Objetivos de aprendizaje
Al finalizar esta sección, será capaz de hacer lo siguiente:
- Discutir las similitudes y diferencias entre la replicación del ADN en eucariotas y procariotas
- Enunciar el papel de la telomerasa en la replicación del ADN
Los genomas eucariotas son mucho más complejos y de mayor tamaño que los procariotas. Los eucariotas también tienen varios cromosomas lineales diferentes. El genoma humano tiene 3.000 millones de pares de bases por conjunto haploide de cromosomas, y 6.000 millones de pares de bases se replican durante la fase S del ciclo celular. Hay múltiples orígenes de replicación en cada cromosoma eucariota; los humanos pueden tener hasta 100.000 orígenes de replicación en todo el genoma. La velocidad de replicación es de aproximadamente 100 nucleótidos por segundo, mucho más lenta que la replicación procariota. En la levadura, que es un eucariota, se encuentran en los cromosomas unas secuencias especiales conocidas como secuencias de replicación autónoma (ARS). Éstas son equivalentes al origen de replicación en E. coli.
El número de ADN polimerasas en eucariotas es mucho mayor que en procariotas: Se conocen 14, de las cuales se sabe que cinco tienen funciones importantes durante la replicación y han sido bien estudiadas. Se conocen como pol α, pol β, pol γ, pol δ y pol ε.
Los pasos esenciales de la replicación son los mismos que en procariotas. Antes de que pueda comenzar la replicación, el ADN tiene que estar disponible como plantilla. El ADN eucariota se une a unas proteínas básicas conocidas como histonas para formar unas estructuras llamadas nucleosomas. Las histonas deben ser eliminadas y luego reemplazadas durante el proceso de replicación, lo que ayuda a explicar la menor tasa de replicación en los eucariotas. La cromatina (el complejo entre el ADN y las proteínas) puede sufrir algunas modificaciones químicas, para que el ADN pueda deslizarse fuera de las proteínas o sea accesible a las enzimas de la maquinaria de replicación del ADN. En el origen de la replicación, se forma un complejo de prerreplicación con otras proteínas iniciadoras. La helicasa y otras proteínas son entonces reclutadas para iniciar el proceso de replicación ((Figura)).
| Diferencia entre la replicación procariota y eucariota | ||
|---|---|---|
| Propiedad | Procariotas | Eucariotas |
| Origen de replicación | Simple | Múltiple |
| Tasa de replicación | 1000 nucleótidos/s | 50 a 100 nucleótidos/s |
| Tipos de ADN polimerasa | 5 | 14 |
| Telomerasa | No presente | Presente |
| Eliminación del cebador de ARN | ArNa pol I | RNasa H |
| Elongación de la cadena | ArNa pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Clavo deslizante | Clavo deslizante | PCNA |
Una helicasa que utiliza la energía de la hidrólisis del ATP abre la hélice del ADN. Las horquillas de replicación se forman en cada origen de replicación a medida que el ADN se desenrolla. La apertura de la doble hélice provoca un sobreenrollamiento, o superenrollamiento, en el ADN por delante de la horquilla de replicación. Estos se resuelven con la acción de las topoisomerasas. La enzima primasa forma los cebadores y, utilizando el cebador, la ADN pol puede iniciar la síntesis. A continuación, intervienen tres grandes ADN polimerasas: α, δ y ε. La ADN pol α añade un fragmento de ADN corto (de 20 a 30 nucleótidos) al cebador de ARN en ambas hebras, y luego pasa a una segunda polimerasa. Mientras que la enzima pol δ sintetiza continuamente la cadena principal, la pol ε sintetiza la cadena secundaria. Una proteína de pinza deslizante conocida como PCNA (antígeno nuclear de células proliferantes) mantiene la pol de ADN en su lugar para que no se deslice fuera del ADN. Cuando la pol δ se topa con el ARN cebador de la cadena rezagada, lo desplaza de la plantilla de ADN. El ARN cebador desplazado es entonces eliminado por la RNasa H (también conocida como endonucleasa de aleta) y sustituido por nucleótidos de ADN. Los fragmentos de Okazaki en la hebra rezagada se unen tras la sustitución de los cebadores de ARN por ADN. Los huecos que quedan son sellados por la ADN ligasa, que forma el enlace fosfodiéster.
Replicación de los telómeros
A diferencia de los cromosomas procariotas, los cromosomas eucariotas son lineales. Como has aprendido, la enzima ADN pol puede añadir nucleótidos sólo en la dirección 5′ a 3′. En la hebra principal, la síntesis continúa hasta que se alcanza el final del cromosoma. En la hebra retrasada, el ADN se sintetiza en tramos cortos, cada uno de los cuales se inicia con un cebador distinto. Cuando la horquilla de replicación llega al final del cromosoma lineal, no hay forma de reemplazar el cebador en el extremo 5′ de la hebra retrasada. Por lo tanto, el ADN de los extremos del cromosoma queda sin emparejar y, con el tiempo, estos extremos, llamados telómeros, pueden acortarse progresivamente a medida que las células continúan dividiéndose.
