REPLICACIÓN: enzimas implicadas

Enzimas que intervienen:
a) ADN polimerasas. La principal es la ADN pol III.
Tienen actividad polimerasa 5´---->3´.
La primera descubierta en procariotas, la ADNpol I, la aisló Arthur Kornberg en 1956 a partir de E. coli. Posteriormente se descubrrió que las bacterias tienen otras dos ADN polimerasas: la II y la III.
Cada una de ellas está especializada en una o más de estas funciones según cuál sea su papel en la replicación. La ADN Pol I  es la encargada de la eliminación de los cebadores de ARN y el "relleno" del espacio que dejan con ADN (actividad exonucleasa 5' → 3' y actividad polimerasa 5' → 3').  La ADN Pol II está encargada de la corrección de errores con corte de los nucleótidos incorrectos y reparación de los cortes producidos en el ADN volviendo atrás y corrigiendo (actividades exonucleasa 3' → 5'y polimerasa 5´---------->3´), la ADN Pol III que es muy procesiva es la principal encargada de la elongación del ADN (actividad polimerasa 5' → 3') durante la cual también realiza tareas de corrección (actividad exonucleasa 3' → 5').

En eucariotas se han descrito más de una docena de ADN polimerasas diferentes, que se nombran con letras del alfabeto griego:

β, λ, σ, μ (beta, lambda, sigma,  mu)

α, δ, ε (alpha, delta, epsilon)  realizan la mayor parte del trabajo de duplicación de todo el genoma .

η, ι, κ (eta, iota, kappa)

ζ (zeta)

γ, θ (gamma, theta). Se ha descubierto (2021) que la polimerasa theta es capaz de convertir mensajes de ARN en ADN, lo que hace tan bien como la transcriptasa inversa del VIH. Esto puede seruna de las razons de que gran parte del genoma eucariótico sea de origen vírico.

ν (nu)

 Las ADN polimerasas son incapaces de desenrollar el ADN para copiarlo, al contrario que las ARN polimerasas, que lo desenrollan y vuelven a enrollar a medida que progresa la transcripción.

La actividad exonucleasa 3´--->5´de las ADN pol les permite corregir errores. Eso no ocurre con las ARN pol.

Las ADN pol necesitan un cebador que aporte un extremo 3´-OH al que ir añadiendo nucleótidos. Eso no ocurre con las ARN pol.

 b) Helicasas. Enzimas responsables de romper los puentes de H entre bases complementarias y, por lo tanto, de abrir la doble hélice. Dos helicasas trabajan simultáneamente en sentidos opuestos, formando una búrbuja de replicación, con dos mitades: las horquillas de replicación.

c) Topoisomerasas. Desenrollan la doble hélice, eliminando las tensiones generadas a medida que las horquillas avanzan. Una de ellas es la Girasa.

Algunos antibióticos son bactericidas porque inhiben las topoisomerasas bacterianas. También algunos medicamentos usados en la quimioterapia actúan inhibiendo las topoisomerasas de las células cancerosas, evitando así su proliferación. <---- Preguntas de razonamiento

d) Primasa. Cataliza la formación del fragmento de ARN llamado Primer o cebador. Es, por tanto, una ARN pol. El cebador es necesario para que la ADN pol III tenga un punto de partida, un -OH 3´ libre al que añadir nucleótidos.


e) Endonucleasas (que hacen un corte en una cadena) y Exonucleasas (la ADN pol tiene también actividad exonucleasa) que eliminan nucleótidos de los extremos de las cadenas. Son necesarias para la reparación de errores cometidos por la ADN polimerasa III.

Imagen de la Academia Khan

f) ADN ligasa es la enzima que une dos fragmentos de la misma cadena de ADN, necesaria para unir los fragmentos de la hebra retardada.

Proteínas SSB (single-stranded DNA binding proteins) o estabilizadoras: son proteínas que se unen al ADN monocatenario, estabilizándolo, impidiendo que las hebras simples de ADN se renaturalicen o formen estructuras secundarias, de modo que puedan servir de molde para la colocación de las bases de la cadena complementaria.

