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Introducción a la Biología Molecular y Replicación de ADN contexto LA ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL ADN 30.000 para los humanos. Las bacterias, las En la década de 1940, los biólogos tenían arqueas y algunos eucariotas unicelulares, dificultades para concebir cómo el ADN podía...

Introducción a la Biología Molecular y Replicación de ADN contexto LA ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL ADN 30.000 para los humanos. Las bacterias, las En la década de 1940, los biólogos tenían arqueas y algunos eucariotas unicelulares, dificultades para concebir cómo el ADN podía como la levadura, tienen genomas concisos, ser el material genético. La molécula parecía que consisten en poco más que cadenas de demasiado simple: un polímero largo genes muy juntos. Sin embargo, los genomas compuesto de sólo cuatro tipos de de plantas y animales multicelulares, así como subunidades de nucleótidos, que se parecen muchos otros eucariotas, contienen, además entre sí químicamente. A principios de la de genes, una gran cantidad de ADN década de 1950, el ADN se examinó mediante intercalado cuya función es poco conocida análisis de difracción de rayos X, una técnica (Figura 4-13). Parte de este ADN adicional es para determinar la estructura atómica crucial para el control adecuado de la tridimensional de una molécula (que se expresión génica, y esto puede explicar en analiza en el capítulo 8). Los primeros parte por qué hay tanto en los organismos resultados de la difracción de rayos X multicelulares, cuyos genes tienen que indicaron que el ADN estaba compuesto de activarse y desactivarse de acuerdo con dos hebras del polímero enrolladas en una reglas complicadas durante el desarrollo hélice. La observación de que el ADN era (discutido en los Capítulos 7 y 21). bicatenario proporcionó una de las principales Las diferencias en la cantidad de ADN pistas que llevaron al modelo Watson-Crick intercalado entre genes, mucho más que las para la estructura del ADN que, tan pronto diferencias en el número de genes, explican como se propuso en 1953, puso de manifiesto las asombrosas variaciones en el tamaño del el potencial del ADN para la replicación y el genoma que vemos cuando comparamos una almacenamiento de información. especie con otra (véase la Figura 1-32). Por ejemplo, el genoma humano es 200 veces Los cromosomas contienen largas más grande que el de la levadura cadenas de genes Saccharomyces cerevisiae, pero 30 veces Los cromosomas contienen genes, las más pequeño que el de algunas plantas y unidades funcionales de la herencia. Un gen anfibios y 200 veces más pequeño que el de se define a menudo como un segmento de una especie de ameba. Además, debido a las ADN que contiene las instrucciones para diferencias en la cantidad de ADN no fabricar una proteína particular (o un conjunto codificante, los genomas de organismos de proteínas estrechamente relacionadas), estrechamente relacionados (los peces óseos, pero esta definición es demasiado limitada. por ejemplo) pueden variar varios cientos de Los genes que codifican proteínas son, de veces en su contenido de ADN, aunque hecho, la mayoría, y la mayoría de los genes contengan aproximadamente el mismo con fenotipos mutantes claramente definidos número de genes. Sea cual sea el efecto del caen bajo esta categoría. Además, sin exceso de ADN, parece claro que no es un embargo, hay muchos "genes de ARN", gran impedimento para una célula eucariota segmentos de ADN que generan una tener una gran cantidad de él. molécula de ARN funcionalmente significativa, La forma en que se divide el genoma en en lugar de una proteína, como su producto cromosomas también difiere de una especie final. Hablaremos más sobre los genes de eucariota a otra. Por ejemplo, mientras que las ARN y sus productos más adelante. células de los humanos tienen 46 Como podría esperarse, existe cierta cromosomas, las de algunos ciervos correlación entre la complejidad de un pequeños tienen solo 6, mientras que las de la organismo y el número de genes en su carpa común contienen más de 100. Incluso genoma (ver Tabla 1-2, p. 29). Por ejemplo, especies estrechamente relacionadas con algunas bacterias simples tienen solo 500 tamaños de genoma similares pueden tener genes, en comparación con aproximadamente cantidades y tamaños de cromosomas muy diferentes (Figura 4-14). Por lo tanto, no existe codifican la proteína. Como se analizará en una relación simple entre el número de detalle en el capítulo 6, las secuencias cromosomas, la complejidad del organismo y codificantes se denominan exones; las el tamaño total del genoma. Más bien, los secuencias intermedias (no codificantes) en genomas y cromosomas de las especies los genes se denominan intrones (véase la modernas han sido moldeados por una figura 4-15 y la tabla 4-1). La mayoría de los historia única de eventos genéticos genes humanos constan, pues, de una larga aparentemente aleatorios, sobre los que han cadena de exones e intrones alternados, y la influido presiones de selección poco mayor parte del gen está formada por entendidas a lo largo de largos períodos intrones. Por el contrario, la mayoría de los evolutivos. genes de organismos con genomas concisos carecen de intrones. Esto explica el tamaño La secuencia de nucleótidos del genoma mucho menor de sus genes humano muestra cómo están dispuestos (aproximadamente una vigésima parte del de nuestros genes los genes humanos), así como la fracción Con la publicación de la secuencia completa mucho mayor de ADN codificante en sus de ADN del genoma humano en 2004, se hizo cromosomas. Además de los intrones y posible ver en detalle cómo están dispuestos exones, cada gen está asociado con los genes a lo largo de cada uno de nuestros secuencias de ADN reguladoras, que son cromosomas (Figura 4-15). Pasarán muchas responsables de garantizar que el gen se décadas antes de que la información active o desactive en el momento adecuado, contenida en la secuencia del genoma se exprese en el nivel apropiado y solo en el humano sea analizada por completo, pero ya tipo de célula adecuado. En los humanos, las ha estimulado nuevos experimentos que han secuencias reguladoras de un gen típico se tenido efectos importantes en el contenido de distribuyen en decenas de miles de pares de cada capítulo de este libro. La primera nucleótidos. Como sería de esperar, estas característica sorprendente del genoma secuencias reguladoras están mucho más humano es lo poco que de él (sólo un comprimidas en organismos con genomas pequeño porcentaje) codifica proteínas (Tabla concisos. Analizamos cómo funcionan las 4-1 y Figura 4-16). También es notable que secuencias de ADN reguladoras en el casi la mitad del ADN cromosómico está Capítulo 7. formado por fragmentos móviles de ADN que La investigación de la última década ha se han insertado gradualmente en los sorprendido a los biólogos con el cromosomas a lo largo del tiempo evolutivo, descubrimiento de que, además de 21.000 multiplicándose como parásitos en el genoma genes codificadores de proteínas, el genoma (véase Figura 4-62). Analizamos estos humano contiene muchos miles de genes que elementos transponibles en detalle en codifican moléculas de ARN que no producen capítulos posteriores. Una segunda proteínas, sino