Estructura, Replicación y Función del ADN: Mecanismos Moleculares

Conformación del ADN como Portador de la Información Genética

En 1928, el microbiólogo Griffith investigó varias cepas del Streptococcus pneumoniae (las S y las R), causante de la neumonía en humanos. La S suele ser letal porque lleva cápsula. Al inocularla en ratones, estos morían. Se inyectaba R vivas y S muerta; los ratones morían y, además, contenían S vivas. Dedujo que las S muertas podían transmitir un factor transformante a las R, convirtiéndolas en patógenas. Este factor daba lugar a que las R vivas sintetizaran la cápsula y se volvieran S virulentas.

Avery, McLeod y McCarty, en 1944, demostraron que los extractos de bacterias S muertas que contenían ADN eran capaces de producir dicha transformación.

Hershey y Chase, en 1952, trabajaron con el bacteriófago T2 (virus parásito de bacterias). Reprodujeron el bacteriófago en bacterias cuyos aminoácidos (cisteína y metionina) contenían azufre radiactivo y obtuvieron cápsulas radiactivas. En otro cultivo con fósforo radiactivo, obtuvieron virus con ADN radiactivo. Al infectar cada uno de estos bacteriófagos, solo se obtuvieron bacteriófagos radiactivos con aquellos virus que tenían el ADN radiactivo. Demostraron así que el ADN es la molécula que pasa de una generación a otra y no las proteínas.

Duplicación del ADN

Hipótesis (3)

• Semiconservativa (Watson y Crick): cada hebra de ADN sirve de molde para que se forme una hebra nueva. Al final quedan 2 ADN, cada uno con 1 hebra antigua y otra de nueva formación.
• Conservativa: tras la duplicación se obtienen 2 ADN, uno con las hebras antiguas y otro con las 2 hebras de nueva formación.
• Dispersativa: las 2 hebras de los 2 ADN tienen fragmentos nuevos y fragmentos antiguos.

Experimento de Meselson y Stahl

Cultivaron bacterias de E. coli en un medio con N15 pesado. Como el ADN con N15 pesa más que el sintetizado con N14, ambas se separaron por centrifugación, quedando el ligero (N14) más arriba que el pesado (N15). Después las pasaron a un medio con N14 durante media hora (tiempo necesario para que el ADN se duplique). Lo centrifugaron y vieron que el ADN sintetizado estaba en una posición intermedia entre el ADN con N15 y el ADN con N14. Dedujeron que era un ADN híbrido (hipótesis conservativa descartada). Si las bacterias se dejaban en N14 durante 2 divisiones, aparecen 2 bandas de ADN (1 híbrido y otro ligero) (hipótesis dispersativa descartada). Conclusión: era la hipótesis semiconservativa.

Síntesis de Nuevas Cadenas de ADN

Síntesis de ADN "in vitro"

En 1956, Kornberg aisló de E. coli una enzima capaz de sintetizar ADN in vitro, la ADN polimerasa (ADNpol). Para que esta actúe, necesitaba desoxirribonucleótidos-5-trifosfato (A, T, C y G), iones Mg, 1 hebra completa de ADN (patrón) (la de dirección 5'3') y 1 trozo de la otra hebra (cebador, en dirección 3'5'). La ADNpol es una enzima formada por mil aminoácidos que se encuentran en el núcleo y mitocondria. Tiene varios lugares donde se fijan los sustratos, que quedan ocupados por el ADN patrón, ADN cebador y el nucleótido que se añade. Puede unir unos mil nucleótidos/min, aunque es incapaz de iniciar una cadena de nuevo; su papel se limita a añadir nucleótidos al extremo de una cadena preexistente, el cebador. Solo lee en dirección 5'3', por tanto, la cadena crece en dirección 5'3'. Así, en 1 cadena de ADN, el nucleótido que tiene el C5' libre se considera el primer nucleótido y el que tiene libre el C3', el último. Así, la nueva hebra es antiparalela y complementaria.

Síntesis de ADN "in vivo"

Aquí surge 1 problema: si la ADNpol solo sabe leer en dirección 3'5', la hebra molde orientada en ese sentido será copiada continuamente y la nueva hebra se llama conductora. Pero la hebra molde orientada en dirección 5'3' no puede leerla directamente. Este problema se soluciona con la síntesis de pequeños fragmentos de ADN (Fragmentos de Okazaki) que crecen en dirección 5'3' gracias a la ARNpol y la ADNpol, que más tarde se unirán para formar la otra réplica (hebra retardada), ya que tarda más en sintetizarse.

Mecanismo de Duplicación de ADN

Células Procariotas (en dos fases)

Fase de iniciación

Hay 1 secuencia de nucleótidos en el ADN (origen de replicación) que actúa como señal de inicio del proceso. La enzima helicasa rompe los puentes de H entre las 2 hebras complementarias y las separa. Las enzimas topoisomerasas eliminan las tensiones y superenrollamientos. Las proteínas estabilizadoras SSB mantienen separadas las 2 hebras y se inicia la horquilla de replicación. El proceso es bidireccional, hay una helicasa que trabaja en 1 sentido y otra en el contrario, por lo tanto, hay 2 horquillas.

Fase de elongación

Interviene la ARN pol y la ADNpol. Primero, una ARNpol (primasa) sintetiza 1 fragmento corto de ARN de unos 10 nucleótidos (primer) que actúa de cebador. Después, la ADNpol III, partiendo del primer, empieza a añadir nucleótidos trifosfato en sentido 5'3'. Esta hebra crece continuamente (es la conductora). Sobre la hebra retardada, la ARNpol sintetiza unos 40 nucleótidos de ARN en 1 punto que dista unos mil nucleótidos de la señal de inicio. A partir de estos, la ADNpol III sintetiza unos mil nucleótidos de ADN y así se forma 1 fragmento de Okazaki. Este proceso se repite hasta terminar la hebra. Después, la ADNpol I retira los segmentos de ARN y añade en su lugar nucleótidos de ADN. Para terminar, interviene la ADN ligasa, que une los diferentes fragmentos.

Células Eucariotas

Semejante al de procariotas salvo en: el ADN está asociado a histonas; la hebra conductora y su patrón se quedan con las histonas antiguas, y la retardada y su patrón, con nuevas histonas. Es 1 proceso más lento, ya que es más largo y tiene histonas. Se forman unas 100 burbujas de replicación que se activan coordinadamente y dan unidades de replicación o replicones. Los fragmentos de Okazaki son más pequeños, de 100 a 200 nucleótidos. El proceso de replicación se lleva a cabo en el periodo S de la interfase y dura de 6 a 8 horas.

Genes, Enzimas y Caracteres

Beadle y Tatum llegaron a la conclusión de que, al alterar la secuencia de nucleótidos de 1 gen, se provocaba la deficiencia de 1 enzima y se estableció 1 paralelismo entre genes y enzimas, elaborando la teoría de "1 gen-1 enzima". Así, los genes son responsables de la producción de enzimas que controlan sustancias y, por ello, las características de los organismos.