Unidad 1. Replicación

U1

Biología molecular I Replicación

Programa de la asignatura:

Biología molecular I

U1

Replicación

0 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Índice Presentación de la unidad…………………………………………………………………………2 Propósitos…………………………………………………………………………………………...2 Competencia específica…………………………………………………………………………...3 1.1. Importancia de la replicación en la división celular………………………………………..3 1.1.1. Definición de la Replicación………………………………………………………………..6 1.1.2. Tipos de División Celular……………………………………………………………….….9 1.2. Replicación en procariotas………………………………………………………………….14 1.2.1. Características del ADN de los procariotas…………………………………………….14 1.2.2. Pasos de la replicación…………………………………………………………………...19 1.3. Replicación en eucariotas…………………………………………………………………..26 1.3.1. Características del ADN de los eucariotas……………………………………………..26 1.3.2. Pasos de la replicación……………………………………………………………………33 Actividades………………………………………………………………………………………...38 Autorreflexiones…………………………………………………………………………………...38 Cierre de la unidad………………………………………………………………………………..38 Para saber más……………………………………………………………………………………40 Fuentes de consulta………………………………………………………………………………41

1 Universidad Abierta y a Distancia de México

Biología molecular I

U1

Replicación

Presentación de la unidad En esta primera unidad de la materia de Biología Molecular vamos a analizar cómo las células pueden realizar la División Celular y de esta manera reproducirse. Para ello, las dos células hijas deben contener el ADN completo por lo que es necesario obtener dos moléculas idénticas en la Replicación. Analizaremos este proceso en células procariotas y eucariotas viendo las semejanzas y diferencias entre ellas, debido principalmente, a la diferencia en la estructura de sus respectivos cromosomas. Así mismo, veremos la importancia de todos estos procesos para un Ingeniero en Biotecnología y como lo podremos aplicar en la Ingeniería Genética.

Propósitos

El propósito de esta primera unidad es que el estudiante entienda cómo ocurre el proceso de replicación en células procariotas y eucariotas y su importancia en la división celular y su implicación en la evolución. Por ello, se propone que alcances los siguientes logros:    

Identificar las células según su división celular.

Reconocer la cadena líder y la cadena retardada durante la replicación.

Explicar la importancia de la variabilidad genética en la evolución Reconocer la importancia de la evolución

2 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Competencia específica

Explicar los mecanismos genéticos, mediante el entendimiento de la replicación en procariotas y eucariotas, como base para la división celular

1.1. Importancia de la replicación en la división celular Comencemos entendiendo cómo hemos llegado a ser como somos, cómo a partir de una célula procariota ocurrió la evolución hasta llegar a la raza humana y de esta manera veremos cómo podemos utilizar esta información para obtener un bien o un servicio como Ingenieros en Biotecnología. Para ello, primero tenemos que entender que las proteínas, y específicamente, las enzimas son las encargadas de darnos la vida. ¿Qué diferencia hay entre un ser vivo y su cadáver? Realmente, cuando una célula muere sigue teniendo las cuatro biomoléculas que estudiamos la materia de Bioquímica, es decir, polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucléicos, ¿entonces, qué ocurre? La repuesta es muy simple, lo que hace que estemos “vivos” son las actividades enzimáticas que se encargan de realizar todos los procesos bioquímicos que estudiamos en materias pasadas. Si las enzimas (que son proteínas) dejan de tener actividad entonces la célula deja hacer sus funciones y por tanto muere. Aun así, hay que entender la importancia del resto de las biomoléculas: sin polisacáridos no tendríamos la materia prima para obtener energía (entre otras funciones), sin los lípidos tampoco tendríamos energía ni se formaría la membrana celular que delimita la célula, y sin los ácidos nucléicos no tendríamos la información para poder sintetizar las proteínas; así que todas las biomoléculas son importantes.

3 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

En la 2ª unidad analizaremos cómo se sintetizan las proteínas a partir de la información que se encuentra en el ADN (gen), ahora nada más quiero que entiendan este papel fundamental para poder explicar cómo ocurre la evolución y que un cambio en la secuencia de ADN (mutación) puede conllevar a un cambio en la proteína que codifica.

Hay muchas maneras de explicar la evolución, específicamente la evolución biológica está definida, según la Real Academia Española, como “Proceso contínuo de transformación a través de cambio producidos en sucesivas generaciones”. La información que se hereda de una generación a otra es la información genética que está en el ADN, por lo que la evolución ocurre siempre y cuando se den modificaciones en esta biomolécula y si éstas pasan a la descendencia. Todo este proceso está explicado según la Teoría de la Evolución de Charles Robert Darwin, quien en 1859 publicó el famoso libro “El origen de las especies” donde presenta su teoría que explica que el cambio dentro de una especie o la aparición de una nueva especie ocurre con tres pasos principales (Mermelada, 2009): 1. Variación: los individuos de una especie poseen diferentes características que se manifiestan en él y que son visibles (fenotipo), mismas que vienen determinadas por las características genéticas (secuencia de ADN) que poseen (genotipo). De esta manera, y como hemos explicado anteriormente, un cambio en la secuencia del ADN (mutación) puede conllevar a un cambio en un gen determinado que se manifestará en un cambio de su proteína y por lo tanto de su fenotipo. Para que ocurra la evolución, es necesario que se una variación y que ésta sea positiva para el entorno donde el individuo se desarrolle.

2. Competencia: en este sentido hay que entender que los individuos dentro y fuera de una misma especie compiten unos con otros para su supervivencia y reproducción. ¿Han visto alguna vez cómo los cachorros se pelean para poder ser amamantados por su madre? ¿Cómo los diferentes animales compiten entre sí para poder ser elegidos por las hembras y reproducirse? En este sentido, si las variaciones que se han dado (mutaciones) son positivas, los seres que las hayan tenido podrán tener alguna ventaja frente a sus semejantes.

3. Herencia: la última parte de esta teoría es que, para que ocurra la evolución, todos los cambios que hemos visto y que son positivos para el individuo deben ser transmitidos a la descendencia. Cuando los cambios son muy fuertes pueden llegar a generar una nueva especie.

Hay un ejemplo clásico para entender este concepto, específicamente de microevolución por selección natural, y es el caso de las polillas moteadas (Bismo betulia) en Inglaterra. Antes de la revolución industrial, los árboles en Inglaterra eran claros, y las polillas que allí habitaban eran de este mismo color y así se podían camuflar de sus depredadores. De repente, por cambios en el ADN, aparecía una polilla negra ya que producía una proteína que le daba este color, ésta era visible para los depredadores 4 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

de manera que la eliminaban antes de que se pudiera reproducir y la mayoría de la población de polillas eran blancas. Cuando comenzó la revolución industrial y la contaminación, los árboles en Inglaterra empezaron a cambiar de color como consecuencia del hollín de manera que las cortezas ennegrecieron.