que tienen una variedad de característica notable del genoma humano es otras funciones importantes. Lo que se sabe el gran tamaño medio de los genes: unos hasta ahora sobre estas moléculas se 27.000 pares de nucleótidos. Como se ha presentará en los capítulos 6 y 7. Por último, comentado anteriormente, un gen típico lleva pero no por ello menos importante, la en su secuencia lineal de nucleótidos la secuencia de nucleótidos del genoma humano información para la secuencia lineal de los ha revelado que el archivo de información aminoácidos de una proteína. Sólo se necesario para producir un ser humano necesitan unos 1.300 pares de nucleótidos parece estar en un alarmante estado de caos. para codificar una proteína de tamaño medio Como describió un comentarista nuestro (unos 430 aminoácidos en los seres genoma: “En algunos aspectos puede humanos). La mayor parte de la secuencia parecerse a su restante de un gen consiste en largos tramos garaje/dormitorio/refrigerador/vida: altamente de ADN no codificante que interrumpen los individualista, pero descuidado; poca segmentos relativamente cortos de ADN que evidencia de organización; mucho desorden acumulado (al que los no iniciados se refieren consiste en ADN enrollado alrededor de un como ‘basura’); prácticamente nada se núcleo de histona (Película 4.2). descarta nunca; y los pocos elementos La organización estructural de los evidentemente valiosos se encuentran nucleosomas se determinó después de esparcidos indiscriminadamente, aislarlos primero de la cromatina desplegada aparentemente sin cuidado, por todas partes”. mediante digestión con enzimas particulares Analizaremos cómo se cree que esto se (llamadas nucleasas) que descomponen el produjo en las secciones finales de este ADN cortando entre los nucleosomas. capítulo titulado “Cómo evolucionan los Después de la digestión durante un corto genomas”. período, el ADN expuesto entre las partículas del núcleo del nucleosoma, el ADN de enlace, Los nucleosomas son una unidad básica se degrada. Cada partícula del núcleo del de la estructura de los cromosomas nucleosoma individual consiste en un eucariotas complejo de ocho proteínas histonas (dos Las proteínas que se unen al ADN para formar moléculas de cada una de las histonas H2A, los cromosomas eucariotas se dividen H2B, H3 y H4) y ADN bicatenario que tiene tradicionalmente en dos clases: las histonas y una longitud de 147 pares de nucleótidos. El las proteínas cromosómicas no histonas, cada octámero de histonas forma un núcleo una de las cuales aporta aproximadamente la proteico alrededor del cual se enrolla el ADN misma masa a un cromosoma que el ADN. El bicatenario (Figura 4-22). La región de ADN complejo de ambas clases de proteínas con el de enlace que separa cada partícula del ADN nuclear de las células eucariotas se núcleo del nucleosoma de la siguiente puede conoce como cromatina (Figura 4-20). variar en longitud desde unos pocos pares de Las histonas son responsables del primer y nucleótidos hasta aproximadamente 80. (El más básico nivel de empaquetamiento de los término nucleosoma se refiere técnicamente a cromosomas, el nucleosoma, un complejo una partícula del núcleo del nucleosoma más proteína-ADN descubierto en 1974. Cuando uno de sus enlaces de ADN adyacentes, pero los núcleos en interfase se abren con mucho a menudo se usa como sinónimo de partícula cuidado y se examina su contenido bajo el del núcleo del nucleosoma). En promedio, por microscopio electrónico, la mayor parte de la lo tanto, los nucleosomas se repiten a cromatina parece estar en forma de una fibra intervalos de aproximadamente 200 pares de con un diámetro de aproximadamente 30 nm nucleótidos. Por ejemplo, una célula humana (Figura 4-21A). Si esta cromatina se somete a diploide con 6,4 × 109 pares de nucleótidos tratamientos que hacen que se despliegue contiene aproximadamente 30 millones de parcialmente, se puede ver bajo el nucleosomas. La formación de nucleosomas microscopio electrónico como una serie de convierte una molécula de ADN en un hilo de "cuentas en una cuerda" (Figura 4-21B). La cromatina de aproximadamente un tercio de cuerda es ADN, y cada cuenta es una su longitud inicial. "partícula del núcleo del nucleosoma" que *secciones que incluye el corto 1. Cada molécula de ADN que forma un una serie ordenada de etapas, conocidas cromosoma lineal debe contener un colectivamente como el ciclo celular, que centrómero, dos telómeros y orígenes de proporciona una separación temporal entre la replicación. duplicación de cromosomas y su segregación Para formar un cromosoma funcional, una en dos células hijas. El ciclo celular se resume molécula de ADN debe ser capaz de hacer brevemente en la Figura 4-17, y se analiza en más que simplemente transportar genes: debe detalle en el Capítulo 17. Brevemente, durante ser capaz de replicarse, y las copias una larga interfase, se expresan los genes y replicadas deben separarse y repartirse de se replican los cromosomas, y las dos réplicas forma fiable en células hijas en cada división permanecen juntas como un par de celular. Este proceso se produce a través de cromátidas hermanas. A lo largo de este tiempo, los cromosomas se extienden y gran célula se divide. Un complejo proteico llamado parte de su cromatina existe como hilos largos cinetocoro se forma en el centrómero y une en el núcleo, de modo que los cromosomas los cromosomas duplicados al huso mitótico, individuales no se pueden distinguir lo que permite separarlos (se analiza en el fácilmente. Sólo durante un período mucho Capítulo 17). más breve de la mitosis, cada cromosoma se La tercera secuencia especializada de ADN condensa de modo que sus dos cromátidas forma los telómeros, los extremos de un hermanas pueden separarse y distribuirse cromosoma. Los telómeros contienen entre los dos núcleos hijos. Los cromosomas secuencias repetidas de nucleótidos que altamente condensados ​de una célula en permiten que los extremos de los cromosomas división se conocen como cromosomas se repliquen de manera eficiente. Los mitóticos (Figura 4-18). Esta es la forma en la telómeros también realizan otra función: las que los cromosomas se visualizan con mayor secuencias repetidas de ADN de los facilidad; de hecho, las imágenes de telómeros, junto con las regiones adyacentes cromosomas mostradas hasta ahora en el a ellas, forman estructuras que protegen el capítulo son de cromosomas en mitosis. extremo del cromosoma para que la célula no Cada cromosoma funciona como una unidad lo confunda con una molécula de ADN rota estructural distinta: para que una copia pase a que necesita reparación. Analizamos tanto cada célula hija en la división, cada este tipo de reparación como la estructura y cromosoma debe poder replicarse, y las función de los telómeros en el Capítulo 5. copias recién replicadas deben posteriormente En las células de levadura, los tres tipos de separarse y repartirse correctamente en las secuencias necesarias para propagar un dos células hijas. Estas funciones básicas cromosoma son relativamente cortas están controladas por tres tipos de secuencias (normalmente menos de 1000 pares de bases de nucleótidos especializadas en el ADN, cada una) y, por lo tanto, utilizan solo una cada una de las cuales se une a proteínas pequeña fracción de la capacidad de específicas que guían la