Biología I

Los genomas eucarióticos son mucho más complejos y de mayor tamaño que los genomas procarióticos. El genoma humano tiene tres mil millones de pares de bases por juego haploide de cromosomas, y 6 mil millones de pares de bases se replican durante la fase S del ciclo celular. Hay múltiples orígenes de replicación en el cromosoma eucariótico; los seres humanos pueden tener hasta 100.000 orígenes de replicación. La tasa de replicación es de aproximadamente 100 nucleótidos por segundo, mucho más lenta que la replicación procariótica. En la levadura, que es una eucariota, se encuentran secuencias especiales conocidas como Secuencias de Replicación Autónoma (ARS) en los cromosomas. Estos son equivalentes al origen de la replicación en E. coli.

El número de ADN polimerasas en eucariotas es mucho más que procariotas: se conocen 14, de las cuales cinco tienen funciones principales durante la replicación y han sido bien estudiadas. Son conocidos 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 la replicación pueda comenzar, el ADN debe estar disponible como plantilla. El ADN eucariótico se une a proteínas básicas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. La cromatina (el complejo entre el ADN y las proteínas) puede sufrir algunas modificaciones químicas, de modo que el ADN pueda deslizarse de las proteínas o ser accesible a las enzimas de la maquinaria de replicación del ADN. En el origen de la replicación, se hace un complejo de pre-replicación con otras proteínas iniciadoras. Luego se reclutan otras proteínas para iniciar el proceso de replicación (Tabla).

Una helicasa usando la energía de la hidrólisis de ATP abre la hélice del ADN. Las bifurcaciones de replicación se forman en cada origen de replicación a medida que el ADN se desenrolla. La apertura de la doble hélice hace más de cuerda, o superenrollamiento, en el ADN por delante de la horquilla de replicación. Estos se resuelven con la acción de las topoisomerasas. Los cebadores están formados por la enzima primasa, y usando el cebador, el ADN pol puede iniciar la síntesis. Mientras que la hebra principal es sintetizada continuamente por la enzima pol δ, la hebra rezagada es sintetizada por pol ε. Una proteína de abrazadera deslizante conocida como PCNA (Antígeno Nuclear de Células Proliferantes) sostiene el pol de ADN en su lugar para que no se deslice del ADN. La RNasa H elimina la imprimación de ARN, que luego se reemplaza con nucleótidos de ADN. Los fragmentos de Okazaki en la hebra rezagada se unen después del reemplazo de los cebadores de ARN con ADN. Los huecos que quedan son sellados por la ligasa de ADN, que forma el enlace fosfodiéster.

A diferencia de los cromosomas procarióticos, los cromosomas eucarióticos son lineales. Como has aprendido, la enzima ADN pol puede añadir nucleótidos solo en la dirección 5′ a 3′. En la cadena principal, la síntesis continúa hasta que se alcanza el extremo del cromosoma. En la hebra rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos, cada uno de los cuales se inicia con una imprimación separada. Cuando la bifurcación de replicación llega al final del cromosoma lineal, no hay lugar para hacer una imprimación para que el fragmento de ADN se copie al final del cromosoma. Por lo tanto, estos extremos permanecen sin emparejar y, con el tiempo, estos extremos pueden acortarse progresivamente a medida que las células continúan dividiéndose.

Los extremos de los cromosomas lineales se conocen como telómeros, que tienen secuencias repetitivas que codifican para ningún gen en particular. En cierto modo, estos telómeros protegen los genes de la eliminación a medida que las células continúan dividiéndose. En humanos, una secuencia de seis pares de bases, TTAGGG, se repite de 100 a 1000 veces. El descubrimiento de la enzima telomerasa (Figura) ayudó a comprender cómo se mantienen los extremos de los cromosomas. La enzima telomerasa contiene una parte catalítica y una plantilla de ARN incorporada. Se une al extremo del cromosoma, y se agregan bases complementarias a la plantilla de ARN en el extremo 3′ de la cadena de ADN. Una vez que el extremo 3′ de la plantilla de hebra rezagada está lo suficientemente alargado, la ADN polimerasa puede agregar los nucleótidos complementarios a los extremos de los cromosomas. Por lo tanto, los extremos de los cromosomas se replican.

La telomerasa es típicamente activa en células germinales y células madre adultas. No es activo en las células somáticas adultas. Por su descubrimiento de la telomerasa y su acción, Elizabeth Blackburn (Figura) recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 2009.

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 con el envejecimiento. Con el advenimiento de la medicina moderna, la atención preventiva de la salud y los estilos de vida más saludables, la vida humana ha aumentado, y hay una creciente demanda de que las personas se vean más jóvenes y tengan una mejor calidad de vida a medida que envejecen.

En 2010, los científicos descubrieron que la telomerasa puede revertir algunas afecciones relacionadas con la edad en ratones. Esto puede tener potencial en la medicina regenerativa.1 En estos estudios se utilizaron ratones con deficiencia de telomerasa; estos ratones tienen atrofia tisular, depleción de células madre, falla del sistema orgánico y respuestas alteradas a lesiones tisulares. La reactivación de la telomerasa en estos ratones causó la extensión de los telómeros, redujo el daño al ADN, invirtió 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 humanos.

El cáncer se caracteriza por la división celular incontrolada de células anormales. Las células acumulan mutaciones, proliferan sin control y pueden migrar a diferentes partes del cuerpo a través de un proceso llamado metástasis. Los científicos han observado que las células cancerosas han acortado considerablemente los telómeros y que la telomerasa es activa en estas células. Curiosamente, solo después de que los telómeros se acortaron en las células cancerosas, la telomerasa se activó. Si la acción de la telomerasa en estas células puede ser inhibida por medicamentos durante la terapia del cáncer, entonces las células cancerosas podrían potencialmente dejar de dividirse.

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
Property	Prokaryotes	Eukaryotes
Origin of replication	Single	Multiple
Rate of replication	1000 nucleotides/s	50 to 100 nucleotides/s
DNA polymerase types	5	14
Telomerase	Not present	Present
RNA cartilla de eliminación	ADN pol I	Rnasa H
Hebra de elongación	ADN pol III	Pol δ, pol ε
pinza Deslizante	pinza Deslizante	PCNA

Resumen de la Sección

la Replicación en eucariotas comienza a las múltiples orígenes de replicación. El mecanismo es bastante similar a los procariotas. Se requiere una imprimación para iniciar la síntesis, que luego se extiende por la ADN polimerasa a medida que agrega nucleótidos uno por uno a la cadena creciente. La hebra principal se sintetiza continuamente, mientras que la hebra rezagada se sintetiza en tramos cortos llamados fragmentos de Okazaki. Los cebadores de ARN son reemplazados por nucleótidos de ADN; el ADN permanece como una hebra continua al unir los fragmentos de ADN con la ligasa de ADN. Los extremos de los cromosomas plantean un problema, ya que la polimerasa no puede extenderlos sin una imprimación. La telomerasa, una enzima con una plantilla de ARN incorporada, extiende los extremos copiando la plantilla de ARN y extendiendo un extremo del cromosoma. La polimerasa de ADN puede extender el ADN usando la imprimación. De esta manera, los extremos de los cromosomas están protegidos.

Preguntas de Repaso

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