Así, las polillas negras que antes eran devoradas fácilmente, ahora se podrían reproducir ya que se camuflaban mejor; y la población de polillas cambió de color. En 1952, el Parlamento británico aprobó leyes para limpiar el aire de manera que se disminuyó la quema de carbón, la tecnología cambió y se hizo más limpia por lo que los árboles volvieron a ser claros de nuevo, ¿de qué color será la población de polillas en la actualidad? Efectivamente, ahora son blancas. En la figura 1 pueden observar estas polillas en un árbol oscuro y una explicación más detalladas de este proceso lo puedes encontrar en el blog publicado en la página http://antropicos.blogspot.mx/2009/02/polillasmoteadas.html.

Figura 1. Polillas sobre un árbol oscuro; como pueden observar la polilla negra está mejor camuflada por lo que es más difícil que sea devorada, como ocurrió durante la revolución industrial (foto tomada de http://antropicos.blogspot.mx/2009/02/polillas-moteadas.html)

Como pueden observar, los cambios en el ADN, cambian las proteínas y pueden tener consecuencias positivas de manera que den una ventaja selectiva y así se mantienen en la descendencia. Cuando estos cambios sucesivos ocurren, aparecen nuevas especies.

Hay que entender que estos cambios (denominados mutaciones, de las que hablaremos más adelante) son totalmente al azar, si es un cambio negativo, el ser vivo no se desarrollará o no se podrá reproducir; en cambio, cuando el cambio es positivo, se mantendrá en la descendencia. Y todo ello, está relacionado con el ambiente donde se desarrolle.

Una vez entendido este concepto, espero que veas la implicación que tiene el ADN en este proceso por que los cambios que se produzcan deben permanecer. Para ello, es 5 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

necesario explicar cómo ocurre el proceso de replicación (duplicación de la molécula del ADN).

Así mismo, espero que veas la implicación biotecnológica de todo este proceso, ¿cómo podemos obtener una mejor especie? Simplemente, mutando a las células y analizando cuál de ellas tiene la característica que estamos buscando. Esta mutación puede ser al azar (con diferentes compuestos químicos) o dirigida (con la ayuda de la ingeniería genética) y en la materia de Biología Molecular 2 analizaremos cómo obtenerlas.

1.1.1. Definición de la Replicación La replicación es el mecanismo que permite al ADN duplicarse, de manera que se obtienen dos moléculas idénticas de este ácido nucléico (Berg y col., 2007; Griffiths y col., 2008).

Recordemos que el ADN es una cadena de doble hebra (que analizaremos más adelante) por lo que el proceso de replicación se podría llevar a cabo de tres maneras (Figura 2, Griffiths y col., 2008): - Semiconservativa: donde las cadenas hijas tendrán una hebra materna y una hebra nueva.

- Conservativa: donde las cadenas hijas tendrán, una las dos hebras maternas y la otra las dos hebras nuevas - Dispersa: donde las cadenas hijas tendrán una mezcla de hebra materna y nueva

Figura 2. Tres formas alternativas de replicación del ADN. Las líneas de color azul claro representan las hebras sintetizadas de nuevo (Griffiths y col., 2008)

6 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Para discernir entre este estos tres modelos, Meselson y Stahl, en 1958 realizaron un experimento donde utilizaron dos isótopos diferentes del nitrógeno (14N y 15N) que se separan de manera diferencial cuando se realiza una centrifugación con CsCl apareciendo dos bandas: la superior corresponde al 14N y la inferior al 15N y cuando los dos isótopos están presentes (modelo semiconservativo) se obtiene una banda intermedia. Lo que hicieron fue incubar la bacteria Escherichia coli en un cultivo con 15N de manera que todo su ADN tuviera este isótopo; posteriormente transfirieron las células a un cultivo con 14N y las dejaron dividirse una 1ª y 2ª generación tomando muestra del ADN, en cada caso, y analizándola por centrifugación en gradiente de ClCs obteniendo los resultados que se muestran en la Figura 3.

Figura 3. Esquema de los resultados de la centrifugación de DNA en un gradiente de CsCl con los resultados obtenidos por Mendelson y Stahl (Griffiths y col., 2008)

Este resultado sólo puede ser explicado cuando el proceso ocurre de manera semiconservativa como muestra la Figura 4 y es la teoría que se acepta actualmente.

7 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 4. Sólo el modelo semiconservativo de replicación del ADN predice los resultados como los de la Figura 3 por lo que se demuestra que el proceso de replicación es semiconservativo (Griffiths y col., 2008).

Con esta explicación, además de que veas que la replicación del ADN es semiconservativa es importante que analices cómo los conocimientos previos pueden ayudarte a establecer experimentos que te permitan discernir entre varias opciones. El uso de radioisótopos de este tipo es muy importante y útil en la investigación biológica y en muchas aplicaciones industriales. Existen un par de lectura interesantes que habla de este tema como “Los radioisótopos al servicio del hombre” publicado por Kniseley (disponible en http://www.iaea.org/Publications/Magazines/Bulletin/Bull164/Spanish/16405800211_es.pdf ) o “Tendencia futuras de las aplicaciones de los isótopos y de las radiaciones” publicado por Glubercht en boletín No 19 del Organismo Internacional de Energía Atómica (http://www.iaea.org/Publications/Magazines/Bulletin/Bull196/Spanish/19605093847_es.pd f).

Volviendo a nuestro tema, la replicación ocurre siempre y cuando la célula se vaya a dividir ya que, como hemos explicado anteriormente, las células necesitan tener toda la información genética para sintetizar las proteínas que necesitan para vivir. A continuación veremos los diferentes tipos de división celular que existen, según el tipo de célula.

8 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

1.1.2. Tipos de División Celular La división celular consiste en obtener dos células hijas a partir de una progenitora, y ésta ocurre una vez que su ADN se ha replicado.

Según el tamaño de las células hijas, la división de microorganismos, se pueden clasificar en fisión binaria o gemación (Figura 5) (Martinki, 2009).

Figura 5. División por fisión binaria o gemación según el tamaño de los productos de la división celular (Martinki, 2009)

En el caso de la fisión binaria, las bacterias crecen hasta alcanzar el doble de su tamaño y luego se dividen por la mitad formando dos células hijas iguales (Figura 5). Durante el ciclo de crecimiento todos los constituyentes celulares (incluyendo el ADN) aumentan de manera que las células hijas obtengan un cromosoma completo y suficientes copias de todas las macromoléculas, monómeros e iones inorgánicos como para que la célula pueda existir. Una vez que la célula ha crecido y repartido sus componentes se forma un septo como resultados del crecimiento hacia dentro de la membrana plasmática y la pared celular.

