DIDÁCTICA DE LA EDUCACIÓN SUPERIOR- DR LENIN CARI MOGROVEJO
Tema 10 naturaleza y conservación del material hereditario
1. Naturaleza y conservación del
material hereditario.
Conservación de la información
genética: Replicación
TEMA 10
2. Temario selectividad
• GENÉTICA MOLECULAR
• Tema 10.- Naturaleza y conservación del
material hereditario. Conservación de la
información genética: Replicación.
• 4.- Bases moleculares de la herencia. Flujo de la
información desde los ácidos nucleicos hasta las
proteínas.
• 5.- Descripción del mecanismo de la replicación
semiconservativa, discontinua y bidireccional.
Diferencias entre la duplicación en procariotas y
eucariotas (+ puntos de replicación,
empaquetamiento con histonas).
3. LOS EXPERIMENTOS DE
GRIFFITH
• La bacteria Diplococcus pneumoniae es un
pneumococo, una bacteria causante de
enfermedades.
• Existen dos cepas, la S (Smooth = lisa),
virulenta, y la R (rough = rugosa), no
virulenta. Las bacterias S, vivas, producen la
muerte en los ratones, pero no la producen si
están muertas. Las segundas no son capaces
de desarrollar la enfermedad.
• En 1928 Griffith realizó con estas bacterias las
siguientes experiencias:
5. LOS EXPERIMENTOS DE AVERY
AVERY, MCLEOD Y MCCARTY
• En 1944. AVERY, MCLEOD y MCCARTY, se
propusieron encontrar cuál era el componente que
transmitía el carácter heredable y llegaron a la
conclusión de que era el ADN de las bacterias S
muertas por el calor el que transformaba las
bacterias R en S.
• Demostraron así que el ADN era la molécula que
contenía la información necesaria para que las
bacterias S fueran virulentas y que, a pesar de estar
muertas, su ADN no estaba destruido y podía pasar al
medio y de aquí a las bacterias de cepa R, integrándose
en el genoma de éstas y transformándolas en virulentas.
7. EXPRESION DE LA
INFORMACION GENETICA
• El ADN es la molécula que lleva la información
genética que determina la síntesis de las
proteínas, entre ellas las enzimas, responsables
de las características estructurales y funcionales
de un organismo.
• En 1948 Edward Tatum y George Beadle,
fueron los primeros en establecer la existencia
de una relación directa entre el ADN y la
secuencia de aminoácidos de un enzima y
enunciaron la hipótesis “un gen un enzima”.
Según esta hipótesis cada gen (fragmento de
ADN) contiene la información para que los
aminoácidos se unan en un determinado
orden y formen una enzima.
8. EXPRESION DE LA
INFORMACION GENETICA
• Posteriormente esta hipótesis fue ampliada
enunciándose “un gen una proteína”, ya que el
gen puede codificar una proteína cualquiera no
necesariamente enzimática.
• Hoy debido a que sabemos que muchas
proteínas están formadas por más de una
cadena polipeptídica, resulta más apropiado “un
gen una cadena polipeptídica” es decir cada
gen codifica, lleva información para la síntesis
de una cadena polipeptídica.
• Quedaba claro que la expresión del mensaje
consistía en la síntesis de proteínas específicas,
pero no se conocía el mecanismo mediante el
cual se realizaba.
9. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• En 1970 Francis Crick (uno de los descubridores de la
doble hélice del ADN) enunció el dogma central de la
Biología molecular que nos indica como fluye la
información genética, este dogma dice lo siguiente: El
ADN es la molécula que lleva la información
genética, puede replicarse y hacer copias de sí
mismo permitiendo que esta información pase
completa de unas células a otras cuando se divide,
igualmente puede copiar una parte de su
información sintetizando una molécula de ARNm, la
cual constituye la información utilizada por los
ribosomas para la síntesis de una proteína.
• transcripción traducción
• ADN → ARNm →
proteína
11. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• Es decir la información contenida en el ADN
se transforma en una determinada proteína.