maquinaria que transporte de información de un cromosoma. replica y segrega los cromosomas (Figura Aunque las secuencias de telómeros son 4-19). bastante simples y cortas en todos los Experimentos en levaduras, cuyos eucariotas, las secuencias de ADN que cromosomas son relativamente pequeños y forman centrómeros y orígenes de replicación fáciles de manipular, han identificado los en organismos más complejos son mucho elementos mínimos de la secuencia de ADN más largas que sus contrapartes de levadura. responsables de cada una de estas funciones. Por ejemplo, los experimentos sugieren que Un tipo de secuencia de nucleótidos actúa un centrómero humano puede contener hasta como origen de replicación del ADN, el lugar un millón de pares de nucleótidos y que tal en el que comienza la duplicación del ADN. vez no requiera un tramo de ADN con una Los cromosomas eucariotas contienen secuencia de nucleótidos definida. En cambio, muchos orígenes de replicación para como veremos más adelante en este capítulo, garantizar que todo el cromosoma pueda se cree que un centrómero humano consiste replicarse rápidamente, como se analiza en en una gran estructura de proteína-ácido detalle en el Capítulo 5. nucleico que se repite regularmente y que Después de la replicación del ADN, las dos puede heredarse cuando un cromosoma se cromátidas hermanas que forman cada replica. cromosoma permanecen unidas entre sí y, a medida que avanza el ciclo celular, se 2. Un complejo de proteínas lectoras y condensan aún más para producir escritoras puede propagar modificaciones cromosomas mitóticos. La presencia de una específicas de la cromatina a lo largo de un segunda secuencia de ADN especializada, cromosoma llamada centrómero, permite que una copia de El fenómeno de la variegación por efecto de cada cromosoma duplicado y condensado sea posición descrito anteriormente requiere que extraída hacia cada célula hija cuando una algunas formas modificadas de cromatina tengan la capacidad de propagarse a borradora", como una histona desmetilasa o distancias considerables a lo largo de una una histona desacetilasa, en el complejo. En molécula de ADN cromosómico (véase la cuanto al complejo escritor de la Figura 4-40, Figura 4-31). ¿Cómo es esto posible? las proteínas de unión al ADN específicas de Las enzimas que añaden o eliminan la secuencia (reguladores de la transcripción) modificaciones a las histonas en los dirigen dónde ocurren dichas modificaciones nucleosomas forman parte de complejos (discutido en el Capítulo 7). Se puede obtener multisubunitarios. Inicialmente, pueden ser una idea de la complejidad de los procesos llevadas a una región particular de la anteriores a partir de los resultados de los cromatina por una de las proteínas de unión al análisis genéticos de genes que mejoran o ADN específicas de la secuencia (reguladores suprimen la expansión y la estabilidad de la de la transcripción) analizadas en los heterocromatina, como se manifiesta en los Capítulos 6 y 7 (para un ejemplo específico, efectos sobre la variegación por efecto de véase la Figura 7-20). Pero después de que posición en Drosophila (véase la Figura 4-32). una enzima modificadora “escribe” su marca Como se señaló anteriormente, se conocen en uno o unos pocos nucleosomas vecinos, más de 100 de estos genes, y es probable pueden producirse eventos que se asemejan que la mayoría de ellos codifiquen a una reacción en cadena. En tal caso, la subunidades en uno o más complejos de “enzima escritora” trabaja en conjunto con una proteínas de remodelación lectora-escritora. “proteína lectora” ubicada en el mismo complejo proteico. La proteína lectora 3. El apareamiento de bases es la base de contiene un módulo que reconoce la marca y la replicación y la reparación del ADN se une firmemente al nucleosoma recién Como se presentó en el Capítulo 1, la modificado (véase la Figura 4-36), activando formación de plantillas de ADN es el una enzima escritora adjunta y posicionándola mecanismo que utiliza la célula para copiar la cerca de un nucleosoma adyacente. A través secuencia de nucleótidos de una hebra de de muchos de estos ciclos de ADN en una secuencia de ADN lectura-escritura, la proteína lectora puede complementaria (Figura 5-2). Este proceso transportar la enzima escritora a lo largo del requiere la separación de la hélice de ADN en ADN, esparciendo la marca de una mano dos hebras de plantilla, e implica el sobre otra a lo largo del cromosoma (Figura reconocimiento de cada nucleótido en las 4-40). hebras de plantilla de ADN por un nucleótido En realidad, el proceso es más complicado complementario libre (no polimerizado). La que el esquema que se acaba de describir. separación de la hélice de ADN expone los Tanto los lectores como los escritores forman grupos donador y aceptor de enlaces de parte de un complejo proteico que hidrógeno en cada base de ADN para el probablemente contenga múltiples lectores y apareamiento de bases con el nucleótido libre escritores, y que requiera múltiples marcas en entrante apropiado, alineándolo para su el nucleosoma para propagarse. Además, polimerización catalizada por enzimas en una muchos de estos complejos lector-escritor nueva cadena de ADN. también contienen una proteína de La primera enzima polimerizadora de remodelación de la cromatina dependiente de nucleótidos, la ADN polimerasa, se descubrió ATP (véase la Figura 4-26C), y las proteínas en 1957. Se descubrió que los nucleótidos lectora, escritora y remodeladora pueden libres que sirven como sustratos para esta trabajar en conjunto para descondensar o enzima eran desoxirribonucleósidos condensar largos tramos de cromatina a trifosfatos, y su polimerización en ADN medida que el lector se mueve requería una plantilla de ADN de una sola progresivamente a lo largo del ADN hebra. La Figura 5-3 y la Figura 5-4 ilustran el empaquetado en el nucleosoma. Se utiliza un mecanismo paso a paso de esta reacción. proceso similar para eliminar modificaciones de histonas de regiones específicas del ADN; 4. La horquilla de replicación del ADN es en este caso, se recluta una "enzima asimétrica Durante la replicación del ADN dentro de una Okazaki, en la horquilla de replicación en célula, cada una de las dos cadenas originales crecimiento. (Más tarde se encontraron de ADN sirve como plantilla para la formación intermediarios de replicación similares en de una nueva cadena completa. Debido a que eucariotas, donde tienen sólo entre 100 y 200 cada una de las dos hijas de una célula en nucleótidos de longitud). Se demostró que los división hereda una nueva doble hélice de fragmentos de Okazaki se polimerizaban sólo ADN que contiene una cadena original y una en la dirección de la cadena 5ʹ a 3ʹ y que se nueva (Figura 5-5), se dice que la doble hélice unían después de su síntesis para crear de ADN se replica de manera largas cadenas de ADN. “semiconservativa”. ¿Cómo se logra esta Por tanto, una horquilla de replicación tiene hazaña? Los análisis realizados a principios una estructura asimétrica (Figura 5-7). La de la década de 1960 en cromosomas hebra hija de ADN que se sintetiza de forma replicantes completos revelaron una región continua se conoce como hebra líder. Su localizada de replicación que se mueve síntesis precede ligeramente a la síntesis de progresivamente a lo largo de la doble hélice