9 Universidad Abierta y a Distancia de México

Biología molecular I

U1

Replicación

Figura 6. Proceso general de la fisión binaria de un procariota. Para simplificar el cromosoma se representa como un círculo sencillo en verde (Martinki, 2009).

Esta división está modulada por unas proteínas denominadas Fts (por sus siglas en inglés “filamentous temperature sensitive”) que se han encontrado en procariotas (incluyendo Archaea), cloroplastos y mitocondrias (que como veremos más adelante comparten muchas semejanzas con los procariotas por lo que respalda la teoría endosimbiótica que dice que estos organelos derivaron de bacterias). Las proteínas Fts forman un anillo continuo en el divisoma (aparato de división procariota) donde se forma el septo que vimos anteriormente con la acción de: -

FstZ que es capaz de polimerizar y formar el anillo en el centro de la célula FstA que es una enzima ATP hidrolasa, que al hidrolizar el ATP produce la energía necesaria para que las proteínas se puedan ensamblar en el divisoma ZiaA que ancla a las proteínas FstZ a la membrana citoplasmática FtsI que es una proteína involucrada en la síntesis del peptidoglicano ya que es necesario el crecimiento de la pared celular durante la división celular

La replicación del ADN bacteriano ocurre antes de la formación del anillo de FtzZ donde están involucradas otras proteínas denominadas Min. La proteína MinC inhibe la división celular y previene la formación de FtsZ hasta que el centro se encuentre formado, por su parte la proteína MinE es capaz de inhibir la acción del MicC y de algún modo interacciona con los cromosomas duplicados. De esta manera, cuando la replicación 10 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

finaliza, el anillo FtsZ comienza a despolimerizarse disparando la síntesis de membrana y el peptidoglicano al interior de la célula sellando la región y obteniéndose así dos células hijas (Martinki, 2009). La relación entre las proteínas FstZ y la división celular se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Relación entre proteínas FstZ y la división celular de células procariotas. a) Corte de un bacilo mostrando el anillo de moléculas FtsZ; b) Microscopia de Escherichia coli durante el proceso de división: primera fila: célula observada en un microscopio de contraste de fases; segunda fila, tinción del ADN (en azul); tercera fila, tinción específica de proteínas FstZ (en rojo); cuarta fila, combinación de ADN y FstI. Primera columna, anillo FstI sin formar; segunda columna, aparición del anillo FstI cuando el nucleoide inicia la segregación; tercera columna anillos FstI completo durante la elongación y cuarta columna, degradación del anillo FstZ y división celular (Martinki, 2009)

Una fotografía de E. coli en división por fisión binaria podemos observarla en la Figura 8 donde se observa el septo central donde ocurrirá la división.

11 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 8. Escherichia coli en división por fisión binaria (tomada de http://www.sciencephoto.com).

Por su parte, la gemación es un proceso típico de levaduras aunque también existen algunas bacterias que se dividen de esta manera como Pirella o Blastobacter. En el caso de las levaduras, el proceso de gemación está relacionado con la división celular y la formación de septos donde están involucradas las proteínas del citoesqueleto actina y tubulina, tal y como se comentó durante el desarrollo de la asignatura de Biología Celular.

Una revisión completa de este tema lo puedes encontrar en el artículo de Herrero) y colaboradores (1997) sobre “El ciclo celular de las levaduras: ¿un buen modelo eucariótico?”. Una fotografía sobre la gemación la puedes observar en la Figura 9.

División por gemación

Figura 9. Levadura dividiéndose por gemación (modificada de http://www.sciencephoto.com)

En el caso de los procariotas y las células unicelulares, este proceso de división se realiza para reproducirse y aumentar así el número de individuos. En el caso de los organismos pluricelulares, el proceso de división celular se puede llevar a cabo por dos motivos: el 12 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

primero es para crecimiento o para sustitución de células en los diferentes órganos, de manera que el núcleo se divide por mitosis; y el segundo es para la obtención de gametos y la posterior reproducción sexual dando lugar a un nuevo individuo, donde la división nuclear ocurre por meiosis. En ambos casos, las células siguen el ciclo celular (Figura 10) de la que hablamos anteriormente y cuyos detalles se estudiaron en Biología Celular (Banes, 2008).

Figura 10. Ciclo celular (Barnes y col., 2008)

De esta manera, la replicación ocurre en todas las células pero el proceso difiere entre células procariotas y eucariotas, básicamente, como veremos a continuación, por las diferencias en sus cromosomas.

13 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

1.2. Replicación en procariotas Comenzaremos hablando de la división en procariotas ya que el proceso es un poco más simple que en las células eucariotas aunque no por eso menos importante y hablaremos también de su importancia para un Ingeniero en Biotecnología.

1.2.1. Características del ADN de los procariotas El ADN es una molécula bicatenaria formada por nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Recordemos su composición (que es su día estudiamos en la 1ª unidad de Bioquímica) y observemos, en la Figura 11, que los nucleótidos están formados por un azúcar (en el caso del ADN es la desoxirribosa), un grupo fosfato (unido en el C3 de la desoxirribosa) y una base nitrogenada (unida en el C1 de la desoxirribosa) que puede ser adenina (A), timina (T), guanina (G) o citosina (C) (Lehningner, 2009).

Figura 11. Estructura general de un nucleótido (Barnes y col., 2008)

Estos nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster (Figura 11) entre el grupo hidroxilo del C5 y el grupo fosfato unido al C3.

14 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Enlace

Figura 12. Enlace fosfodiéster entre el OH del C3 y el grupo fosfato el C5 (modificado de http://biologiaebuc2012.blogspot.mx/2012/06/clase-7-acidos-nucleicos.html)

De esta manera se forman las hebras del ADN, mismas que se unen entre sí por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas (A-T con dos puentes de hidrógeno y G-C por tres puentes de hidrógeno). Las hebras serán antiparalelas, como se observa en la Figura 13 de manera que la hebra de la izquierda tiene dirección 5’ 3’ y la derecha tiene la dirección contraria, 3’ 5’ (Lehninger, 2009).

Figura 13. Estructura del ADN (Barnes y col., 2008).

15 Universidad Abierta y a Distancia de México

Replicación

Cuando una molécula de ADN se sintetiza, el fosfato del extremo 5’ del nucleótido libre (que será un nucleótido trifosfato) siempre se unirá al OH del extremo 3’ del nucleótido terminal de la cadena que se sintetiza, de manera que esta extensión se realizará en dirección 5’ 3’ (Figura 14). Esta acción está mediada por una enzima denominada polimerasa, ya sea ADN-polimerasa (que une deosinucleótidos) o ARN-polimerasa (que une ribonucleótido) Es muy importante que concibas bien este proceso para poder entender la replicación y la transcripción de las que hablaremos un poco más adelante.

