7/3/2014 Captulo 9. Las bases qumicas de la herencia: el DNA y su replicacin | Biologa, 7ma edicin

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Captulo 9. Las bases qumicas de la herencia: el DNAy su replicacin

La qumica de la herencia (/glossary/term/545)

1. El DNA (/glossary/term/23) fue aislado por primera vez en 1869 por Friedrich Miescher. Luego se

aislaron los distintos tipos de bases nitrogenadas que conforman el DNA y se demostr que el

cromosoma (/glossary/term/284) eucarionte (/glossary/term/414) contena DNA y protenas en

cantidades aproximadamente iguales. La complejidad de las protenas llev a pensar que ellas eran

los genes.

La pista del DNA

2. El DNA es una molcula (/glossary/term/704) con forma de hlice que contiene la informacin

gentica (/glossary/term/1214) de los seres vivos. Est formado por cuatro nucletidos, compuestos

por una base nitrogenada (/glossary/term/122) , un azcar (/glossary/term/117) de desoxirribosa y un

grupo fosfato. Los nucletidos estn constituidos por dos clases de bases nitrogenadas: las purinas

adenina (/glossary/term/31) (A) y guanina (/glossary/term/531) (G), y las pirimidinas citosina

(/glossary/term/224) (C) y timina (/glossary/term/1055) (T). Entre los individuos de una misma especie

(/glossary/term/383) , el DNA tiene igual proporcin de A que de T, e igual proporcin de G que de C.

Todo esto se saba a comienzos de la dcada de 1950.

El modelo de Watson y Crick

3. En 1953, usando la informacin disponible, James Watson y Francis Crick construyeron el

modelo de estructura del DNA que se considera el ms explicativo en la actualidad.

4. En el modelo de Watson y Crick, la molcula de DNA es una doble hlice formada por dos

cadenas de nucletidos apareadas. En cada cadena, los nucletidos se pueden acoplar en cualquier

orden o secuencia. Adems, las adeninas de una cadena slo se pueden aparear con timinas de la

otra, las guaninas slo con citosinas, y viceversa en ambos casos. El apareamiento se mantiene

estable mediante puentes de hidrgeno entre los nucletidos enfrentados. Las cadenas tienen

direccin, pues los grupos fosfato forman un puente entre el quinto carbono del azcar de un

nucletido (/glossary/term/754) y el tercer carbono del azcar del siguiente, que determina un

extremo 3' y otro 5'. Las dos cadenas apareadas corren en direcciones opuestas (son

antiparalelas).

Fig. 9-7. La doble hlice del DNA

(a) El armazn de la hlice est compuesto por las unidades azcar-fosfato de los nucletidos. Los

peldaos estn formados por bases nitrogenadas, las purinas adenina y guanina -con una

estructura de anillo doble- y las pirimidinas timina y citosina ms pequeas, con su estructura de

anillo simple. Cada peldao est formado por dos bases, una purina (/glossary/term/887) enfrentada a

una pirimidina (/glossary/term/818) . Dos purinas combinadas tendran ms de 2 nanmetros y dos

pirimidinas no alcanzaran para cubrir esta distancia. Pero una purina apareada en cada peldao

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con una pirimidina mantienen un dimetro constante de 2

nanmetros en toda la longitud de la molcula. (b)

Fotografa de difraccin de rayos X del DNA, tomada por

Rosalind Franklin, que result decisiva para la dilucidacin

de la estructura del DNA. Las reflexiones que se cruzan en

el medio indican que la molcula es una hlice. Las regiones

muy oscuras en las partes superior e inferior se deben a las

bases, estrechamente apiladas, perpendiculares al eje de la

hlice. El conocimiento de las distancias entre los tomos, determinadas con fotografas de

difraccin de rayos X como sta, fue crucial para establecer la estructura de la molcula de DNA.

El mecanismo de replicacin del DNA

5. La replicacin del DNA es semiconservativa: la doble hlice se abre y cada cadena sirve de molde

para la sntesis (/glossary/term/984) de una nueva cadena. As se producen dos rplicas exactas de la

molcula original.

6. La replicacin comienza en una secuencia especfica de nucletidos llamada origen de la

replicacin. Los cromosomas procariontes tienen un solo origen de replicacin; los eucariontes,

varios.

7. En la replicacin intervienen protenas iniciadoras y enzimas que separan las dos cadenas de

DNA. Las cadenas nuevas son sintetizadas por la DNA polimerasa III, que para comenzar su

actividad requiere la presencia de un cebador (segmento de RNA (/glossary/term/25) sobre el cual

inicia la sntesis). Al separarse las dos cadenas originales, se forman dos estructuras en forma de Y,

llamadas horquillas de replicacin. La replicacin avanza en forma bidireccional, porque la sntesis y

las dos horquillas de replicacin se producen en direcciones opuestas desde un nico origen.

8. La cadena 5' a 3' se sintetiza en forma continua como una sola unidad y se denomina

adelantada; la cadena 3' a 5' se sintetiza de manera discontinua, como una serie de fragmentos

llamados de Okazaki y se llama cadena retrasada (/glossary/term/151) . Cada fragmento de Okazaki

es sintetizado en la direccin 5' a 3' y requiere un cebador. Luego, el RNA del cebador es

reemplazado por DNA y la enzima (/glossary/term/365) ligasa une todos los fragmentos.

