domingo, 2 de diciembre de 2007

Replicación y Niveles de Organización Superiores del DNA.

Bienvenidos de nuevo. Lamento que la actualización de esta semana haya caído tarde pero intentaré compensar este puente y adelantar entradas. Esta semana ha sido un poco agobiante en el trabajo. De hecho creo que voy a recurrir más habitualmente a escanear imágenes de algunos de mis libros para poder ganar tiempo.

En esta entrada vamos a tratar sobre dos cuestiones bastante relevantes, aunque no serán de mucha extensión. El primero, sobre el que comenté alguna cosa en la última columna, es el de la Replicación, es decir, cómo el DNA se perpetúa molecularmente y es copiado para producir el doble de material y, así, las células puedan dividirse y cada célula surgida de la original pueda tener el mismo material genético (tanto en contenido como en cantidad) que la progenitora.

Replicación.

Ya comenté al escribir sobre los nucleótidos que la forma trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) de los desoxinucleótidos son la forma que se emplea para la polimerización del DNA y, por lo tanto, en el caso de la Replicación, ocupan un papel fundamental. Esos fosfatos de las moléculas acumulan energía química que permitirá los enlaces y la consecuente construcción de la molécula en toda su extensión pero el proceso de Replicación, y la polimerización en general, requiere algo más que los desoxinucleótidos-trifosfato (dNTPs) y el ADN original como molde, también exige un cebador o primer para el inicio del proceso. Este cebador es un fragmento pequeño de DNA, aproximadamente de 20 bases de longitud, cuya secuencia no es específica y que se complementa con las hebras de DNA. Este cebador permite la unión de los dNTPs por la enzima DNA-polimerasa (DNA-pol; que posee isoformas también para otros procesos, como la reparación del DNA cuando hay daños o para el DNA mitocondrial y para otros procesos), extendiendo una hebra de forma que al final del proceso se obtiene el doble de material que al principio.

Figura 1. Rendimiento de la Replicación: como se puede ver, el material heredado por las células originadas en la división es mitad nuevo, mitad antíguo.

No obstante, hay sutilezas en el proceso con consecuencias importantes: para empezar, la DNA-pol lee en sentido 3'-5', mientras que sintetiza en sentido 5'-3', esto es así en las dos hebras del DNA, lo que hace que una de las dos hebras sea sintetizada a trozos (hebra retardada) mientras que la otra lo es del tirón (hebra contínua). Esto ocurre así porque la DNA-pol forma un macrocomplejo compuesto por dos unidades de la DNA-pol, una topoisomerasa/helicasa (una enzima que separa las dos hebras de DNA rompiendo los enlaces de hidrógeno), un pequeño complejo (complejo Gamma) que coloca proteínas en la hebra retardada de DNA para estabilizarla y evitar que renaturalice con la contínua; y una proteínas que mantienen el resto unidas entre sí. Este macrocomplejo crea lo que se denomina una horquilla de Replicación.

Figura 2. Gráfico con el modelo de la horquilla de Replicación del DNA. Se pueden apreciar en amarillo las proteínas SSB (colocados por el complejo gamma en azul) estabilizando la hebra retardada y en naranja y verde discontínuo los fragmentos de Okazaki.

Los fragmentos de DNA que complementan la hebra retardada se denominan fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos tienen una longitud limitada pero regular debido a que son producto de la geometría del complejo de la horquilla de Replicación. Aunque en principio la producción de los fragmentos de Okazaki podría sugerir que la hebra retardada queda como discontínua, la DNA-pol posteriormente los enlaza entre sí con un pequeño gasto de energía formando así una hebra coherente.

Lo interesante del proceso de Replicación es que bastantes de los elementos que podemos observar en este proceso aparecen posteriormente en otros procesos relacionados con el DNA, como puede ser en la reparación del DNA, en la Transcripción y en la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), sobre las que escribiré más adelante.

Cromatina.