Nueva hebra

Nueva molde

U1

Biología molecular I

pirofosfato Deositrinuclétido trifosfato libre Figura 14. La cadena nueva siempre se sintetiza en dirección 5’ 3’ (modificado de https://wikispaces.psu.edu/pages/viewpage.action?pageId=112526682&navigatingVersions=true)

Esta estructura y las uniones fosfodiéster son comunes en todos los ADNs conocidos (procariotas, eucariotas y virus) así como el crecimiento en dirección 5’ 3’ y cada una de estas moléculas se denomina cromosoma.

En el caso de las bacterias, sus cromosomas se caracterizan por ser moléculas circulares altamente empaquetadas como se observa en la Figura 15.

16 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

B

A

Cromosoma superenrrola do

Cromosom a laxo

Figura 15. Estructura de un cromosoma bacteriano. A representación de una molécula laxa y superenrollada. B. Fotografía de un cromosoma de Escherichia coli (modificado de http://mariielfashionn.blogspot.mx/2012/03/3.html)

Este empaquetamiento está mediado por la acción de unas enzimas denominadas Topoisomerasas de manera que el círculo de ADN se pliega y cuando las dos regiones de la hélice entran en contacto la enzima rompe la cadena y la une tal y como se observa en la Figura 16. (Martinki, 2009).

Figura 16. Acción de la enzima Topoisomerasa para superenrollar el cromosoma bacteriano (Martinki, 2009).

En recientes años, se han encontrado proteínas con características parecidas a las histonas eucariotas (cuya función consiste en unirse al ADN para empaquetarlo como veremos más adelante) por lo que se tiene la hipótesis que pueden tener una función similar a éstas (Tabla 1) Proteína

Composición

Contenido por célula 17

Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

HU H IHF H1 HLP1 P

Dímero con subunidades a y b de 9,000 D Dímero con subunidades idénticas de 28,000 D Subunidad a de 10,500 D y subunidad b de 9,500 D Subunidad de 15,000 D Monómero de 15,000 D Subunidad de 3,000 D

40,000 dímeros 30,000 dímeros Desconocido 10,000 copias 20,000 copias Desconocido

Tabla 1. Proteínas básicas detectadas en procariotas (modificado de http://pendientedemigracion.ucm.es/info/genetica/grupod/Cromovibac/cromovibac.htm#nucleoide)

Además del cromosoma, las bacterias pueden tener moléculas de ADN de menor tamaño con replicación autónoma (es decir, su proceso de replicación no está coordinado con la replicación del cromosoma) y cuya información no es vital para la célula. Estas moléculas se denominan plásmidos y tiene una importancia vital para tanto para la célula como para nosotros como biotecnólogos ya que son cruciales en la Ingeniería Genética. En las bacterias, estos plásmidos llevan información adicional para su vida como la resistencia a los antibióticos pero su ADN no codifica para ninguna proteína del metabolismo primario (como lo que vimos en la asignatura de Bioquímica). En la Ingeniera Genética nos sirve para poder transmitir información de una célula a otra y es la clave para poder diseñar Organismos Genéticamente Modificados y realizar expresión de proteínas en células diferentes de la original (expresión heteróloga). Por ponerles un ejemplo, les comentaré que hoy en día la insulina que usan la mayoría de los pacientes diabéticos proviene de una cepa de E. coli que ha sido modificada incorporándole (con ayuda de un plásmido) el gen de la insulina humano (Soto Pol y col., 2008). La importancia de este tipo de moléculas es tal que han sido objeto de protección intelectual como la patente española 2 229 492 otorgada en 2005 con título “Plásmidos bacterianos” y cuyo contenido puedes encontrar en la bibliografía complementaria.

Por otro lado, y antes de pasar a los pasos de la replicación procariota como tal, hablemos un poco sobre la estructura y la acción de las enzimas principales en este proceso, las ADN-polimerasas. Estas enzimas fueron descubiertas, por primera vez, en 1950 por Arthur Kronberg y se caracterizan por parecerse a una mano derecha a medio cerrar (Figura 17). Su acción es incorporar nucleótidos a la cadena que se está sintetizando siempre en dirección 5’ 3’ como estudiamos anteriormente. Los dedos están formados por hélices por cuya parte superior entre la cadena molde (la que se va a sintetizar), los nucleótidos se incorporarán por la zona del pulgar y el enlace fosfodiéster tendrá lugar en la palma de la mano de manera que la cadena sintetizada saldrá por la zona de la muñeca.

18 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Entrada de desoxirribunocleótidos trifosfato

“pulgar ” cadena molde hélice s “dedos” cadena sintetizada “palma” Figura 17. Estructura general de la ADN-Polimerasa (modificada de http://www2.uah.es/biomolq/BM/Esquemas/imagenes/Transparencias%20Tema%203%20BM1/D iapositiva16.JPG)

1.2.2. Pasos de la replicación El primer paso para comenzar la replicación de cualquier molécula del ADN es reconocer el sitio de inicio que viene determinado por una secuencia específica de nucleótidos denominado Origen de Replicación (ORI). En el caso de los cromosomas bacterianos, este sitio es único en toda la molécula al contrario de los cromosomas eucariotas donde se pueden encontrar varios. La primera acción será, nuevamente, la Topoisomerasa para desenrollar la cadena de ADN y poder replicarla. El esquema general de este proceso se presenta en la Figura 18 y cada uno de los pasos los iremos desarrollando a continuación.

19 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 18. Esquema general del proceso de replicación (Griffiths y col., 2008).

A continuación, actúa la enzima denominada Helicasa (Figura 19) cuya acción será romper los puentes de hidrógeno que unen las dos hebras de ADN.

Figura 19. Estructura de la helicasa. A) enzima en amarillo en una cadena de ADN, en rojo; B) esquema de cómo actúa la enzima para romper los puentes de hidrógeno, C) esquema de la enzima (Alberts y col., 2010).

20 Universidad Abierta y a Distancia de México

Biología molecular I

U1

Replicación

Su función es reconocer el ORI y romper los puentes de hidrógeno formados entre la dos hebras que forma el ADN (Figura 20).

ORI

ORI 3’ 5’

5’ 3’

3’

helicasa

5’ 3’

5’

Figura 20. Reconocimiento del Origen de Replicación (ORI) por la helicasa.