REPLICACIÓN DEL ADN EN PROCARIOTAS

Síntesis de ADN in vivo: experimentos de Cairns (1963)




En 1963 el físico y biólogo molecular británico John Cairns marcó el cromosoma de E. coli con tritio y cada 2 o 3 minutos extraía muestras para obtener radiografías.
Las imágenes iniciales (a los 5 min.) tenían forma de V (horquillas de replicación). Después (a los 30 min.) obtenía imágenes en forma de media luna, que son las burbujas de replicación. Las formas circulares indicaban que el ADN bacteriano era circular.
Los resultados de este experimento confirmaron la hipótesis semiconservativa, ya demostrada por Meselson y Stahl en 1957 (ver en Historia de la Biología Molecular) y mostraron que existía un inicio de la replicación.

Sin embargo, aparecía un nuevo problema: la ADN polimerasa, aislada por Arthur Kornberg*, necesita un cebador de desoxirribonucleótidos a los que añadir nuevos nucleótidos en su extremo 3´. Por lo tanto, la cadena sólo puede crecer en el sentido 5´------>3´. Por esto, el nucleótido que tiene el C 5´ libre se considera el primero de la cadena y el 3´el último, al que se le pueden añadir más nucleótidos.

Una de las dos hebras de la horquilla de replicación debía crecer en sentido 3´--------->5´ y ya hemos visto que esto no es posible, pues la ADNpol no trabaja así.. ¿Cómo se resuelve entonces este rompecabezas?

La solución vino de la mano del biólogo molecular japonés Reiji Okazaki**, que en 1968 descubrió unos fragmentos de unos 50 ribonucleótidos y más de un millar de desoxirribonucleótidos, los fragmentos de Okazaki.

Estos fragmentos son al principio sintetizados por una ARN polimerasa (la primasa) y continuados después por la ADN polimerasa, siempre en dirección 5´-------->3´. Después se elimina el fragmento de ARN, se sustituye por ADN y se suelda por la ADN ligasa.
 Horquilla de replicación con las cadenas molde o patrón (en azul), la cadena conductora (de crecimiento continuo) y la cadena retardada (de crecimiento discontinuo, pues se va formando a medida que la doble cadena se va abriendo).
 El "primer" o cebador (primer fragmneto de cada cadena nueva) es un fragmento de ARN que después se elimina.

* su hijo Roger recibió el Nobel de Química en 2006 por elucidar la estructura tridimensional de la ARN polimerasa II de la levadura). Arthur Kornberg era discípulo del asturiano Severo Ochoa, con quien compartió el Nobel en 1959 (Severo Ochoa junto a la bioquímica rusa Marianne Grunberg-Manago había descubierto la polinucleótido-fosforilasa, enzima clave para dilucidar el código genético). Sin embargo, Marianne nunca se llevó el Nobel, injusticia parecida a la de Rosalynd Franklin

**muerto de leucemia a los 44 años como consecuencia de la radiación de la bomba nuclear de Hiroshima, ciudad en la que nació 15 años antes del lanzamiento de la bomba

HISTORIA DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR A TRAVÉS DE SUS EXPERIMENTOS

 Experimento de Griffith (1928): existencia de un principio transformante.


Experimento de Avery, MacLeod y McCarthy (1944): el principio transformante era el ADN.

El norteamericano Avery y su equipo lograron 16 años después de los experimentos de Grffith aislar e identificar la molécula que hacía que los neumococos R se transformaran en neumococos S (virulentos).