• Este proceso no se realiza de forma directa
sino que en él se diferencian dos etapas:
– Transcripción: En esta etapa se copia la información
de un fragmento del ADN, el correspondiente a un
gen, al ARNm. Por lo que se sintetiza una molécula
de ARNm complementaria con el fragmento de ADN
correspondiente al gen.
– Traducción: En ella la secuencia de nucleótidos del
ARNm se traduce en una determinada secuencia de
aminoácidos. En esta etapa interviene además el
ARNt.
12. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• En los organismos procariotas, la
transcripción y la traducción se producen a la
vez y en el mismo lugar, pues el ADN forma un
cromosoma desnudo disperso por el citoplasma
y, según se transcriben los genes que contienen
información para la síntesis de ARNm, los
ribosomas los van traduciendo.
13. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• En los organismos eucariotas, la
transcripción y la traducción están
separadas en el tiempo y en el espacio: el
ADN se transcribe en el núcleo, y los
ARNm formados atraviesan la membrana
nuclear y se dirigen al citoplasma donde
los ribosomas los traducen.
14. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• No todos los genes llevan información para
la síntesis de proteínas; algunos solo se
transcriben y no se traducen, ya que solo son
portadores de información para la síntesis de
determinados tipos de ARN, como ARNt y
ARNr, que colaboran, junto con el ARNm en la
síntesis de proteínas.
• Los genes que poseen información directa
para la síntesis de proteínas son los que al
transcribirse dan moléculas de ARNm.
15. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• En los procariotas los genes son unidades
continuas, mientras que en los eucariotas
están fragmentados, es decir están
constituidos por fragmentos carentes de
información llamados intrones intercalados con
otros que si tienen información llamados
exones.
• Además tanto en procariotas como en
eucariotas existen secuencias que no se
transcriben, pero desempeñan un papel
importante en la regulación de la expresión
génica ya que constituyen las señales que
indican el inicio o el final de un gen, que se
va a transcribir.
17. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
• En la actualidad este dogma ha tenido que ser
modificado debido al comportamiento de algunos virus
que tienen ARN como material genético.
• Los retrovirus (VIH) que llevan la información en el
ARN, poseen una enzima llamada retrotranscriptasa o
transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de
ARN vírico, a este proceso se le llama
retrotranscripción.
• Igualmente algunos virus que llevan ARN como material
genético, poseen un enzima la ARN replicasa capaz de
replicar el ARN. Por todo ello el dogma central de la
biología quedaría de la siguiente forma.
• Transcripción Traducción
• ADN ←→ ARN →
Proteína Retrotranscripción
18. FLUJO DE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA.
Transcripción Traducción
ADN ARNm Proteína
Transcripción
inversa
Duplicación
Duplicación
19. LA REPLICACIÓN O
DUPLICACIÓN DEL ADN
• Es la capacidad que tiene la molécula
de ADN de hacer copias exactas de sí
misma.
• La duplicación ocurre en una etapa previa
a la división celular, la fase S de la
interfase. El proceso es similar en las
células procariotas y en las eucariotas.
20. LA REPLICACIÓN DEL ADN
• El ADN es una molécula formada por dos hebras
complementarias y antiparalelas. Una de las primeras
dudas que se plantearon fue la de cómo se replicaba el
ADN. A este respecto había varias hipótesis:
• El ADN se replica de manera conservativa. Esto es,
cada hebra de ADN forma una copia y una célula hija
recibe la molécula original y la otra célula recibe la copia.
• El ADN se replica de manera semiconservativa. Cada
hebra de ADN forma una hebra complementaria y cada
célula hija recibe una molécula de ADN que consta de
una hebra original y de su complementaria sintetizada
de nuevo.
• El ADN se replica de forma dispersiva. Las 2 moléculas
de ADN tendrían en sus cadenas fragmentos nuevos y
viejos.
• Esta controversia fue resuelta por MESELSON y STAHL
con una serie de elegantes experiencias.