la hebra hija que se sintetiza de forma de ADN parental. Debido a su estructura en discontinua, conocida como hebra rezagada. forma de Y, esta región activa se llama En el caso de la cadena rezagada, la dirección horquilla de replicación (Figura 5-6). En la de polimerización de nucleótidos es opuesta a horquilla de replicación, un complejo la dirección general de crecimiento de la multienzimático que contiene la ADN cadena de ADN. La síntesis de esta cadena polimerasa sintetiza el ADN de ambas nuevas mediante un mecanismo de “cosido inverso” cadenas hijas. Inicialmente, el mecanismo discontinuo significa que la replicación del más simple de replicación del ADN parecía ADN requiere únicamente la ADN polimerasa ser el crecimiento continuo de ambas nuevas de tipo 5ʹ a 3ʹ. hebras, nucleótido por nucleótido, en la horquilla de replicación a medida que se 5. Sólo la replicación del ADN en la mueve de un extremo de una molécula de dirección 5ʹ a 3ʹ permite una corrección ADN al otro. Pero debido a la orientación eficiente de errores antiparalela de las dos hebras de ADN en la La necesidad de precisión probablemente doble hélice de ADN (ver Figura 5-2), este explica por qué la replicación del ADN ocurre mecanismo requeriría que una hebra hija se sólo en la dirección 5ʹ-3ʹ. Si hubiera una ADN polimerice en la dirección 5ʹ-a-3ʹ y la otra en la polimerasa que añadiera trifosfatos de dirección 3ʹ-a-5ʹ. Una horquilla de replicación desoxirribonucleósidos en la dirección 3ʹ-5ʹ, el de este tipo requeriría dos tipos distintos de extremo 5ʹ creciente de la cadena, en lugar del enzimas ADN polimerasas. Sin embargo, por mononucleótido entrante, tendría que atractivo que pueda ser este modelo, las ADN proporcionar el trifosfato activador necesario polimerasas en las horquillas de replicación para el enlace covalente. En este caso, los pueden sintetizar solo en la dirección 5ʹ-a-3ʹ. errores en la polimerización no podrían ¿Cómo, entonces, puede una hebra de ADN simplemente hidrolizarse, porque el extremo 5ʹ crecer en la dirección 3ʹ-a-5ʹ? La respuesta fue desnudo de la cadena así creado terminaría sugerida por primera vez por los resultados de inmediatamente la síntesis de ADN (véase la un experimento realizado a fines de la década Figura 5-3). Por lo tanto, es posible corregir de 1960. Los investigadores añadieron una base desapareada sólo si se ha añadido 3H-timidina altamente radiactiva a bacterias al extremo 3ʹ de una cadena de ADN. Aunque en división durante unos segundos, de modo el mecanismo de pespunte hacia atrás para la que sólo el ADN replicado más recientemente replicación del ADN parece complejo, (el que se encuentra justo detrás de la preserva la dirección 5ʹ-3ʹ de polimerización horquilla de replicación) quedó radiomarcado. que se requiere para la corrección Este experimento reveló la existencia exonucleolítica. transitoria de fragmentos de ADN de entre A pesar de estas salvaguardas contra los 1000 y 2000 nucleótidos de longitud, ahora errores de replicación del ADN, las ADN conocidos comúnmente como fragmentos de polimerasas cometen errores ocasionalmente. Sin embargo, como veremos más adelante, extremo, la ADN polimerasa puede alargarlo las células tienen otra oportunidad de corregir en este extremo para comenzar un fragmento estos errores mediante un proceso llamado de Okazaki. La síntesis de cada fragmento de reparación de errores de apareamiento Okazaki termina cuando esta ADN polimerasa dirigido por hebras. Sin embargo, antes de se topa con el cebador de ARN unido al analizar este mecanismo, describimos los extremo 5' del fragmento anterior. Para otros tipos de proteínas que funcionan en la producir una cadena de ADN continua a partir horquilla de replicación. de los muchos fragmentos de ADN formados en la 6. Una enzima polimerizadora de hebra rezagada, un sistema especial de nucleótidos especial sintetiza moléculas reparación del ADN cortas de cebadores de ARN en la cadena actúa rápidamente para borrar el antiguo rezagada cebador de ARN y reemplazarlo con ADN. En el caso de la cadena principal, solo se Una enzima necesita un cebador al comienzo de la llamada ADN ligasa une entonces el extremo replicación: una vez que se establece una 3ʹ del nuevo fragmento de ADN al extremo 5ʹ horquilla de replicación, la ADN polimerasa de la hebra anterior para completar el proceso recibe continuamente un extremo de cadena (Figura 5-11 y Figura 5-12). ¿Por qué se con pares de bases en el que añadir nuevos podría preferir un cebador de ARN borrable a nucleótidos. Sin embargo, en el lado rezagado un cebador de ADN que no necesitaría ser de la horquilla, cada vez que la ADN borrado? El argumento de que una polimerasa polimerasa completa un fragmento corto de autocorrectora no puede iniciar cadenas de ADN de Okazaki (lo que lleva unos segundos), novo también implica lo contrario: una enzima debe comenzar a sintetizar un fragmento que inicia cadenas de nuevo no puede ser completamente nuevo en un sitio más eficiente en la autocorrección. Por lo tanto, adelante a lo largo de la cadena molde (véase cualquier enzima que inicie la síntesis de la Figura 5-7). Un mecanismo especial fragmentos de Okazaki necesariamente hará produce la cadena de cebadores con pares de una copia relativamente inexacta (al menos un bases que necesitan las moléculas de la ADN error en 105). Incluso si las copias retenidas polimerasa. El mecanismo depende de una en el producto final constituyeran tan sólo el enzima llamada ADN primasa, que utiliza 5% del genoma total (por ejemplo, 10 trifosfatos de ribonucleósido para sintetizar nucleótidos por cada fragmento de ADN de cebadores de ARN cortos en la cadena 200 nucleótidos), el aumento resultante en la rezagada (Figura 5-10). En los eucariotas, tasa de mutación general sería enorme. Por lo estos cebadores tienen una longitud de unos tanto, parece probable que el uso de ARN en 10 nucleótidos y se fabrican a intervalos de lugar de ADN para el cebado aporte una 100 a 200 nucleótidos en la cadena rezagada. poderosa ventaja a la célula: los La estructura química del ARN se introdujo en ribonucleótidos en el cebador marcan el Capítulo 1 y se describe automáticamente estas secuencias como en detalle en el Capítulo 6. Aquí, solo “copia sospechosa” para ser eliminadas y observamos que el ARN es muy similar en reemplazadas de manera eficiente. estructura al ADN. Una cadena de ARN puede 7. Proteínas especiales ayudan a abrir la formar pares de bases con una cadena de doble hélice del ADN delante de la horquilla ADN, generando una de replicación doble hélice híbrida de ADN-ARN si las dos Para que se produzca la síntesis de ADN, la secuencias de nucleótidos son doble hélice de ADN debe abrirse (“fundirse”) complementarias. Por lo tanto, el mismo antes de la horquilla de replicación para que principio de plantilla utilizado para la síntesis los desoxirribonucleósidos trifosfato entrantes de ADN guía la síntesis de cebadores de puedan formar pares de bases con las ARN. Debido a que un cebador de ARN cadenas molde. Sin embargo, la doble hélice contiene un nucleótido correctamente de ADN es muy estable en condiciones emparejado con un grupo 3'-OH en un fisiológicas; los pares de bases están fijados en su lugar con tanta fuerza que se requieren fácilmente en el ADN monocatenario (Figura temperaturas cercanas a la