A continuación debe comenzar la replicación, para ello, sería necesario unir dos deositrinucléotidos, ya que como vimos anteriormente los nucleótidos libres siempre tienen unidos 3 fosfatos en su molécula. No existe ninguna enzima conocida que sea capaz de realizar esta unión a no ser de que hablemos de ribonucleótido (es decir que su azúcar sea ribosa, no desoxirribosa), es por ello, que la enzima que actúa se denomina Primasa, que va a poner una pequeña secuencia de ARN que se denomina cebador o primer a partir de la secuencia ORI (Figura 21). En este proceso, siempre se pegará el nucleótido complementario, es decir, si la base es Adenina, se pegará un Uracilo (recuerda que hablamos de ARN), y si la base es Guanina se unirá una Citosina y viceversa y la cadena será antiparalela para que se puedan formar los puentes de hidrógeno correspondientes.

ORI 3’

5’ 3’

5’

Primasa

3’ 5’

3’ 5’

5’ 3’

5’ 3’

Figura 21. Acción de la primasa que sintetiza una molécula de ARN (primer o cebador que se muestra de color rojo).

Una vez que se sintetiza el cebador actúa la enzima ADN-Polimerasa III que irá añadiendo deosinucleótidos siempre en dirección 5’ 3’ formando así una cadena de ADN. Como se observa en la figura, ambas cadenas representadas no tiene problemas para extenderse porque la dirección es 5’ 3’ y forman lo que se denomina cadena líder (Figura 22).

3’ 5’

5’ 3’

3’ 5’

5’ ADN Polimerasa III 3’

3’ 5’

3’

5’ 3’

5’

5’ 3’

Figura 22. Acción de la ADN Polimerasa en la cadena líder

21 Universidad Abierta y a Distancia de México

Biología molecular I

U1

Replicación

Entonces, ¿qué ocurre en el extremo 5’? Como no es posible polimerizar nucleótidos en esa dirección, la Primasa da “un salto” y actúa sintetizando un cebador, posteriormente actuará la ADN Polimerasa III polimerizando los nucleótidos en dirección 5’ 3’ como se observa en la Figura 23. Esta cadena se conoce como cadena retardada y los fragmentos de ARN + ADN que se forman se denominan Fragmentos de Okasaki (en honor a su descubridor). Quizá te preguntes porqué se denomina ADN Polimerasa III si es la primera que actúa, la respuesta es muy simple, lo que ocurrió es que primero descubrieron las enzimas y les pusieron el nombre según el orden en el que fue sucediendo, posteriormente se averiguó cuál era su función y descubrieron que la última enzima descubierta (la ADN Polimerasa III) es la primera que actúa.

Cadenas líder

5’

3’

5’

3’ 5’

3’

3’ 5’

3’ 5’ 3’

5’

3’

5’ 3’

5’

Fragmento de Okasaki Cadenas retardadas Figura 23. Esquema de las cadenas líderes y retardadas presentes en la replicación de una molécula de ADN; se muestra el Fragmento de Okasaki.

Una vez formadas estas cadenas es el turno de la ADN-Polimerasas I cuya acción será eliminar los ribonucleótidos (con la acción exonucleasa 5’3’) de los cebadores para polimerizar deosinucleótidos (Figura 24). Esta enzima utiliza el extremo 3’ de la cadena anexa para la síntesis.

5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3 ’5 ’

3’

3’

5’ 3’ 5’ 3’ 5’

ADN Polimerasa I 5’ 3’ 3’ 5’

5’ 3’ 5’

3’ 5’ 3’

5’ 3’

3’

5’ 3’

5’ 3’ 5’

Figura 24. Acción de la ADN Polimerasa I 22 Universidad Abierta y a Distancia de México

Biología molecular I

U1

Replicación

Finalmente, es necesario unir los extremos 5’ y 3’ de las cadenas acción que se lleva a cabo mediante la enzima ADN-Ligasa (Figura 25).

5’ 3’ 5’

ADN Ligasa

3’ 5’ 3’

5’

3’ 5’

3’ 3’

5’ 3’

5’ 3’ 5’

5’

3’

5’

3’ 5’

3’ 3’

5’

Figura 25. Acción de la ADN Ligasa

La comprensión de este proceso de replicación, así como el descubrimiento de las ADNPolimerasas en algunas Archeas que actúan a temperaturas elevadas (72ºC), como la Taq-Polimerasa aislada de la procariota Thermus aquaticus, fue la clave para el desarrollo de una de las técnicas más importantes de la Ingeniería Genética, la reacción en cadena de la polimerasa, o PCR por sus siglas en inglés. Esta técnica, fue desarrollada en 1983 por Kary B. Mullis (ganador del premio Nobel de Química en 1993) y permite realizar millones de copias de una secuencia genética de interés utilizando cebadores específicos y se basan en el hecho de que las Polimerasas necesitan esta molécula para poder iniciar su replicación. Cuando revises esta técnica en la materia de Biología Molecular 2, por favor, no olvides que los cebadores son imprescindibles y que la dirección de la replicación es de 5’ a 3’, ello te permitirá entender el proceso y diseñar cebadores útiles para tus experimentos.

Tanto la ADN-Polimerasa III como la ADN Polimerasa-I tienen la capacidad de corregir cualquier error cometido durante la replicación. Este proceso es muy importante ya que además de las acciones que hemos estudiado (polimerización en dirección 5’ 3’ y acción exonucleasa 5’ 3’ presente en la ADN Polimerasa I para poder eliminar los ribonucleótidos) estas enzimas tienes acción exonucleasa 3’ 5’ de manera que si existe algún error en la síntesis, pueden detectarlo, eliminar el nucleótido y añadir el correcto (Figura 26). Sin estas correcciones, las ADN-Polimerasa I de E. coli tiene una frecuencia de error de 5x10-5 (es decir, comete un error cada 500,000 nucleótidos) y después de corregir con la actividad exonucleasa 3’ 5’ esta frecuencia disminuye a 5x10-7; la ADNPolimerasa III tiene una frecuencia de error sin corrección de 7x10-6 y con corrección de 5x10-9, esto quiere decir que de todas formas las polimerasas comenten errores y por lo tanto mutaciones que, como vimos en la exposición de la evolución, pueden modificar el microorganismo (Robertis, 2005).

23 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 26. Actividad correctora de la ADN-Polimerasa a) una base es introducida incorrectamente ya que debería ser una T en vez de una C; b) la acción exonucleasa 3`5`de la enzima actúa para romper el enlace fosfodiéster y eliminar así el nucleótido; c) se incorpora el nucleótido correcto, en este ejemplo la T y prosigue la replicación.