21. Duplicación del ADN
Hipótesis Hipótesis Hipótesis
semiconservativa conservativa dispersiva
Cadena antigua Cadena nueva
22. Experimento de Meselson y
Stahl
• Se cultivan bacterias E. coli en un medio con 15N (nitrógeno
pesado) durante cierto tiempo para que todo el ADN esté formado
por dos hebras de 15N (15N-15N) más pesadas. Si se centrifuga,
este ADN más pesado migra hacia el fondo del tubo.
• A continuación, se cultivan las bacterias en nitrógeno 14 (14N) más
ligero durante 30 minutos, lo que dura un ciclo de replicación.
• Si la hipótesis de la síntesis conservativa fuese la correcta, se
debería obtener lo que se ve en la figura, una banda de ADN
pesado (15N-15N) y otra con ADN ligero (14N-14N) pero... .. lo que
se obtiene en realidad es una sola banda en posición intermedia,
pues está formada por ADN mixto (15N-14N).
• Esto es, todas las células hijas tienen un ADN con una hebra con
15N y otra con 14N. La hipótesis de la síntesis semiconservativa
es la correcta.
• Además, si se da otro ciclo de replicación en 14N, se obtiene una
banda de ADN mixto (14N-15N) y otra de ADN (14N-14N), lo que
también está de acuerdo con la hipótesis de la síntesis
semiconservativa.
23. Experimento de Meselson y
Stahl
Medio N15 Medio N14
ADN N14
ADN N14-15
ADN N15
ADN inicial ADN después ADN después ADN después
de la 1.ª de la 2.ª de la 3.ª
duplicación duplicación duplicación
24. LA REPLICACIÓN DEL ADN
• Cuando una célula se divide, o cuando se
originan los gametos, las nuevas células
que se forman deben contener la
información genética que les permita
sintetizar todas las enzimas y el resto de
las proteínas necesarias para realizar sus
funciones vitales.
• Ésta es la principal razón por la que el
ADN debe replicarse.
26. LA REPLICACIÓN DEL ADN
• La replicación del ADN es el
proceso según el cual una
molécula de ADN de doble hélice
da lugar a otras dos moléculas de
ADN con la misma secuencia de
bases.
• El mecanismo es muy complejo y en él
intervienen numerosas enzimas.
• Se pueden diferenciar tres etapas:
iniciación, síntesis de las nuevas
hebras y corrección de errores.
27. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Iniciación.
• En esta etapa se produce básicamente el
desenrrollamiento de la doble hélice del ADN y
la separación de las dos cadenas, cada una de
las cuales servirá como molde para sintetizar su
complementaria.
• La replicación se inicia en unos puntos
concretos de la molécula del ADN, que tienen
unas determinada secuencias de nucleótidos,
llamados orígenes de replicación.
28. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Iniciación.
• En la célula procariótica la replicación
parte de un único punto y progresa en
ambas direcciones hasta completarse.
• En la célula eucariótica el proceso de
replicación del ADN no empieza por los
extremos de la molécula sino que parte
de varios puntos a la vez y progresa en
ambas direcciones formando los llamados
ojos de replicación.
30. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Iniciación.
• En este proceso intervienen varias enzimas:
– ADN-helicasa. Rompe los puentes de
hidrógeno que unen a las bases
complementarias y las dos cadenas se
separan abriéndose la doble hélice.
– Girasas y topoisomerasas. Eliminan las
tensiones que se producen en las zonas
vecinas al producirse el desenrrollamiento y
la separación de las dos cadenas.
– Proteínas SSB o proteínas de unión a
cadena simple. Se unen a cada una de las
cadenas una vez separadas e impiden que
se vuelvan a enrollar.
32. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• Una vez separadas las hebras, van entrando los
nucleótidostrifosfato complementarios de cada
uno de los de las hebras originales del ADN.
• Las enzimas ADN polimerasas los unen entre
sí formando una hebra de ADN complementaria
de cada una de las hebras del ADN original.
• Se dice que la síntesis de ADN es
semiconservativa porque cada una de las
moléculas de ADN "hijas" está formada por una
hebra de ADN original y otra complementaria
sintetizada de nuevo.
33. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• Es de destacar que la dirección en la que
progresa la replicación es la misma en
ambas hebras.
• Ahora bien, las enzimas que unen los
nucleótidos sólo pueden efectuar la
unión en dirección 5‘ 3'.
• Esto nos indica que ambas hebras, al ser
antiparalelas, deben de sintetizarse de
diferente manera.
34. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
Horquillas observadas
5’ 3’
3’ 5’
Ninguna polimerasa añade
nucleótidos en estos puntos
5’ 3’
3’ 5’ 3’
5’
3’
Crecimiento Crecimiento
continuo discontinuo
5’ 3’
5’
3’
Fragmentos
Fragmentos
de Okazaki Okazaki
de
35. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• En este proceso intervienen varias enzimas:
• Las ADN-polimerasas (destacando la ADN-polimerasa
III), que realizan las siguientes funciones:
• -Recorren la hebra molde y reconocen los nucleótidos
que la forman.
• -Van uniendo los nucleótidos para formar las nuevas
hebras teniendo en cuenta su complementariedad con
los nucleótidos de las hebras patrón.
• -Los nucleótidos que utiliza para sintetizar la nueva
cadena son nucleótidos trifosfatos, los cuales por
hidrólisis liberan los dos grupos fosfato obteniendo de
esta forma la energía necesaria para que el nucleótido
se una a la cadena de ADN en formación.
36. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• Estas enzimas sólo son capaces de alargar una cadena
ya iniciada, pero no de iniciarla por ello necesitan de un
corto fragmento de unos 10 nucleótidos de ARN,
llamado cebador o primer que actúa como iniciador.
• La síntesis de este cebador se realiza gracias a la
acción de una enzima ARN-polimerasa llamada
primasa, posteriormente este cebador se elimina por
acción de la ADN-polimerasa I, que elimina el cebador
y rellenara el hueco que deja.
37. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• Las ADN-polimerasas recorre la hebra
molde en dirección 3’→5’ y sólo son
capaces de unir nucleótidos en
dirección 5'→3'. Debido a que las dos
cadenas del ADN son antiparalelas (una
tiene dirección 5'→3' y la otra 3'→5') la
síntesis de las dos hebras
complementarias con ellas se produce de
forma diferente.
38. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• La síntesis de la cadena complementaria
a la hebra molde que tiene sentido 3'→5',
crecerá por acción de esta enzima de
forma continua ya que lo hace en
dirección 5'→3'. A esta hebra se la
denomina hebra conductora, se sintetiza
más rápida.
39. LA REPLICACIÓN DEL ADN
• a) Síntesis continua de la hebra en dirección
5'í
• La síntesis de esta hebra no plantea ningún
problema. Así, una vez separadas ambas
hebras, la ADN pol. III (una de las enzimas que
unen los nucleótidos) va a elongar la cadena en
dirección 5' e primer o
fragmento de ARN que después será eliminado.
40. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• La síntesis de la cadena complementaria
a la hebra molde que tiene sentido 5'→3',
debería formarse en sentido 3'→5' pero
como la ADN-polimerasa no puede unir
nucleótidos en este sentido, crece de
forma discontinua, mediante la síntesis de
pequeños fragmentos de nucleótidos que
crecen en sentido 5'→3' llamados
fragmentos de Okazaki.
41. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• Estos fragmentos posteriormente se
unirán entre sí, gracias a la acción de otra
enzima llamada ligasa formándose la
cadena complementaria a la hebra molde
5’→3’; a esta cadena se la llama hebra
retardada porque se tarda más en
sintetizar ya que la enzima ADN-
polimerasa debe esperar a que la
horquilla de replicación se abra lo
suficiente para iniciar la síntesis.
42. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• La síntesis de cada fragmento de Okazaki
requiere un cebador, que posteriormente
serán eliminados y se rellenan los huecos
antes de que estos fragmentos se unan
por acción de las ligasas.
• Una vez que se han sintetizado las dos
hebras, cada una de ellas se enrolla
helicoidalmente con la hebra que le ha
servido de patrón formándose la doble
hélice.