del agua hirviendo 5-15 y Figura 5-16). Si no se eliminan, estas para separar las dos cadenas en un tubo de hélices de horquilla pueden impedir la síntesis ensayo. Por esta razón, se necesitan dos tipos de ADN catalizada por la ADN polimerasa. adicionales de proteínas de replicación (las helicasas de ADN y las proteínas de unión al 8. Las proteínas en una horquilla de ADN monocatenario) para abrir la doble hélice replicación cooperan para formar una y proporcionar las plantillas de ADN máquina de replicación monocatenario adecuadas para que la ADN Aunque hemos analizado la replicación del polimerasa las copie. Las helicasas de ADN ADN como si se llevara a cabo mediante una se aislaron por primera vez como proteínas mezcla de proteínas que actúan de forma que hidrolizan el ATP cuando están unidas a independiente, en realidad la mayoría de las cadenas simples de ADN. Como se describe proteínas se mantienen juntas en un complejo en el Capítulo 3, la hidrólisis del ATP puede multienzimático grande y ordenado que cambiar la forma de una molécula de proteína sintetiza rápidamente el ADN. Este complejo de manera cíclica, lo que permite que la puede compararse con una pequeña máquina proteína realice un trabajo mecánico. Las de coser compuesta de partes proteínicas y helicasas de ADN utilizan este principio para accionada por la hidrólisis del trifosfato de impulsarse nucleósido. Al igual que una máquina de rápidamente a lo largo de una sola hebra de coser, el complejo de replicación ADN. Cuando encuentran una región de doble probablemente permanece estacionario con hélice, continúan moviéndose a lo largo de su respecto a su entorno inmediato; el ADN hebra, separando así la hélice a velocidades puede considerarse como una larga tira de de hasta 1000 pares de nucleótidos por tela que se enhebra rápidamente a través de segundo (Figura 5-13 y Figura 5-14). Las dos él. Aunque el complejo de replicación se ha hebras de ADN tienen polaridades opuestas y, estudiado más intensivamente en E. coli y en principio, una helicasa podría desenrollar la varios de sus virus, un complejo muy similar doble hélice de ADN moviéndose en la también opera en eucariotas, como vemos a dirección 5' a 3' a lo largo de una hebra o en la continuación. dirección 3' a 5' a lo largo de la otra. De La Figura 5-18 resume las funciones de las hecho, existen ambos tipos de helicasas de subunidades de la máquina de replicación. En ADN. En los sistemas de replicación mejor la parte delantera de la horquilla de comprendidos en bacterias, una helicasa que replicación, la helicasa de ADN abre la hélice se mueve en la dirección 5' a 3' a lo largo de de ADN. Dos moléculas de polimerasa de la plantilla de la hebra rezagada parece tener ADN trabajan en la horquilla, una en la hebra el papel predominante, por razones que se líder y otra en la hebra rezagada. Mientras aclararán en breve. Las proteínas de unión a que la molécula de ADN polimerasa en la ADN monocatenario (SSB), también llamadas cadena líder puede operar de manera proteínas desestabilizadoras de hélice, se continua, la molécula de ADN polimerasa en unen de manera firme y cooperativa al ADN la cadena rezagada debe reiniciarse a monocatenario expuesto sin cubrir las bases, intervalos cortos, utilizando un cebador de que por lo tanto permanecen disponibles ARN corto elaborado por una molécula de como plantillas. Estas proteínas no pueden ADN primasa. La asociación cercana de todos abrir una hélice larga de ADN directamente, estos componentes proteicos aumenta la pero ayudan a las helicasas estabilizando la eficiencia de la replicación y es posible gracias conformación monocatenaria desenrollada. a un repliegue de la cadena rezagada, como Además, a través de la unión cooperativa, se muestra en la Figura 5-18A. Esta recubren y enderezan las regiones de ADN disposición también facilita la carga de la monocatenario, que se producen pinza de polimerasa cada vez que se sintetiza rutinariamente en la plantilla de la cadena un fragmento de Okazaki: el cargador de la rezagada, evitando así la formación de las pinza y la molécula de ADN polimerasa de la hélices de horquilla cortas que se forman cadena rezagada se mantienen en su lugar como parte de la máquina de proteínas cargador de helicasa es análogo al cargador incluso cuando se separan de su plantilla de de pinza que encontramos anteriormente; ADN. De este modo, las proteínas de tiene la función adicional de mantener la replicación se unen entre sí en una sola helicasa en una forma inactiva hasta que se unidad grande (masa molecular total >106 carga correctamente en una horquilla de daltons), lo que permite que el ADN se replicación naciente. Una vez que las sintetice en ambos lados de la horquilla de helicasas están cargadas, los cargadores se replicación de manera coordinada y eficiente. disocian y las helicasas comienzan a En la hebra rezagada, la máquina de desenrollar el ADN, exponiendo suficiente replicación del ADN deja atrás una serie de ADN de cadena simple para que la ADN fragmentos de Okazaki sin sellar, que todavía primasa sintetice los primeros cebadores de contienen el ARN que preparó su síntesis en ARN (Figura 5-25). Esto conduce rápidamente sus extremos 5'. Como se explicó al ensamblaje de las proteínas restantes para anteriormente, este ARN se elimina y el crear dos horquillas de replicación, con espacio resultante se llena con enzimas máquinas de replicación que se mueven, con reparadoras del ADN que operan detrás de la respecto al origen de replicación, en horquilla de replicación (consulte la Figura direcciones opuestas. Continúan sintetizando 5-11). ADN hasta que se haya replicado toda la plantilla de ADN aguas abajo de cada 9. Los cromosomas bacterianos suelen horquilla. En E. coli, la interacción de la tener un único origen de replicación del proteína iniciadora con el origen de replicación ADN está cuidadosamente regulada, y la iniciación El genoma de E. coli está contenido en una se produce solo cuando hay suficientes única molécula circular de ADN de 4,6 × 106 nutrientes disponibles para que la bacteria pares de nucleótidos. La replicación del ADN complete una ronda completa de replicación. comienza en un único origen de replicación, y La iniciación también se controla para las dos horquillas de replicación ensambladas garantizar que solo se produzca una ronda de allí avanzan (a aproximadamente 1000 replicación de ADN por cada división celular. nucleótidos por segundo) en direcciones Una vez iniciada la replicación, la proteína opuestas hasta que se encuentran iniciadora se inactiva por hidrólisis de su aproximadamente en la mitad del cromosoma molécula de ATP unida, y el origen de (Figura 5-24). El único punto en el que E. coli replicación experimenta un "período puede controlar la replicación del ADN es la refractario". El período refractario es causado iniciación: una vez que las horquillas se han por un retraso en la metilación de los ensamblado en el origen, sintetizan ADN a nucleótidos A recién incorporados en el origen una velocidad relativamente constante hasta (Figura 5-26). La iniciación no puede volver a que finaliza la replicación. Por lo tanto, no es producirse hasta que los A se metilen y la sorprendente que la iniciación de la proteína iniciadora vuelva a su estado unido al replicación del ADN esté