Así mismo, el ADN puede que este dañado por agentes físicos y químicos (luz ultravioleta, compuestos mutagénicos) y, en este caso, la ADN-Polimerasa II es la encargada de reparar esta acción. ¿Cómo afectan estas mutaciones a nosotros como Ingeniero en Biotecnología? Una acción positiva es la posibilidad de obtener microorganismos modificados que sean mejores que los iniciales. Pero una acción negativa es la pérdida de la viabilidad de las células o su capacidad de producir un metabolito de interés. Por poner un ejemplo, podemos poseer una bacteria que produce un antibiótico que estamos explotando industrialmente. Para ello, procedemos a su crecimiento y las células se replican continuamente para incrementar su población y que nosotros obtengamos nuestro metabolito de interés. No debemos olvidar que, en cualquier momento, las células mutarán y pueden perder su capacidad de producir el antibiótico por lo que siempre es conveniente, mantener la cepa original para que, en el momento que esto suceda, podamos recuperar los microorganismos con la capacidad de interés.

Volviendo a la replicación bacteriana, este proceso ocurre en toda la cadena de ADN circular presente en los cromosomas bacterianos hasta que termina por formarse las dos cadenas hijas como se observa la Figura 27.

24 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 27. Replicación de un cromosoma bacteriano (Martinki, 2009).

Por otro lado, debemos analizar cómo ocurre la replicación del ADN plasmídico del que hablamos anteriormente. Al igual que en ciertos virus se produce un mecanismo denominado círculo rodante donde una nucleasa genera un extremo 3’ OH libre en el que se van añadiendo nucleótidos gracias a la acción de una ADN-Polimerasa (Griffiths y col., 2008). El esquema general del proceso se muestra en la Figura 28. La cadena será replicado en dirección 5’ 3’ y la cadena complementaria tendrá una replicación discontinua tal y como sucede en la cadena retardada que analizamos anteriormente.

25 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 28. Replicación mediante el círculo rodante (Griffiths y col., 2008).

1.3. Replicación en eucariotas Una vez analizado el proceso de replicación en las células procariotas, pasemos a analizar cómo ocurre este proceso en las células eucariotas ya que sus cromosomas no tienen la misma estructura.

1.3.1. Características del ADN de los eucariotas Existen dos diferencias principales entre el cromosoma procariota y el eucariota. La primera es que los cromosomas eucariotas son lineales y esto tendrá consecuencias en su replicación como veremos más adelante. La segunda, es la organización ya que las células eucariotas tienen histonas que le ayudan en el empaquetamiento de su ADN. Las histonas son proteínas de bajo peso molecular muy básicas que se unen al ADN que, recordemos que es una molécula ácida. Existen varias proteínas de este tipo numeradas de la 1 a la 4, con dos H2 (H2A y H2B) tal y como puedes ver en la tabla 2 (Lehninger, 2009).

Histona H1 H2A H2B

No residuos 213 129 125

PM 21,000 13,900 13,774

% Lys 27.7 10.9 15.2

% Arg 1.4 9.3 6.1 26

Universidad Abierta y a Distancia de México

Biología molecular I

U1

Replicación

H3 H4

135 102

15,273 11,236

9.6 10.8

13.3 13.7

Tabla 2. Proteínas histónicas presentes en las células eucariotas (Lehninger, 2009).

El empaquetamiento del ADN eucariota comienza con la formación de un octámero compuesto por 2H2A, 2H2B, 2H3 y 2H4 al que el ADN le da dos vueltas, formando el nucleosoma y la H1 se ancla para dar soporte a la estructura. La hebra en este momento parece una cuenta de rosario y tiene un ancho de 10 nm (Figura 29).

Figura 29. Estructura del nucleosoma, formando por el octámero (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y 2 H4) y el ADN dando dos vueltas y la histona H1 que mantiene el ADN unido. Arriba se puede observar un micrografía de las fibras de 10 nm en forma de cuentas de rosario (modificado de http://www.departamentos.ulpgc.es/dbbf/medicina/bioquimicaI/DNA-genomas.pdf)

A continuación la hebra de 10 nm gira sobre sí misma de manera que las H1 que mantienen la estructura forman un hexámero tal y como se muestra en la Figura 30, de esta manera se obtienen las fibras de 30 nm.

27 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 30 Formación de la fibra de 30 nm. (modificado de http://www.departamentos.ulpgc.es/dbbf/medicina/bioquimicaI/DNA-genomas.pdf)

En este punto, se forman los que se denomina armazón nuclear, armazón del cromosoma o “Scaffold” con proteínas tipo MAR sobre las que se une la fibra de 30 nm tal y como se observa en la Figura 31 formando la fibra de 300 nm.

28 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 31. Formación de la hebra de 300 nm. Se puede observar el armazón del cromosoma en la fotografía y cómo se une la hebra de 30 nm a esta proteína (modificado de http://www.departamentos.ulpgc.es/dbbf/medicina/bioquimicaI/DNA-genomas.pdf)

La fibra de 300 nm es la que forma la cromatina de todas las células eucariotas cuando el núcleo se encuentra en interfase En la Figura 32 se puede observar la fotografía de un núcleo en esta fase, la zona más oscura pertenece al nucleolo (n) región donde se realiza la transcripción del ARN ribosómico, por otro lado se observan zonas más densas denominada heterocromatina donde el ADN está un poco más condensado y no se realiza transcripción mientras que en la zona más clara está la eucromatina donde el ADN se encuentra en fibras de 300 nm y la transcripción tiene lugar.

29 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 32. Imagen de un núcleo (N) donde se observa el nucleolo (n), las zonas más oscuras (Heterocromatina) y las zonas menos oscuras (eucromatina) (tomada de http://biologiabcn2012.blogspot.mx/2013/01/organulos-celulares.html) Sólo cuando el núcleo se va a dividir la fibra de 300 nm gira sobre sí misma para formar la fibra de 700 nm y el cromosoma queda totalmente condensado adquiriendo la forma que todos conocemos, el cromosoma mitótico (Figura 32A). Hay que recordar que en el ciclo celular (que vimos anteriormente) primero ocurre la fase S donde el ADN se replica y después la fase M donde el núcleo se divide, esto quiere decir que los cromosomas mitóticos cuentan con dos moléculas de ADN idénticas, cada una de ellas llamada cromátida, unidas por el centrómero (Figura 32). Como cada cromátida del cromosoma está formado por una fibra de 700 nm, se dice que el cromosoma mitótico tiene 1,400 nm.

30 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

A

B

Figura 33. Cromosoma mitótico. A. Fotografía de los 23 pares de cromosomas humanos; B. Partes del cromosoma, véase cómo cada cromátida está formada por ADN (modificado de http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/estudiante/4ESO/genetica1/contenidos4.ht m y http://cienciaobjetiva.wordpress.com/2011/08/02/cromosoma-2-¿evidencia-de-evolucion/

En la Figura 34 se presenta un resumen de la condensación del ADN eucariótico.

Figura 34. Fases de la condensación del ADN eucariótica, desde la molécula de ADN que tiene 2 nm, hasta el cromosoma mitótico que cuenta con 1,400 nm (Barnes y col., 2008).