Los telómeros comprenden secuencias repetitivas que no codifican ningún gen en particular. En los seres humanos, una secuencia de seis pares de bases, TTAGGG, se repite entre 100 y 1000 veces en las regiones de los telómeros. En cierto modo, estos telómeros protegen a los genes de ser eliminados a medida que las células continúan dividiéndose. Los telómeros se añaden a los extremos de los cromosomas mediante una enzima independiente, la telomerasa ((Figura)), cuyo descubrimiento ayudó a comprender cómo se mantienen estos extremos repetitivos de los cromosomas. La enzima telomerasa contiene una parte catalítica y una plantilla de ARN incorporada. Se une al extremo del cromosoma y se añaden nucleótidos de ADN complementarios a la plantilla de ARN en el extremo 3′ de la cadena de ADN. Una vez que el extremo 3′ de la plantilla de la hebra rezagada está suficientemente alargado, la ADN polimerasa puede añadir los nucleótidos complementarios a los extremos de los cromosomas. Así, los extremos de los cromosomas se replican.
Figura 1. Los extremos de los cromosomas lineales se mantienen por la acción de la enzima telomerasa.
La telomerasa es típicamente activa en las células germinales y en las células madre adultas. No es activa en las células somáticas adultas. Por su descubrimiento de la telomerasa y su acción, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider y Jack W. Szostak ((Figura)) recibieron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 2009.
Figura 2. Elizabeth Blackburn, premio Nobel 2009, es una de las científicas que descubrió el funcionamiento de la telomerasa. (crédito: Embajada de EE.UU. en Suecia)
Telomerasa y envejecimiento
Las células que se someten a la división celular siguen teniendo sus telómeros acortados porque la mayoría de las células somáticas no producen telomerasa. Esto significa esencialmente que el acortamiento de los telómeros está asociado al envejecimiento. Con la llegada de la medicina moderna, la atención sanitaria preventiva y los estilos de vida más saludables, la duración de la vida humana se ha incrementado, y cada vez hay más demanda para que las personas parezcan más jóvenes y tengan una mejor calidad de vida a medida que envejecen.
En 2010, los científicos descubrieron que la telomerasa puede revertir algunas condiciones relacionadas con la edad en ratones. Esto puede tener potencial en la medicina regenerativa. En estos estudios se utilizaron ratones deficientes en telomerasa; estos ratones presentan atrofia tisular, agotamiento de células madre, fallos en el sistema de órganos y respuestas deterioradas a las lesiones tisulares. La reactivación de la telomerasa en estos ratones provocó la extensión de los telómeros, redujo el daño del ADN, revirtió la neurodegeneración y mejoró la función de los testículos, el bazo y los intestinos. Por lo tanto, la reactivación de los telómeros puede tener potencial para el tratamiento de enfermedades relacionadas con la edad en los seres humanos.
El cáncer se caracteriza por la división celular incontrolada de células anormales. Las células acumulan mutaciones, proliferan de forma incontrolada y pueden migrar a diferentes partes del cuerpo mediante un proceso denominado metástasis. Los científicos han observado que las células cancerosas tienen los telómeros considerablemente acortados y que la telomerasa está activa en estas células. Curiosamente, sólo después de que los telómeros se acortaran en las células cancerosas, la telomerasa se activó. Si la acción de la telomerasa en estas células puede ser inhibida por fármacos durante la terapia del cáncer, entonces las células cancerosas podrían potencialmente dejar de dividirse más.
Resumen de la sección
La replicación en eucariotas comienza en múltiples orígenes de replicación. El mecanismo es bastante similar al de los procariotas. Se requiere un cebador para iniciar la síntesis, que luego es extendido por la ADN polimerasa a medida que añade nucleótidos uno a uno a la cadena en crecimiento. La cadena principal se sintetiza de forma continua, mientras que la cadena secundaria se sintetiza en tramos cortos llamados fragmentos de Okazaki. Los cebadores de ARN se sustituyen por nucleótidos de ADN; los fragmentos de Okazaki de ADN se unen en una cadena continua mediante la ADN ligasa. Los extremos de los cromosomas plantean un problema, ya que el ARN cebador de los extremos 5′ del ADN no puede ser sustituido por ADN, y el cromosoma se acorta progresivamente. La telomerasa, una enzima con una plantilla de ARN incorporada, extiende los extremos copiando la plantilla de ARN y extendiendo una hebra del cromosoma. La ADN polimerasa puede entonces rellenar la hebra de ADN complementaria utilizando las enzimas de replicación habituales. De este modo, los extremos de los cromosomas quedan protegidos.
Preguntas de repaso
Los extremos de los cromosomas lineales se mantienen mediante
- helicasa
- primasa
- ADN pol
- telomerasa
¿Cuál de las siguientes no es una afirmación verdadera al comparar la replicación del ADN procariota y eucariota?
- Tanto las ADN polimerasas eucariotas como las procariotas construyen a partir de cebadores de ARN hechos por la primasa.
- La replicación del ADN eucariota requiere múltiples horquillas de replicación, mientras que la replicación procariota utiliza un único origen para replicar rápidamente todo el genoma.
- La replicación del ADN siempre ocurre en el núcleo.
- La replicación del ADN eucariota implica más polimerasas que la replicación procariota.
Respuesta libre
¿Cómo se aseguran los cromosomas lineales de los eucariotas de que sus extremos se repliquen completamente?
Glosario
telomerasa
enzima que contiene una parte catalítica y un molde de ARN incorporado; funciona para mantener los telómeros en los extremos de los cromosomas
telómero
ADN al final de los cromosomas lineales
- -Jaskelioff et al., «La reactivación de la telomerasa revierte la degeneración de los tejidos en ratones envejecidos deficientes en telomerasa», Nature 469 (2011): 102-7. ↵
