l A D N orig ina l dejan 
de estar emparejadas.
La A D N p o lim e ra sa s in te tiz a n u e v a s h e b ra s d e AD N
Las burbujas d e repllcación son esenciales porque perm iten 
que una segunda enzim a, la A D N polim erasa. pase a las bases 
de cada hebra d e A D N (R G U R A E l 1-7 Q i. En cada horquilla de 
replicación, un com plejo de ADN polim erasa y o tras proteínas 
se unen a cada hebra original. Po r tanto, habrá dos com plejos 
de A D N polimerasa, uno e n cada hebra original. La ADN 
polimerasa reconoce una base sin par d e la hebra original 
y la une a una base com plem entarla en un nucleótido libre. 
Luego, la ADN polim erasa cataliza la formación d e nuevos 
enlaces cova len tes que unan e l fosfato del nucleótido libre 
nuevo (e l extrem o S ‘)c o n el azúcar del nucleótido añadido 
m ás recientem ente (e l extrem o 3’) d e la hebra h ija q ue va 
creciendo. D e esta m anera, la ADN polim erasa s intetiza la 
colum na de azúcar y fosfato de la hebra hija.
¿Po r q ué se form an burbujas de rep licación en lug ar de 
sim plem ente em pezar en un extrem o d e la d ob le hé lice y
extremo 5’.
O H H 
extremo 3*
A R G U R A E l 1-5 N u m e ra c ió n d e lo s á to m o s d e c a rb o n o 
e n u n d in u c le ó t id o
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A D N : b molécub de b herencia 2 1 1
H
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extremos'
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enlaces d e hidrógeno 
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libre
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▲ F IG U R A E11-6 L a s d o s h e b ra s d e u n a d o b le h é lic e d e A D N so n a n tip a ra le la s
dejar q ue una m olécula d e ADN polim erasa copie el A D N de una 
sección con tinua hasta el o tro extrem o? Bueno, los crom osom as 
eucariontes son m uy largos: los crom osom as hum anos v a n de 
unos 23 m illones d e bases e n e l d im inuto crom osom a Y a unos 
246 m illones de bases en el crom osom a I . El A D N eucarlonte se 
cop ia a un ritm o d e unos SO nucleótidos por segundo , a s i que 
se necesitarían de cinco a 5 7 d ías para cop ia r los crom osom as 
hum anos en un a sección co n tinua . Para rep lica r un crom osom a 
entero en un tiem po razonable, muchas enzim as d e ADN 
helicasa ab ren muchas burbujas d e rep llcadón , a m odo d e que 
las enzim as de A D N polim erasa cop ien las hebras orig ina les en 
secciones m u y pequeñas. Las burbujas crecen con fo rm e avanza 
la replicación d e l A D N y se unen cuando entran en contacto unas 
con otras.
la ADN polim erasa siempre se ale ja d e l extrem o 3 ' d e una 
hebra d e ADN o rig ina l (es decir, d e l extremo con el grupo 
N drox llo lib re d e l azúcar). S iem pre se agregan nuevos nucleótidos 
al extrem o 3' d e b hebra hija. En o tras palabras, la ADN
polimerasa m ueve 3 ' -* 5* e n una hebra 
original y , sim ultáneam ente, m ueve 
5‘ -♦ 3 ' en la hebra hija. Po r últim o, 
como las dos hebras d e la doble hélice 
de ADN orig ina l están orien tadas en 
d irecciones opuestas, las m oléculas de la 
ADN polim erasa se m ueven igualm ente 
en sentido con trario en las dos hebras 
orig ina les (véase la figura E l 1-7 O ).
La A D N helicasa y la A D N polim erasa 
co laboran (F IG U R A E11-7 O )- Una 
ADN helicasa ‘ aterriza’ e n la doble 
hélice y la recorre para desenro llarla y 
separar las hebras. Com o las d o s hebras 
de ADN co rren en d irecciones opuestas, 
conform e un a enzim a de A D N helicasa 
se m ueve hacia el extrem o 5 ' d e una 
hebra orig ina l, avanza sim ultáneam ente 
hacia el extrem o 3' de la o tra hebra 
original. Ahora visualicem os d o s ADN 
polim erasas q ue se depositan en las 
dos hebras separadas de A D N . Una 
ADN polim erasa (llam ém osla polim erasa 
I ) puede seguir a la helicasa hacia el 
extrem o 5' de la hebra orig ina l y puede 
sintetizar una hebra de ADN hija de 
forma con tin ua hasta que en tra e n otra 
burbuja d e rep licación . Es ta hebra 
hija de ADN q ue se s intetiza d e forma 
con tinua se llam a hebra líder. Ahora 
bien, e n la o tra hebra orig ina l, la 
polim erasa 2 s e ale ja de la helicasa: 
e n O d e la figura E l I-7. observa que 
la helicasa se m ueve a la izquierda, 
m ientras q ue la ADN polim erasa 2 lo 
hace a la derecha . Por tanto, la síntesisdel ADN e n es ta hebra será d iscontinua: 
la ADN polim erasa 2 s in te tiza rá una 
nueva hebra corta de ADN llam ada hebra 
rezagada, p ero en tre tan to , la helicasa 
sigue su m ovim iento a la Izquierda y 
desenro llando m ás d e la doble hélice 
(v é a se figura E l i -7 Q y ©>■ O tras ADN polim erasas (núm ero 
3. 4. e tc .) deben depositarse e n es ta hebra y s in te tiza r más 
hebras rezagadas cortas.