31 Universidad Abierta y a Distancia de México

Replicación

¿Qué implicaciones puede tener todo este desarrollo para un Ingeniero en Biotecnología?

Además de que es importante conocer la estructura que tiene el ADN eucariótico, esta información también es relevante cuando se hacen estudios genéticos, por ejemplo, para diferenciar si una célula ha sufrido lisis o se ha suicidado. Cuando una célula detecta que tiene algún error genético, se produce lo que se denomina apoptosis o muerte celular programada, para ello, la misma célula empieza a autodestruirse empezando por su ADN donde unas nucleasas especiales, denominadas nucleasas micrococales, hidrolizan el ADN entre los nucleosomas lo que da como consecuencia bandas de 200 pb. Este fenómeno es diferente al que ocurre durante una lisis, ya que este caso la célula se rompe liberando el contenido de los lisosomas (recordemos que son los organelos encargados de la digestión) de manera que las nucleasas se liberan e hidrolizan el ADN de manera inespecífica. En la Figura 35 les presento unas imágenes de ADN producto de una muerte celular programada (Figura 35A) y un ADN producto de una lisis celular (Figura 35B).

tamaño del ADN en pares de bases

U1

Biología molecular I

A

B

Figura 35. Imagen de ADN proveniente A) de una célula muerta por apoptosis y B) de una célula muerta por lisis celular. Obsérvese cómo en el primer caso se observan bandas de 200 pb y sus múltiples como consecuencia de la acción de una nucleasa micrococal; en cambio en la lisis se observa un barrido del ADN sin bandas de tamaño definido.

32 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

En las células eucariotas, además existe el ADN mitocondrial y el ADN cloroplástico, presente en las mitocondrias y cloroplastos respectivamente, que a diferencia del ADN nuclear, es circular como se observa en el Figura 36.

Figura 36. Fotografía de ADN mitocondrial en replicación. Obsérvese que es una molécula circular, similar al ADN cloroplástico (tomado de http://pendientedemigracion.ucm.es/info/genetica/grupod/Replicacion/Replicacion.htm)

Ahora que conocemos la estructura del ADN de las células eucariotas vamos a revisar cómo ocurre la replicación de las mismas.

1.3.2. Pasos de la replicación Las diferencias en la estructura de los cromosomas eucariotas hacen que existan pequeñas diferencias en el proceso de replicación. Las enzimas involucradas tiene una función parecida, existen helicasas, primasas y ADN Polimerasas. El listado de las ADN Polimerasas de los eucariotas se observan en la Tabla 3. α Compartimiento Núcleo celular Actividad Si primasa asociada

Β Núcleo

γ Mitocondria

Δ Núcleo

Ε Núcleo

No

No

No

No

33 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Función biológica

Replicación de la hebra retardada

Reparación del ADN

Reparación del ADN mitocondrial

Replicación de la hebra retardad

Desconocido

Tabla 3. ADN Polimerasas presentes en las células eucariotas.

Como se indicó anteriormente, los cromosomas eucariotas tiene varios ORI por lo que la replicación comienza en diferentes puntos de la molécula (Figura 37).

Figura 37. Las células eucariotas poseen múltiples orígenes de replicación (tomado de http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Multipl.ori.euc.jpg)

Durante la replicación es necesario desenrollar el ADN que recordemos que está unido a los nucleosomas formados por 8 histonas, este proceso ocurre como se observa en la Figura 38.

34 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Nucleosoma Doble cadena de ADN El nucleosoma se desenrolla y las histonas se separan

Orquilla de replicación Se sintetiza la nueva cadena de ADN

Nueva cadena de ADN

Orquilla de replicación

El nucleosoma se enrolla de nuevo Un nuevo nucleosoma se formará en esta cadena

Figura 38. Durante el proceso de replicación el nucleosoma se desenrolla para dejar libre la molécula de ADN que podrá ser duplicada (modificado de Lodish y col., 2005).

Finalmente, debemos analizar qué ocurre en los extremos de los cromosomas lineales ya que el mismo proceso de replicación conlleva a un acortamiento de los mismos. Si recordamos, en la cadena retardada aparecen los fragmentos de Okasaki donde el cebador es sustituido por ADN por la acción de la ADN Polimerasa I, todo ello gracias a que existe un extremo 5’ adyacente donde pegar los nucleótidos. En los extremos de los cromosomas eucariotas, estos extremos no existen por lo que no es posible sustituir el cebador y el extremo 5’ quedaría más corto que el extremo 3’ perdiendo así información genética en cada replicación (Figura 39) (Griffiths y col., 2008).

35 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Figura 39. En los extremos de los cromosomas eucariotas, el extremo 5’ de la cadena retardada queda más corto que el extremo 3’ (Griffiths y col., 2008).

Para evitar este efecto, existen los telómero, que son secuencias a ADN repetidas presentes en los extremos de cada cromosoma que no tienen información para ninguna proteína y cuya función es evitar el acortamiento de los cromosomas. Durante la replicación, la cadena molde es alargada por la acción de una enzima denomina Telomerasa, que contiene una pequeña molécula de ARN que es usada como molde para la adición de secuencias complementarias al extremo 3’ de la cada de ADN (Figura 40).

Figura 40. Acción de la telomerasa que contiene una secuencia de ARN que es utilizada como molde (Griffiths y col., 2008)

36 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

De esta manera, como puedes observar en la Figura 41, la telomerasa añade secuencias repetidas al extremo 3’ de la cadena molde, de manera que se puede realizar la replicación de la misma y evitar así el acortamiento.

Cromosoma

telómero

La telomerasa añade secuencia repetidas en el extremo 3’

Se adiciona el Primer ARN seguido de la síntesis de la cadena

Ocurre la ligación y se remueve el cebador

Figura 41. Acción de la telomerasa para evitar el acortamiento de los cromosomas (tomado de Lodish y col., 2005).

Aún con la acción de la telomerasa, existen pruebas científicas que indican que durante la replicación de las células, es inevitable el acortamiento de los cromosomas y ésta es una de las causas del envejecimiento celular (Griffiths y col., 2008), quizá en un futuro tú puedas descubrir cómo evitarlo y darnos la vida eterna, ¿qué opinas?

Así terminamos de desarrollar esta primera unidad, espero que haya sido interesante y hayas entendido la evolución y la replicación así como la importancia de estos procesos y sus aplicaciones para los Ingenieros en Biotecnología. Te invito a revisar la bibliografía que se anexa que te ayudará a reforzar tus conocimientos. A continuación, realiza las actividades programadas para evaluar esta unidad ¡Suerte!

37 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Actividades La elaboración de las actividades estará guiada por tu docente en línea, mismo que te indicará, a través de la Planeación didáctica del docente en línea, la dinámica que tú y tus compañeros (as) llevarán a cabo, así como los envíos que tendrán que realizar.