43. LA REPLICACIÓN DEL ADN
• b) Síntesis discontinua.
• La hebra complementaria no se va a replicar en
sentido 3' m5' sino que se replica
discontinuamente en dirección 5' 3'. Los
diferentes fragmentos sintetizados, llamados
fragmentos de Okazaki, son posteriormente
unidos entre sí.
44. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Síntesis
• En primer lugar se sintetiza un pequeño
fragmento de ARN, fragmento denominado
primer. Partiendo de este primer se sintetiza un
fragmento de ADN en dirección 5' i 3'. Al llegar
al primer del fragmento anteriormente
sintetizado, éste es degradado y se rellena el
hueco con ADN. Se dice que la replicación es
discontinua porque el ADN se va a ir
sintetizando en fragmentos que, posteriormente,
son soldados uno al otro.
45. LA REPLICACIÓN DEL ADN EN
PROCARIOTAS
Origen de
Iniciación la replicación
ADN pol III Proteínas
Burbuja de
estabilizadoras
replicación
Hebra
conductora
Hebra Helicasa
Elongación retardada
Horquilla de
Primasa replicación
ADN pol I
ADN-ligasa
ADN pol III
47. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Corrección de errores
• Al producirse la replicación a pesar del
papel autocorrector de la ADN-polimerasa
se pueden cometer errores, es decir se
puede incorporar nucleótidos no
complementarios. A pesar de que el
número de errores es muy bajo de 1 por
cada 107 nucleótidos, esto supondría 300
errores en cada duplicación del ADN
humano.
48. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Corrección de errores
• Por ello existe un sistema multienzimático
postreplicativo capaz de corregir los
errores cometidos por la ADN-polimerasa
en el ADN sintetizado, haciendo que los
errores desciendan a 1 por cada 1010
nucleótidos.
49. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Corrección de errores
• En este sistema participan las siguientes
enzimas:
• Una endonucleasa que detecta el nucleótido
mal emparejado y corta la cadena que lo posee.
• Una exonucleasa que elimina el fragmento
incorrecto.
• Una ADN-polimerasa que regenera la
secuencia correcta
• -Una ADN-ligasa que une el nuevo segmento al
resto de la cadena.
50. LA REPLICACIÓN DEL ADN:
Corrección de errores
• Si a pesar del alto grado de seguridad,
aparecen errores que no llegan a
reparase estos se perpetúan y darían
lugar a una mutación, que no siempre son
perjudiciales.
51. DIFERENCIAS EN LA
REPLICACIÓN EN
PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
• Las principales son las siguientes:
• En los procariotas sólo existe un origen de
replicación, mientras que en los eucariotas
debido a la longitud de las moléculas de ADN
existen muchos orígenes de replicación, en
los que se inicia simultáneamente la replicación.
Esto es así porque sino se tardaría mucho
tiempo en realizarse. A cada unidad de
replicación se le llama replicón
52. DIFERENCIAS EN LA
REPLICACIÓN EN
PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
• Las principales son las siguientes:
• En los eucariotas el ADN esta asociado a
histonas y durante la replicación se tienen
que sintetizar estas proteínas. Se ha
comprobado que las histonas originales forman
nucleosomas con la molécula de ADN que lleva
la hebra conductora, mientras que las nuevas
histonas forman nuevos nucleosomas con la
molécula de ADN que lleva la hebra retardada.
53. DIFERENCIAS EN LA
REPLICACIÓN EN
PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
• Las principales son las siguientes:
• En los procariotas existen tres ADN-
polimerasas, mientras que en los
eucariotas hay 5.
• En los eucariotas los fragmentos de
Okazaki son más pequeños (100-200
nucleótidos) que en los procariotas
(1000-2000).
54. REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS
Hebra conductora Origen de la replicación Origen de la replicación
Hebra
Horquilla
retardada
de replicación
Hebra
retardada
Burbujas de replicación
Nucleosomas
Hebra
conductora
Nuevos nucleosomas