altamente regulada. ATP. El proceso comienza cuando las proteínas iniciadoras (en su estado unido al ATP) se 10. Los cromosomas eucariotas contienen unen en múltiples copias a sitios específicos múltiples orígenes de replicación del ADN ubicados en el origen de replicación, Hemos visto cómo dos horquillas de envolviendo el ADN alrededor de las proteínas replicación comienzan en un único origen de para formar un gran complejo proteína-ADN replicación en las bacterias y avanzan en que desestabiliza la doble hélice adyacente. direcciones opuestas, alejándose del origen Este complejo atrae entonces dos helicasas hasta que se replica todo el ADN en el único de ADN, cada una unida a un cargador de cromosoma circular. El genoma bacteriano es helicasa, y estas se colocan alrededor de lo suficientemente pequeño como para que cadenas simples de ADN adyacentes cuyas estas dos horquillas de replicación dupliquen bases han sido expuestas por el ensamblaje el genoma en unos 30 minutos. Debido al del complejo proteína iniciadora-ADN. El tamaño mucho mayor de la mayoría de los cromosomas eucariotas, se requiere una permitir que cada horquilla de replicación se estrategia diferente para permitir su mueva varios micrómetros a lo largo del ADN, replicación de manera oportuna. A principios de modo que el ADN replicado pueda de la década de 1960 se desarrolló un método detectarse en el microscopio óptico como para determinar el patrón general de líneas de granos de plata, aunque la molécula replicación de cromosomas eucariotas. Las de ADN en sí sea demasiado delgada para células humanas que crecen en cultivo se ser visible. De esta manera, se puede marcan durante un corto tiempo con determinar tanto la velocidad como la 3H-timidina para que el ADN sintetizado dirección del movimiento de la horquilla de durante este período se vuelva altamente replicación (Figura 5-27). A partir de la radiactivo. Luego, las células se lisan velocidad a la que las pistas de ADN replicado suavemente y el ADN se estira sobre la aumentan en longitud con el aumento del superficie de un portaobjetos de vidrio tiempo de marcaje, se estima que las recubierto con una emulsión fotográfica. El horquillas de replicación eucariotas se revelado de la emulsión revela el patrón del mueven a unos 50 nucleótidos por segundo. ADN marcado mediante una técnica conocida Esto es aproximadamente veinte veces más como autorradiografía. El tiempo asignado lento que la velocidad a la que se mueven las para el etiquetado radiactivo se elige para horquillas de replicación bacterianas, permitir que cada horquilla de replicación se posiblemente reflejando la mayor dificultad de mueva varios micrómetros a lo largo del ADN, replicar ADN que está empaquetado de modo que el ADN replicado pueda firmemente en la cromatina. Un cromosoma detectarse en el microscopio óptico como humano de tamaño promedio contiene una líneas de granos de plata, aunque la molécula sola molécula de ADN lineal de unos 150 de ADN en sí sea demasiado delgada para millones de pares de nucleótidos. Se ser visible.Hemos visto cómo dos horquillas necesitarían 0,02 segundos/nucleótido × 150 de replicación comienzan en un único origen × 106 nucleótidos = 3,0 × 106 segundos (unos de replicación en las bacterias y avanzan en 35 días) para replicar una molécula de ADN direcciones opuestas, alejándose del origen de un extremo al otro con una única horquilla hasta que se replica todo el ADN en el único de replicación moviéndose a una velocidad de cromosoma circular. El genoma bacteriano es 50 nucleótidos por segundo. Por tanto, como lo suficientemente pequeño como para que era de esperar, los experimentos estas dos horquillas de replicación dupliquen autorradiográficos que acabamos de describir el genoma en unos 30 minutos. Debido al revelan que muchas horquillas, pertenecientes tamaño mucho mayor de la mayoría de los a burbujas de replicación separadas, se cromosomas eucariotas, se requiere una mueven simultáneamente en cada estrategia diferente para permitir su cromosoma eucariota. replicación de manera oportuna. A principios Ahora existen métodos mucho más rápidos y de la década de 1960 se desarrolló un método sofisticados para controlar el inicio de la para determinar el patrón general de replicación del ADN y rastrear el movimiento replicación de cromosomas eucariotas. Las de las horquillas de replicación del ADN a lo células humanas que crecen en cultivo se largo de genomas completos. Un enfoque marcan durante un corto tiempo con utiliza microarreglos de ADN: cuadrículas del 3H-timidina para que el ADN sintetizado tamaño de un sello postal tachonadas con durante este período se vuelva altamente cientos de miles de fragmentos de secuencias radiactivo. Luego, las células se lisan de ADN conocidas. Como veremos en detalle suavemente y el ADN se estira sobre la en el Capítulo 8, cada fragmento de ADN superficie de un portaobjetos de vidrio diferente se coloca en una posición única en recubierto con una emulsión fotográfica. El el microarreglo, y de este modo se pueden revelado de la emulsión revela el patrón del representar genomas completos de manera ADN marcado mediante una técnica conocida ordenada. Si se descompone una muestra de como autorradiografía. El tiempo asignado ADN de un grupo de células replicantes y se para el marcaje radiactivo se elige para la hibrida con un microarreglo que representa el genoma de ese organismo, se puede maquinaria de replicación del ADN. Veremos determinar la cantidad de cada secuencia de que este es el caso de la levadura unicelular ADN. Debido a que un segmento de un en gemación S. cerevisiae, pero parece no ser genoma que se ha replicado contendrá el estrictamente cierto para la mayoría de los doble de ADN que un segmento no replicado, demás eucariotas. la iniciación de la horquilla de replicación y el Para la levadura en gemación, se ha movimiento de la horquilla se pueden determinado la ubicación de cada origen de monitorear con precisión en todo el genoma replicación en cada cromosoma. El (Figura 5-28). cromosoma particular que se muestra en la Experimentos de este tipo han demostrado lo Figura 5-30 (el cromosoma III de S. siguiente: (1) Se utilizan aproximadamente cerevisiae) es uno de los cromosomas más entre 30.000 y 50.000 orígenes de replicación pequeños conocidos, con una longitud menor cada vez que una célula humana se divide. (2) a 1/100 de la de un cromosoma humano El genoma humano tiene muchos más típico. Sus orígenes principales están orígenes potenciales (quizás diez veces más) separados por una distancia media de 30.000 que estos, y los diferentes tipos de células pares de nucleótidos, pero cada célula utiliza utilizan diferentes conjuntos de orígenes. Esto solo un subconjunto de estos orígenes. No puede permitir que una célula coordine sus obstante, este cromosoma puede replicarse orígenes activos con otras características de en unos 15 minutos. sus cromosomas, como qué genes se están La secuencia mínima de ADN necesaria para expresando. Los orígenes excedentes dirigir la iniciación de la replicación del ADN también proporcionan "respaldos" en caso de en S. cerevisiae se ha determinado tomando que falle un origen primario. (3) Al igual que un segmento de ADN que abarca un origen de en las bacterias, las horquillas de replicación replicación y probando