L a AD N lig a s a un e lo s seg m en to s d e AD N
Num erosas ADN polim erasas sintetizan secciones d e ADN de 
d iversa longitud. Cada crom osom a puede form ar cien tos de 
burbujas d e replicación. En cada burbuja habrá una hebra líder, 
de c ien to s d e m iles de pares de nucleótidos. y d e docenas 
a m ile s de hebras rezagadas, cada una con alrededor de 
100 a 200 pares de nucleótidos. Por tanto, una cé lu la puede 
sintetizar m illones d e secciones d e ADN cuando replica un 
único crom osom a. ¿Cóm o se unen todos estos fragmentos?
E s lo que hace la tercera enzim a im portante, la A D N lig a s a 
Cenzim a q ue une el A D N"; F IG U R A E l 1-7 O ) . Muchas enzim as 
de A D N ligasa zurcen los fragm entos d e A D N hasta que la 
hebra hija consta d e un único polím ero largo y con tinuo de 
ADN.
(co n tin ú a )
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2 1 2
la A D N polim 
continúa p o r la hebra 
d d A D N original
3'
alejamiento d e la 
ADN pohmoraso 2
polim erasa 3
H e r e n c ia
ADN
la ADN bgasa un e las 
hebras hijos d e ADN
A R G U R A E 1 1-7 R e p lic a c ió n d e l A D N # Las enzim as d e ADN hellcasa separan las hebras originales d e un cromosoma para formar 
burbujas d e replicación. Q C a d a burbuja de replicación consta de d o s horquillas de replicación entre la s cuales hay hebras de ADN 
desenrolladas. O Las enzim as de ADN polimerasa sintetizan nuevas secciones de ADN. O La ADN hellcasa avanza por la doble hélice del ADN 
original, la desenrolla y ensancha la burbqja de replicación. Las ADN pollm erasas de la burbuja de replicación sintetizan hebras de ADN hijas. 
O La ADN ligasa une los pequeños fragmentos de ADN e n una única hebra hija.
P R E G U N T A Durante la síntesis, ¿por q ué la ADN polimerasa se aleja de la horquilla de replicación e n las dos hebras?
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Dable hélice 
do ADN
replicación del ADN
4
I Cbs héhces dobles 
_ _ I de A D N idénticas,
- cada un a co n una 
hebra original o 
paren tai (azuí) y una 
ruova hebra hija (roja)
A R G U R A 11-7 R e p lic a c ió n s e m ic o n s e rv a t iv a d e A D N
A D N o rig in a l y s in te tiza un a h eb ra nueva. P o r tan to , e l p rocesóse 
lla m a re p lic a c ió n s e m ic o n s e rv a t iv a (R G U R A 11-7).
S i n o se com etieron errores, la secuenc ia d e bases d e las dos 
hélices dob les de A D N es idén tica a la secuencia de bases d e la 
dob le h é lice d e A D N o rig ina l y, desde luego, un a a la otra.
R io F l ix D N A R e p l ic a t io n (d is p o n ib le e n In g lé s )
11.5 ¿C Ó M O O C U R R E N LA S M U T A C IO N ES ?
N ad a es perfecto, n i siqu iera el A D N d e tus células. I x m cam bios 
en la secuencia d e bases d e l A D N sue le d ar por resu ltado u n gen 
defectuoso, lo q ue se llam a un a m u ta c ió n . En la m ayo r parte de 
las células, las m utaciones se reducen a l m ín im o por la rep licación 
extrem adam ente precisa d e l A D N , la 're v is ió n d e orig ina les* del 
A D N recién s intetizado y la reparación d e todos los cam bios 
d e l A D N q ue puedan ocurrir au n cuando n o se replica e l A D N .