Fig. 9-13. Mecanismo de replicacin del DNA

Las dos cadenas de la doble hlice de DNA se separan y sirven como moldes

para la sntesis de nuevas cadenas complementarias. Las helicasas, enzimas que

operan en las horquillas de replicacin, separan las dos cadenas de la doble

hlice original. Las protenas de unin a cadena simple estabilizan las cadenas

abiertas. La DNA polimerasa III cataliza la adicin de nucletidos a ambas

cadenas operando slo en direccin 5' a 3'. Para comenzar a aadir nucletidos,

esta enzima requiere la presencia de un cebador de RNA, unido por puentes de

hidrgeno a la cadena molde (/glossary/term/149) que luego es reemplazado por

nucletidos de DNA. El cebador de RNA es sintetizado por la RNA primasa. La cadena adelantada

(/glossary/term/148) se sintetiza en la direccin 5' a 3' en forma continua. En este caso, el nico

cebador de RNA est situado en el origen de replicacin, que no es visible en este esquema. La

cadena rezagada tambin se sintetiza en la direccin 5' a 3', a pesar de que esta direccin es

opuesta a la del movimiento de la horquilla de replicacin (/glossary/term/587) . El problema se

resuelve mediante la sntesis discontinua de una serie de fragmentos, los fragmentos de Okazaki

(/glossary/term/478) . Cuando un fragmento de Okazaki ha crecido lo suficiente como para encontrar

un cebador de RNA por delante de l, la DNA polimerasa I reemplaza a los nucletidos de RNA del

cebador con nucletidos de DNA. Luego, la DNA ligasa conecta cada fragmento con el fragmento

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contiguo recin sintetizado en la cadena.

9. El telmero (/glossary/term/1041) es una secuencia fija y repetida de nucletidos, presente en los

extremos de los cromosomas lineales de las clulas eucariontes. En cada ciclo de replicacin los

telmeros se acortan, porque la DNA polimerasa no puede sintetizar DNA desde un extremo

abierto. La enzima telomerasa (/glossary/term/1040) compensa la prdida prolongando los extremos.

Fig. 9-14. Alargamiento de los extremos de los cromosomas eucariontes por la enzima

telomerasa

(a) El fragmento de RNA que porta la telomerasa se aparea con los ltimos

nucletidos del telmero. (b) La porcin proteica de la enzima cataliza la sntesis

del DNA complementario (/glossary/term/317) al molde de RNA, elongando de este

modo el extremo del cromosoma. (c) La RNA primasa y la DNA polimerasa

sintetizan la cadena complementaria a la sintetizada por la telomerasa. El

cebador sintetizado por la primasa luego es eliminado.

10. Muchos errores espontneos que se producen durante la sntesis del DNA son reparados de

inmediato por la propia DNA polimerasa III. Otros mecanismos de correccin realizan controles

permanentes y reparan daos en el DNA. Las mutaciones son errores que quedan sin reparar y se

transmiten a las clulas hijas.

11. La energa necesaria para que se produzcan las reacciones catalizadas por la DNA polimerasa

es aportada por los enlaces de los fosfatos que forman parte de los nucletidos.

La DNA polimerasa como herramienta de multiplicacin: PCR(/glossary/term/900)

12. La reaccin en cadena de la polimerasa (/glossary/term/899) permite multiplicar enormemente el

nmero de molculas de DNA de una muestra desconocida de tamao nfimo. Este mtodo

consiste en una serie de ciclos de calentamiento y enfriado que producen la desnaturalizacin

(/glossary/term/299) , el copiado y el reapareamiento in vitro de la molcula de DNA. La sntesis de

DNA es realizada por la Taq DNA polimerasa, una enzima de origen bacteriano que tolera la

temperatura de desnaturalizacin del DNA. Esta tcnica se utiliza para la deteccin de

enfermedades hereditarias, identificacin de personas, clonado de genes y pruebas de paternidad.

Fig. 9-15. La reaccin en cadena de la polimerasa (PCR)

(a) La mezcla de reaccin contiene la secuencia de DNA que se quiere

amplificar, dos oligonucletidos sintticos (P1 y P2) que servirn como

cebadores, una DNA polimerasa termoestable (llamada Taq DNA

polimerasa) y los cuatro desoxirribonucletidos dATP, dGTP, dCTP y dTTP.

(b) Durante la desnaturalizacin, que se realiza por calentamiento de la

mezcla a 95 C, se separan las dos cadenas del DNA molde. (c) La

temperatura de incubacin se reduce para permitir el apareamiento de las bases de ambos

cebadores en el sitio donde encuentran una secuencia complementaria. (d) La mezcla se calienta

a 72 C, temperatura a la cual la DNA polimerasa (Taq) extiende la cadena complementaria a

partir del extremo 3' de los cebadores. Al finalizar cada ciclo (e), la cantidad de DNA molde

disponible para el ciclo siguiente (f, g, y h) se duplica.

El DNA como portador de informacin

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13. En el DNA, la informacin se encuentra en el ordenamiento lineal o secuencia de las cuatro

bases que lo componen. La estructura del DNA puede dar cuenta de la enorme diversidad de los

seres vivos