Cultivaron las bacterias S in vitro (tubos de ensayo) en vez de in vivo (en ratones) e iban destruyendo sistemáticamente los componentes bioquímicos de la célula:

a) Destruyeron los polisacáridos de la cápsula y se seguía produciendo transformación de las bacterias R.

b) Destruyeron las proteínas y seguían conservando su capacidad transformante.

c) Destruyeron el ARN y lo mismo.

d) Destruyeron el ADN y las células perdían su capacidad transformante, luego el principio transformante de Griffith era el ADN.

con este experimento demostraron dos hechos:

a) El ADN es la molécula portadora de la herencia.

b) Las bacterias pueden sufrir transformación genética mediante ADN exógeno (de hecho, es uno d elos 3 mecanismos parasexuales bacterianos, junto a la conjugación mediante pili y la transducción mediante virus). 

Sin embargo, muchos bioquímicos seguían pensando que la molécula portadora de la herencia eran las proteínas, ya que con sus 20 aa (nº parecido al de letras del alfabeto) parecía más apto para producir textos informativos (información genética) que el ADN con sus solamente 4 nucleótidos. Además, se pensaba que el ADN tenía una estructura monótona o repetitiva.

Sin embargo, a las conclusiones de Avery, se sumaron las mediciones de Chargaff, que mediante cromatografía en papel (técnica habitual en los laboratorios de bioquímica), llegó a la conclusión que ciertas especies bacterianas eran ricas en A+T y otras en G+C. Es decir, que la composición (% de los diferentes nucleótidos de A, G, C y T) del ADN era específica de cada especie. Además, estableció las Reglas de Chargaff (%A=%T y %G=%C).

Experimento de Alfred Herschey y Martha Chase (1952): el ADN es lo que pasa de una generación a la siguiente y no las proteínas.

En 1953, Rosalind Franklin y Maurice Wikins radiografiaron el ADN por difracción de rayos X y lo analizaron, llegando a la conclusión de que debía tener una forma helicoidal. Con este dato y las Reglas de Chargaff, Watson y Crick establecieron en 1953 su MODELO DE LA DOBLE HÉLICE.
 Experimento de Meselson y Stahl (1958): la replicación es semiconservativa.

Se habían postulado 3 modos posibles de replicación del ADN:

Para comprobar cuál era el verdadero, Meselson y Stahl marcaron el ADN con N pesado (N-15):

De estos resultados, concluyeron en 1958 que la replicación era semiconservativa

HERENCIA POLIGÉNICA O CUANTITATIVA: COLOR DE LA PIEL EN HUMANOS

La herencia del color de la piel es independiente de otras características que usualmente asociamos a características raciales, como el color de los ojos, del pelo, el pelo liso o rizado, la nariz ancha o larga o los ojos rasgados. Los esquemas mostrados arriba son una simplificación. El número de genes implicados en el color de la piel es mayor, lo que está en consonancia con las tonalidades de la piel humana. Los blancos en Europa no presentan el mismo tono, desde la piel muy blanca nórdica a la morena mediterránea, pasando por una tonalidad intermedia en Francia o Centroeuropa. Lo mismo se puede decir de los negros en África. Además hay que tener en cuenta el grado de exposición a la luz solar e incluso un cierto dimorfismo sexual, pues las mujeres tienden a tener la piel algo más clara.

Otros caracteres continuos o cuantitativos son la inteligencia, el peso o la estatura:

Estatura de los soldados, distribuidos en forma de campana de Gauss:

DETERMINACIÓN AMBIENTAL DEL SEXO Y CARACTERES LIGADOS AL CROMOSOMA Y

Bonellia viridis (echiuroidea, Annelida)


 Las larvas de este raro gusano marino nadan hasta que se fijan a una roca, convirtiéndose en hembras, con cuya larga trompa o probóscide capturan larvas que son introducidas en los conductos genitales de la hembra, viviendo como "parásito" en ellas, pues la hembra le nutre y, a cambio, el macho la fecunda; éste carece de cualquier estructura excepto tejido germinal productor de espermatozoides.