La replicación precisa y la revisión 
producen A D N casi sin errores
La especificidad de los enlaces d e hidrógeno entre p a r a d e bases 
com plem entarias hace q ue la rep licación d e l A D N sea m u y exacta, 
l a A D N polimerasa incorpora bases incorrectas aproxim adam ente 
un a wrz e n cada m il a 1 0 0 m il p a r a d e bases; s in em bargo, las 
hebras com pletas d e A D N contienen apenas alrededor de u n error 
cada 1 0 0 a m il m illo nes de pares d e bases (e n los seres hum anos, 
a m enos d e u n o p o r crom o so m a p o r rep licación ). Esta u s a de 
m o r fenom cnalm ente baja a ob ra de una variedad d e enzim as 
d e reparación del A D N que revisan cada hebra h ija durante y des­
pués d e la síntesis. Po r e jem p lo , algunas form as d e A D N polímera-
sa reconocen u n error en e l em pare jam ien to d e un a base cu an d o se 
com ete. Este tipo de A D N polim erasa se detiene, corrige e l e rro r y 
con tin úa con la síntesis d e l A D N .
Los errores pueden ocurrir
Pese a e s u sorprendente exactitud, n i los seres h u m an os n i otros 
organism os tienen A D N exento d e e r r a ra . A dem ás d e los raros 
errores com etidos duran te la rep licación n o rm a l del A D N , diversas 
condiciones am bientales pueden d añ a r e l A D N . Po r e jem p lo , cier­
tos com puestos qu ím ico s (co m o los que conform an e l h u m o del 
c igarro ) y algunas form as de rad iación (co m o los rayos ultravio leta 
d e l a lu z so lar y los rayos X ) aum entan la frecuencia d e errores en 
el em pare jam ien to d e las bases durante la rep licación o au n indu­
cen cam b ios e n la com pos ic ión d e l A D N en tre rep licadones. Casi 
todos estos cam b ios e n la secuencia del A D N los arreglan enzim as 
reparadoras d e las célu las. S in em bargo, es inev itab le q ue queden 
algunos.
Las m utaciones van de cam bios 
en pares de nudeótidos simples 
a desplazam ientos de grandes 
piezas de crom osom as
En la re p licad ó n , ocas iona lm en te n o concuerda un p ar d e bases. 
Po r lo general, las enz im as d e reparación reconocen e l desajuste, 
c o n a n c l n u d e ó tid o e q u ivocad o y lo sustituyen co n un nucleóti- 
d o q ue lleva un a base com p lem en taria . S in em bargo, a veces, las 
enz im as reem p lazan e l n u d e ó t id o o rig ina l e n lugar d e l equ ivoca ­
d o . E l p a r de bases q ue se p roduce es com p lem en tario , p ero es in ­
correcto. Estas s u s t itu c io n e s d e n u d e ó t id o s tam b ién se llam an 
m u ta d o n e s p u n tu a le s porque cam b ian n u d e ó tid o s in d iv id u a ­
les d e la secu end a del A D N (R G U R A 11 -8s). O cu rre un a m uta- 
d ó n p o r in s e r d ó n cu an d o u n o o m ás pares d e n u d e ó tid o s se 
insertan e n la d ob le hé lice de A D N (R G U R A 11 -8b). Se produce 
u n a m u ta d ó n p o r s u p re s ió n cuando se e lim in a n u n o o más 
pares de n u d e ó tid o s d e la d o b le hé lice (F IG U R A 11-8c).
T am b ié n ocurre q ue se reorganicen secao n es d e u n a o m o ­
som a con tam añ o variab le de u n ú n ico n u d e ó tid o a secaones 
enorm es d e l A D N . O a ir r e u n a in v e rs ió n a ta n d o un a se cr ió n de 
A D N se corta d e u n a o m o so m a , se inv ie rte y s e reinserta e n el es­
p a d o (F IG U R A 11-8d). P o r ú ltim o , h a y un a t r a n s lo c a d ó n cuan­
d o se rem ueve u n segm ento de A D N , p o r lo regu lar m u y grande, 
d e u n crom osom a y se inserta e n o tro (R G U R A 11-8«).
Las m utaciones tienen efectos diversos 
en las funciones
Las m u tadones suelen ser noc ivas, tal co m o algunos cam b ios aza­
rosos a la m itad d e H am let d e Shakespeare interrum pirían e l curso 
d e la obra . Si un a m u tad ó n es m u y perjud ida l, es pos ib le q ue la cé­
lu la d e l o rgan ism o q ue la hereda m uera rápidam ente. Pero algunas 
m u tadones n o tienen efecto o , e n casos m u y raros, so n benéficas, 
co m o verem os e n e l cap ítu lo 12. la s m utadones q ue son benéfi­
cas, a l m enos e n cienos am bientes, pueden ser favoreddas p o r Li 
se lección natural y so n el fundam ento d e lae vo lu d ó n d e la v id a en 
la Tierra (tróse la u n id ad 3).
A D N : la molécula de b herencia 2 1 3
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