Los niveles de organización superiores del DNA a los que me refiero en el título son las formas del DNA que aparecen en las células eucariotas (con auténtico nucleo y endomembranas) a partir de la estructura de la doble hebra que ya describí anteriormente. Su importancia va más allá de una simple cuestión de organización para ahorrar espacio, como explicaré más abajo. La primera estructura que forma el DNA después de la doble hebra es la que se denomina estructura nucleosomal. Los nucleosomas son unidades regulares formadas por el DNA y unas proteínas, muy conservadas filogeneticamente (o sea, a lo largo de la evolución), denominadas histonas. Las histonas (H2A, H2B, H3, H4) forman un octámero alrededor del que se arrolla el DNA de una forma bastante regular (en número de bases) y que se cierra por la quinta histona (H1). La Hebra de DNA e histonas es lo que se denomina estructura de collar de perlas. Esta estructura puede compactarse, que es lo que ocurre en el nivel de fibra de 30nm (nanometros). A su vez, esta fibra es la forma de unión a las proteínas de andamiaje (scaffolding) que dan la base estructural física de los cromosomas.


El conjunto de DNA y proteínas que conforman los cromosomas son lo que se denomina cromatina y el estado de compactación tiene una gran importancia funcional por una cuestión puramente física. Cuanto más compactado se halla el DNA, menos accesible es este para las enzimas que se ocupan de la Replicación y de la Transcripción, ya que no disponen de espacio para unirse al DNA y poder realizar su función. Aunque en los primeros tiempos del estudio de la compactación de la cromatina se creía que era un fenómeno sólamente asociado al gran cambio de compactación que ocurre al entrar la célula en mitosis (los cromosomas se compactan extraordinariamente para el proceso de división celular ya que deben repartirse por igual entre una célula y otra), la realidad es más compleja y los cromosomas alteran su estado de compactación de forma selectiva con fines funcionales de expresión genética, por lo que esta forma física de impedir el acceso de las enzimas de la Transcripción al DNA es un nivel más de regulación de la expresión de los genes.

Es en este nivel de regulación en el que las histonas muestran por qué tienen tal importancia: las histonas presentan unas colas que sobresalen de la estructura del octámero nucleosomal y que pueden ser objetivo de modificaciones de diferente tipo: acetilación, metilación SUMOilación. Estas modificaciones alteran la hidrofobia o hidrofilia de las colas, que se doblan sobre el nucleosoma y por tanto lo cierran o lo abren, participando en la regulación de la expresión genética a un nivel fundamental. Esta es una de las cuestiones que justifican la importancia de la conservación de las histonas y que unen el concepto estructural y el concepto funcional.


Enlaces de Interés:
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Nucleosomas.
Histonas.
Cromatina.

5 comentarios:

Carlos Lobato dijo...

Genial tu blog Illuminatus, la verdad que es un sitio genial cuando tengo que tirar de recursos bioquímicos que ahora me hacen mucha falta. Sigue así!
Un saludo!

Illuminatus dijo...

Se agradece el apoyo. La verdad es que me da un poco de aprensión lo que me dejo en el tintero, que es bastante, pero prefiero el rigor y que se entienda a dar la información completa y que no llegue ni un poco.

Daniela dijo...

oohh gracias me has salvado me cuesta demaciado biologia trate de ver del albert pero casi ni le entendi grax

cuidate

te lo agradece un alumna de kinesiologia ..

klipper dijo...

Hola, he estado leiendo esta entrada y creo que tienes un error, el primer es de ARN, porque la ADNpol no puede empezar sin "algo en que apollarse" y en cambio la RNA polimerasa puede empezar desde cero. :D

La verdad que todo está bien explicado y las imagenes están muy buenas.

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Espero verte por allí :D jejeje

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Saludosss

Xaoo

nayafm dijo...

Hacía tiempo que no veía dibujos tan concisos y claros, gracias ^^