 En algunos anfibios, reptiles y peces la temperatura es un factor ambiental determinante en la incubación de los huevos, en el desarrollo y la proporción de los sexos varia drásticamente entre las diferentes especies dependiendo de los regímenes de incubación. Generalmente se presentan rangos estrechos de temperatura (1-2 °C) que generan proporciones sexuales mixtas y temperaturas por encima o por debajo de este rango pueden determinar a uno u otro sexo únicamente. El calentamiento global puede llevar a la extinción de especies de estos animales, al producir sólo machos o sólo hembras:



CARACTERES LIGADOS AL CROMOSOMA Y (HOLÁNDRICOS):
El cromosoma Y humano contiene unos genes, de los que al menos 72 codifican proteínas, siendo al menos 20 de ellos ligados a Y u holándricos (están en el segmento diferencial del cromosoma Y). Entre otros

• SRY (sex-determining region),
• TDF (testis determining factor),
• ZFY (zinc finger protein),
• PRKY (protein kinase, Y-linked),
• Se creía que la hipertricosis auricular era un carácter holándrico, pero investigaciones llevadas a cabo en la India han sugerido que realmente se trata de un gen limitado a un sexo, es decir, que aunque presente en los dos sexos, sólo se manifiesta en uno. Es decir, que el sexo determina diferentes fenotipos aun teniendo el mismo genotipo.
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LA HEMOFILIA EN LAS FAMILIAS REALES EUROPEAS

fuente: blog de genética.

El agua y el fraccionamiento hidrúlico (fracking)

El fraccionamiento hidraúlico de esquistos y pizarras para liberar el gas natural (metano) que contiene, consume grandes cantidades de agua, que queda contaminada con multitud de aditivos químicos que se inyectan y contaminan los acuíferos, además del metano que puede salir por el grifo o liberarse a la atmósfera, contribuyendo al efecto invernadero tal vez más que las vacas.

El TTIP, un espaldarazo al fracking. El Tratado transatlántico de comercio, que la administración estadounidense negocia en secreto con la UE apoya abiertamnete el "fracking", como se puede concluir del enlace de Ecologistas en Acción.

El gas de esquisto en Portugal

La técnica del "fracking" divide a España, en Russia Today.

En el número de enero de 2012 de la revista Investigación y Ciencia viene un artículo titulado Los inconvenientes de la fracturación hidraúlica. Lee el artículo y responde:

1. ¿Supone la fracturación hidraúlica algún riesgo para las reservas de agua potable?

2. ¿Por qué se inyecta agua con aditivos químicos cuando en una perforación vertical llegamos a una capa de esquisto?

3. ¿Qué diferencias hay entre la nueva fracturación hidráulica y la que se viene empleando desde los años 40?

4. ¿Cuánto tiempo puede durar las reservas de gas metano procedente de los esquistos en EE UU?

5. ¿Qué práctica perforadora hace aumentar la probabilidad de contaminación de los acuíferos?

6. ¿Cuántos m3 de agua hacen falta para hacer una perforación lateral u horizontal? ¿Cuántos m3 de productos químicos? Ver Lista de aditivos usados en el "fracking".

7. ¿Para qué se añaden al agua los productos químicos?

8. ¿Qué porcentaje del agua inyectada retorna a la superficie? ¿Qué sustancias trae este agua?

9. ¿Cómo se gestiona el agua de retorno?

10. ¿Qué medidas exigen algunos estados norteamericanos en la gestión  de las fosas o balsas de aguas de retorno? Razona si son 100% seguras. 

11. ¿Qué desastre ecológico se produjo al romperse una balsa con residuos mineros en Aznalcóllar (Sevilla) en 1998? ¿Podría pasar algo similar con las balsas de agua usada en el "fracking"?

12. Nombra un estado norteamericanoen el que haya salido metano por el grifo. Además del citado en el artículo ha habido quejas en Texas (donde los vecinos se quejan de que el agua que sale por el grifo tiene tantas búrbujas que parece champán) o Carolina del Norte (ver 1ª foto).

Otros impactos ambientales de esta técnica son la destrucción del paisaje:

Campo con pozos de fracturación hidráulica en Pennsilvania.

y el riesgo de movimientos sísmicos:

Aumento del número de movimientos sísmicos en Oklahoma, asociado al"fracking boom". Ver en es.materia.