fragmentos de ADN se forman en pares y crean cada vez más pequeños para comprobar su una burbuja de replicación a medida que se capacidad de funcionar como orígenes. Se ha mueven en direcciones opuestas alejándose descubierto que la mayoría de las secuencias de un punto de origen común, deteniéndose de ADN que pueden servir como origen de solo cuando chocan de frente con una replicación contienen (1) un sitio de unión para horquilla de replicación una proteína iniciadora grande y que se mueve en la dirección opuesta o multisubunitaria llamada ORC (por sus siglas cuando llegan al extremo de un cromosoma. en inglés, complejo de reconocimiento de De esta origen); (2) un tramo de ADN rico en As y Ts y, manera, muchas horquillas de replicación por lo tanto, fácil de fundir; y (3) al menos un operan independientemente en cada sitio de unión para proteínas que facilitan la cromosoma y, sin embargo, unión de ORC, probablemente ajustando la forman dos hélices de ADN hijas completas. estructura de la cromatina. En las bacterias, una vez que la proteína iniciadora se une 11. Un gran complejo multisubunidad se correctamente al origen único de replicación, une a los orígenes eucariotas de el ensamblaje de las horquillas de replicación replicación parece seguir más o menos automáticamente. Habiendo visto que un cromosoma eucariota En los eucariotas, la situación es se replica utilizando muchos orígenes de significativamente diferente debido a un replicación, cada uno de los cuales se “activa” problema profundo que tienen los eucariotas en un momento característico en la fase S del en la replicación de cromosomas: con tantos ciclo celular, nos centraremos en la naturaleza lugares para comenzar la replicación, ¿cómo de estos orígenes de replicación. Vimos se regula el proceso para garantizar que todo anteriormente en este capítulo que los el ADN se copie una sola vez? orígenes de replicación se han definido con La respuesta está en la manera secuencial en precisión en las bacterias como secuencias de que la helicasa replicativa se carga primero en ADN específicas que atraen proteínas los orígenes y luego se activa para iniciar la iniciadoras, que luego ensamblan la replicación del ADN. Este asunto se analiza en detalle en el Capítulo 17, donde nucleosoma. La célula requiere una gran consideramos la maquinaria que subyace al cantidad de nueva proteína histona, ciclo de división celular. En resumen, durante aproximadamente igual en masa al ADN la fase G1, las helicasas replicativas se recién sintetizado, para formar los nuevos cargan en el ADN junto a ORC para crear un nucleosomas en cada ciclo celular. Por esta complejo prerreplicativo. Luego, al pasar de la razón, la mayoría de los organismos fase G1 a la fase S, entran en juego las eucariotas poseen múltiples copias del gen proteínas quinasas especializadas para para cada histona. Las células de vertebrados, activar las helicasas. La apertura resultante de por ejemplo, tienen alrededor de 20 conjuntos la doble hélice permite la carga de las de genes repetidos, la mayoría de los cuales proteínas de replicación restantes, incluidas contienen los genes que codifican las cinco las ADN polimerasas. Las proteínas quinasas histonas (H1, H2A, H2B, H3 y H4). que desencadenan la replicación del ADN A diferencia de la mayoría de las proteínas, impiden simultáneamente que se producen de forma continua, las el ensamblaje de nuevos complejos histonas se sintetizan principalmente en la prerreplicativos hasta que la siguiente fase M fase S, cuando el nivel de ARNm de histonas restablece el aumenta unas cincuenta veces como ciclo completo (para más detalles, consulte las resultado tanto del aumento de la páginas 974-975). Lo hacen, en parte, transcripción como de la disminución de la fosforilando ORC, degradación del ARNm. Los ARNm de las haciéndolo incapaz de aceptar nuevas histonas principales se degradan en cuestión helicasas. Esta estrategia proporciona una de minutos cuando la síntesis de ADN se única ventana de oportunidad para que se detiene al final de la fase S. El mecanismo formen complejos prerreplicativos (fase G1, depende de las propiedades especiales de los cuando la actividad de la quinasa es baja) y extremos 3ʹ de estos ARNm, como se analiza una segunda ventana para que se activen y en el Capítulo 7. En cambio, las proteínas posteriormente histonas son notablemente estables y pueden se desensamblen (fase S, cuando la actividad sobrevivir durante toda la vida de una célula. de la quinasa es alta). Debido a que estas dos El estrecho vínculo entre la síntesis de ADN y fases del la síntesis de histonas parece reflejar un ciclo celular son mutuamente excluyentes y mecanismo de retroalimentación que controla ocurren en un orden prescrito, cada origen el nivel de histona libre para garantizar que la de replicación puede activarse una vez y solo cantidad de histona producida coincida una vez durante cada ciclo celular. exactamente con la cantidad de ADN nuevo sintetizado. 12. New Nucleosomes Are Assembled A medida que avanza una horquilla de Behind the Replication Fork replicación, debe pasar a través de los Varios aspectos adicionales de la replicación nucleosomas parentales. En la célula, la del ADN son específicos de los eucariotas. replicación eficiente requiere complejos de Como se discutió en el Capítulo 4, los remodelación de la cromatina (discutidos en el cromosomas eucariotas están compuestos de Capítulo 4) para desestabilizar las interfaces mezclas aproximadamente iguales de ADN y ADN-histona. Con la ayuda de estos proteína. Por lo tanto, la duplicación de complejos, las horquillas de replicación cromosomas requiere no solo la replicación pueden transitar incluso por cromatina muy del ADN, sino también la síntesis y condensada de manera eficiente. ensamblaje de nuevas proteínas Cuando una horquilla de replicación pasa a cromosómicas en el ADN detrás de cada través de la cromatina, las histonas se horquilla de replicación. Aunque estamos lejos desplazan transitoriamente dejando alrededor de comprender este proceso en detalle, de 600 pares de nucleótidos de ADN no estamos comenzando a aprender cómo se nucleosómico a su paso. El restablecimiento duplica la unidad fundamental del de los nucleosomas detrás de una horquilla en empaquetamiento de la cromatina, el movimiento ocurre de una manera intrigante. Cuando un nucleosoma es atravesado por replicación debe ocurrir de manera una horquilla de replicación, el octámero de discontinua a través de un mecanismo de histona parece romperse en un tetrámero pespunte hacia atrás que produce fragmentos H3-H4 y dos dímeros H2A-H2B (discutidos en cortos de ADN. Este mecanismo encuentra un el Capítulo 4). El tetrámero H3-H4 permanece problema especial cuando la horquilla de vagamente asociado con el ADN y se replicación llega a un extremo de un distribuye al azar a uno u otro dúplex hijo, cromosoma lineal. El cebador final de ARN pero los dímeros H2A-H2B se liberan sintetizado en la plantilla de la hebra rezagada completamente del ADN. Los tetrámeros no puede ser reemplazado por ADN porque H3-H4 recién formados se añaden al ADN no hay un extremo 3'-OH disponible para la recién sintetizado para llenar los “espacios”, y polimerasa reparadora. Sin un mecanismo luego se añaden al azar los dímeros H2A-H2B para lidiar con este