Para el envío de tus trabajos usarás la siguiente nomenclatura: BBM1_U1_A1_XXYZ, donde BBM1 corresponde a las siglas de la asignatura, U1 es la unidad de conocimiento, A1 es el número de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

Autorreflexiones Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de Autorreflexión indicadas por tu docente en línea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderación del 10% de tu evaluación.

Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura: BBM1_U1_ATR _XXYZ, donde BBM1 corresponde a las siglas de la asignatura, U1 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno

Cierre de la unidad Los cambios en el genoma que se transmiten a la descendencia y le confieren al organismo una ventaja en el ambiente donde habita pueden modificar a la especie y de esta manera ocurrir la evolución. Es por ello, que está relacionado con el proceso de replicación donde las moléculas de ADN se duplican y de esta manera se preparan para el proceso de división celular.

La replicación del ADN de todos los tipos celulares tienen semejanzas que hemos ido analizando durante la unidad: la composición del ácido nucléico está formado por los mismos nucleótidos, la polimerización de los mismos ocurre en dirección 5’ 3’, existe el 38 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

origen de replicación donde comienza el proceso, helicasas que reconocer este sitio y rompe los puentes de hidrógeno, ADN polimerasas y ADN ligasas. Así mismo, se forma la cadena líder y la cadena retardada donde aparecen los fragmentos de Okasaki.

Aun así, el ADN de las células procariotas es circular y de menor tamaño que el ADN de las células eucariotas. Es por ello, que en la primera aparece un único origen de replicación al contrario de las eucariotas. Así mismo, las células eucariotas tienen cromosomas lineales por lo que existen secuencias teloméricas en sus extremos para evitar el acortamiento de las secuencias durante la replicación.

En esta unidad hemos analizado todos estos procesos y espero que hayan apreciado su importancia en la vida celular.

39 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

Para saber más

Para comprender mejor los temas que hemos expuesto te invito a revisar la siguiente bibliografía: 1. Barnes, S.N., Curtis, E., Schnek, A. (2008) Biología, 7a Edición, Ed. Médica Panamericana, Argentina, pps 138-141. En este texto pueden recordar cómo ocurre el Ciclo Celular de las células eucariotas.

2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2007) Bioquímica. Ed Reverté, España, pps 108-119. En este texto se explica la estructura del ADN y los cromosomas bacterianos.

3. Griffiths, A.J.F., Miller, J.H., Suzuki, D.T., Lewontin, R.C., Gelbart, W.M.(2008) Genética, 7a Edición, Ed. Mc Graw Hill/Interamericana de España, S.A. pps. 241-266.

En este capítulo 8 encontrarás información sobre la estructura del ADN y el proceso de replicación con una explicación detallada del experiment de Meselson y Stahl donde demuestran que la replicación es un proceso semiconservativo.

4. Glubert, H. Tendencias futuras de las aplicaciones de los isótopos y de las radiaciones Boletín No 19 del Organismo Internacional de Energía Atómica, http://www.iaea.org/Publications/Magazines/Bulletin/Bull196/Spanish/19605093847_es .pdf. Este texto te habla sobre las aplicaciones de estas moléculas en la agricultura, la medicina, la industria y el medio ambiente.

5. Herrero E., Aldea M., Gallego, C. (2007) El ciclo celular de las levaduras: ¿un buen modelo eucariótico? III Simposio científico en Biología Celular. En este texto se explica detalladamente cómo ocurre el proceso de gemación y su asociación con el ciclo celular.

6. Kniseley, Los radioisótopos al servicio del hombre, http://www.iaea.org/Publications/Magazines/Bulletin/Bull164/Spanish/16405800211_es .pdf. En este texto encontrarás una explicación detallada de las aplicaciones que tiene los radioisótopos en la biología y la medicina.

40 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

7. Lehninger. (2009). Bioquímica. México. Editorial Omega, pps 324-357. En este Capítulo 12, podrás recordar la estructura de los ácidos nucléicos que vimos en la materia de Bioquímica. Además, en las pps. 881-885 se explica cómo se organiza el ADN de los cromosomas eucariotas.

8. Martinki, J. (2009) Brock Biología de los Microorganismos, 12a Edición, Ed. AddisonWesley, EEUU En las pps. 137-142 encontrarás una explicación sobre el proceso de división por fisión binaria mientras que en las pps 167-185 se explica el proceso de replicación en células procariotas y eucariotas de una manera didáctica y sencilla.

9. Mermelada, C.A. (2009) Darwin y la teoría de la evolución. Es un texto que explica la teoría desarrollada por Darwin y su importancia para entender cómo las especies evolucionan para desarrollarse mejor en el ambiente donde habitan.

10. Patente Española 2 229 492. Este documento muestra la importancia de los plásmidos bacterianos y cómo han sido objetos de patente.

11. Soto Pol, V.R., Hernández Guzmán, J., Morales Hernández, Y., Dios de la Cruz, O. (2008) Producción de insulina a partir de organismos bacterianos: Revisión bibliográfica para la técnica molecular. Kuxlvar 29-33. En este artículo se hace una revisión muy amena y didáctica sobre la producción de insulina humano en bacterias, es una buena introducción para ver la aplicación de los conocimientos adquiridos en esta materia en la Ingeniería Genética.

Fuentes de consulta

1. Alberts, Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2010) Biología Molecular de la Célula, 5a Edición, Ed. Garland Publishing, New York.

2. Barnes, S.N., Curtis, E., Schnek, A. (2008) Biología, 7a Edición, Ed. Médica Panamericana, Argentina 3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2007) Bioquímica. Ed Reverté, España.

4. De Robertis, E., Hib, J. (2005) Fundamentos de Biología Celular y Molecular de De Robertis. 4a Edición, Ed. El Ateneo, Argentina.

41 Universidad Abierta y a Distancia de México

U1

Biología molecular I Replicación

5. Griddiths, A.J.F., Miller, J.H., Suzuki, D.T., Lewontin, R.C., Gelbart, W.M.(2008) Genética, 7a Edición, Ed. Mc Graw Hill/Interamericana de España, S.A. 6. Lewin, B. (2008) Genes IX, Ed. McGraw-Hill/Interamericana de México.

7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. (2005) Biología Celular y Molecular, 5ª Edición, Ed. Médica Panamericana, Argentina.

8. Martinki, J. (2009) Brock Biología de los Microorganismos, 12a Edición, Ed. AddisonWesley, EEUU. 9. Singer, M., Berq. P. (1993) Genes y genomas. Una perspectiva cambiante, Ed. Omega, Barcelona, España.

10. Soberón, F.J. (1997). La ingeniería genética y a nueva biotecnología. Ed. Fondo de Cultura Económica, México.

42 Universidad Abierta y a Distancia de México