problema, el ADN se (la mitad de los cuales son viejos y la otra perdería de los extremos de todos los mitad nuevos) para completar los cromosomas cada vez que una célula se nucleosomas (Figura 5-32). La formación de divide. nuevos nucleosomas detrás de una horquilla Las bacterias resuelven este problema de de replicación tiene una consecuencia "replicación final" al tener moléculas de ADN importante para el proceso de replicación del circulares como cromosomas (ver Figura ADN en sí. A medida que la ADN polimerasa δ 5-24). Los eucariotas lo resuelven de una sintetiza de manera discontinua la hebra manera diferente: tienen secuencias de rezagada (ver págs. 253-254), la longitud de nucleótidos especializadas en los extremos de cada fragmento de Okazaki está determinada sus cromosomas que están incorporadas en por el punto en el que la ADN polimerasa δ es estructuras llamadas telómeros (discutidos en bloqueada por un nucleosoma recién formado. el Capítulo 4). Los telómeros contienen Este estrecho acoplamiento entre la muchas repeticiones en tándem de una duplicación de nucleosomas y la replicación secuencia corta que es similar en organismos del ADN explica por qué la longitud de los tan diversos como protozoos, hongos, plantas fragmentos de Okazaki en eucariotas (~200 y mamíferos. En los seres humanos, la nucleótidos) es aproximadamente la misma secuencia de la unidad de repetición es que la longitud de repetición del nucleosoma. GGGTTA y se repite aproximadamente mil La adición ordenada y rápida de nuevos veces en cada telómero. tetrámeros H3-H4 y dímeros H2A-H2B detrás Las secuencias de ADN de los telómeros son de una horquilla de replicación requiere reconocidas por proteínas de unión al ADN chaperonas de histonas (también llamadas específicas de la secuencia que atraen una factores de ensamblaje de cromatina). Estos enzima, llamada telomerasa, que repone complejos multisubunitarios se unen a las estas secuencias cada vez que una célula se histonas altamente básicas y las liberan para divide. La telomerasa reconoce la punta de el ensamblaje solo en el contexto apropiado. una secuencia de repetición de ADN de Las chaperonas de histonas, junto con sus telómero existente y la alarga en la dirección cargas, se dirigen al ADN recién replicado a 5ʹ-a-3ʹ, utilizando una plantilla de ARN que es través de una interacción específica con la un componente de la propia enzima para abrazadera deslizante eucariota llamada sintetizar nuevas copias de la repetición PCNA (ver Figura 5-32B). Estas abrazaderas (Figura 5-33). La porción enzimática de la se dejan detrás de las horquillas de telomerasa se parece a otras transcriptasas replicación móviles y permanecen en el ADN inversas, proteínas que sintetizan ADN el tiempo suficiente para que las chaperonas utilizando una plantilla de ARN, aunque, en de histonas completen sus tareas. este caso, el ARN de la telomerasa también contribuye con grupos funcionales para hacer 13. La telomerasa replica los extremos de que la catálisis sea más eficiente. Después de los cromosomas la extensión de la cadena de ADN parental por Vimos anteriormente que la síntesis de la la telomerasa, la replicación de la cadena hebra rezagada en una horquilla de rezagada en el extremo del cromosoma puede ser completada por las ADN polimerasas comunes. En ambas, se elimina el daño, se convencionales, utilizando estas extensiones restaura la secuencia original de ADN como plantilla para sintetizar la cadena mediante una ADN polimerasa que utiliza la complementaria (Figura 5-34). hebra intacta como plantilla y se sella una rotura restante en la doble hélice mediante la 14. Sin la reparación del ADN, el daño ADN ligasa (véase la Figura 5-12). espontáneo del ADN cambiaría rápidamente las secuencias del ADN Las dos vías difieren en la forma en que Aunque el ADN es un material muy estable eliminan el daño del ADN. La primera vía, (como el necesario para el almacenamiento llamada reparación por escisión de bases, de la información genética), es una molécula involucra una batería de enzimas llamadas orgánica compleja que es susceptible, incluso ADN glicosilasas, cada una de las cuales en condiciones celulares normales, a cambios puede reconocer un tipo específico de base espontáneos que conducirían a mutaciones si alterada en el ADN y catalizar su eliminación no se repararan (Figura 5-37 y véase la Tabla hidrolítica. Hay al menos seis tipos de estas 5-3). Por ejemplo, el ADN de cada célula enzimas, incluidas las que eliminan Cs humana pierde alrededor de 18.000 bases de desaminados, As desaminados, diferentes purina (adenina y guanina) cada día porque tipos de bases alquiladas u oxidadas, bases sus enlaces N-glicosilo a la desoxirribosa se con anillos abiertos y bases en las que un hidrolizan, una reacción espontánea llamada doble enlace carbono-carbono se ha despurinación. De manera similar, una convertido accidentalmente en un enlace desaminación espontánea de la citosina a simple carbono-carbono. ¿Cómo se detecta uracilo en el ADN ocurre a una velocidad de una base alterada dentro del contexto de la alrededor de 100 bases por célula por día doble hélice? Un paso clave es un "giro" (Figura 5-38). Las bases del ADN también se mediado por enzimas del nucleótido alterado dañan ocasionalmente por un encuentro con de la hélice, lo que permite que la ADN metabolitos reactivos producidos en la célula, glicosilasa sondee todas las caras de la base incluidas las formas reactivas de oxígeno y el en busca de daños (Figura 5-42). Se cree que donador de metilo de alta energía estas enzimas viajan a lo largo del ADN S-adenosilmetionina, o por exposición a utilizando el giro de bases para evaluar el sustancias químicas en el medio ambiente. De estado de cada base. Una vez que una la misma manera, la radiación ultravioleta del enzima encuentra la base dañada que sol puede producir un enlace covalente entre reconoce, elimina esa base de su azúcar. dos bases pirimidínicas adyacentes en el ADN para formar, por ejemplo, dímeros de timina El "diente faltante" creado por la acción de la (Figura 5-39). Si no se corrigen cuando se ADN glicosilasa es reconocido por una enzima replica el ADN, se esperaría que la mayoría llamada AP endonucleasa (AP por apurínico o de estos cambios conduzcan a la eliminación apirimidínico, endo para significar que la de uno o más pares de bases o a una nucleasa corta dentro de la cadena de sustitución de pares de bases en la cadena de polinucleótidos), que corta la estructura ADN hija (Figura 5-40). Las mutaciones se principal del fosfodiéster, después de lo cual propagarían entonces a lo largo de las se repara el hueco resultante (véase la Figura generaciones de células posteriores. Una tasa 5-41A). La despurinación, que es con tan alta de cambios aleatorios en la secuencia diferencia el tipo de daño más frecuente que de ADN tendría consecuencias desastrosas. sufre el ADN, también deja un azúcar desoxirribosa con una base faltante. Las 15. El daño del ADN se puede eliminar despurinaciones se reparan directamente mediante más de una vía comenzando con la AP endonucleasa, Las células tienen múltiples vías para reparar siguiendo la mitad inferior de la vía de la su ADN utilizando diferentes enzimas que Figura 5-41A. actúan sobre distintos tipos de lesiones. La Figura 5-41 muestra dos de las vías más