Biology · Libro 2 · Grades 10–12

Biología de secundaria

Biología de secundaria · Grades 10–12

11La replicación del ADN

Cada día tu médula ósea produce doscientos mil millones de glóbulos rojos nuevos, el revestimiento de tu intestino se renueva cada pocos días y cada una de esas células nuevas recibe una copia completa de los dos metros de ADN que los capítulos anteriores describían como el texto de la célula. Copiar tres mil millones de letras, sin un modelo que consultar, en unas horas y con menos errores de los que comete un mecanógrafo profesional en una página: ¿cómo se hace? La respuesta se adivinó a partir de la estructura misma de la molécula en 1953, y se demostró cinco años después con uno de los experimentos más elegantes de la biología.

11.1 El problema de copiar

Definición 11.1 (Replicación)

La replicación del ADN es el proceso por el que una célula fabrica, a partir de una molécula de ADN de doble hebra, dos moléculas idénticas a ella y entre sí, antes de dividirse. Tiene lugar en un periodo definido del ciclo celular, la fase S (Capítulo 12), durante el cual se duplica la cantidad de ADN del núcleo.

Proposición 11.2 (El principio del molde)

Como las dos hebras de una molécula de ADN son complementarias — A frente a T, G frente a C —, cada hebra lleva toda la información necesaria para reconstruir la otra. La replicación procede por tanto separando las dos hebras y usando cada una como molde sobre el que se ensambla una hebra complementaria nueva, nucleótido a nucleótido.

Demostración. Admitido a este nivel. ∎

Ejemplo 11.3 (Tres resultados concebibles)

Dado el principio del molde, en los años cincuenta se propusieron tres maneras de repartir las hebras viejas y las nuevas:

  • semiconservativa: cada molécula hija conserva una hebra vieja y recibe una nueva;
  • conservativa: la molécula original se conserva entera y junto a ella se construye una doble hebra completamente nueva;
  • dispersiva: los segmentos viejos y nuevos se alternan a lo largo de cada hebra de las dos hijas.

Las tres no pueden distinguirse mirando; sí pesando.

11.2 El experimento de Meselson y Stahl

Proposición 11.4 (La replicación es semiconservativa)

Cada molécula de ADN hija contiene una hebra de la molécula madre y una hebra recién sintetizada.

Pruebas experimentales. Meselson y Stahl (1958) cultivaron bacterias durante muchas generaciones en un medio cuyo único nitrógeno era el isótopo pesado 15^{15}N, de modo que todo su ADN era pesado. Después trasladaron las bacterias a un medio de 14^{14}N corriente y tomaron muestras del cultivo tras cada generación (cada veinte minutos). El ADN extraído de cada muestra se centrifugó durante muchas horas en una disolución salina densa, donde cada molécula flota al nivel que corresponde a su propia densidad, y se fotografió bajo luz ultravioleta: el ADN pesado y el ligero forman bandas separadas por una distancia medible. Resultados: antes del traslado, una sola banda pesada; tras una generación, una única banda exactamente a medio camino entre la pesada y la ligera — todas las moléculas híbridas; tras dos generaciones, dos bandas de la misma intensidad, una híbrida y otra ligera; tras tres, la banda ligera es el triple que la híbrida. El modelo conservativo predice una banda pesada y otra ligera en la primera generación, y nunca una híbrida; el modelo dispersivo predice una sola banda que se aligera cada generación, y que nunca se desdobla en dos. Solo el modelo semiconservativo da una banda híbrida y después híbrida más ligera en las proporciones observadas. ∎

El resultado de Meselson y Stahl. ADN pesado antes del traslado; una banda híbrida tras una generación en medio ligero; híbrida y ligera a partes iguales tras dos; ligera el triple que la híbrida tras tres. El grosor de la banda representa la cantidad de ADN.
El resultado de Meselson y Stahl. ADN pesado antes del traslado; una banda híbrida tras una generación en medio ligero; híbrida y ligera a partes iguales tras dos; ligera el triple que la híbrida tras tres. El grosor de la banda representa la cantidad de ADN.
Un tubo de centrífuga bajo luz ultravioleta: moléculas de ADN de dos densidades han flotado hasta dos niveles del gradiente salino y aparecen como dos bandas. Su posición mide su densidad; su brillo, su cantidad.
Un tubo de centrífuga bajo luz ultravioleta: moléculas de ADN de dos densidades han flotado hasta dos niveles del gradiente salino y aparecen como dos bandas. Su posición mide su densidad; su brillo, su cantidad.

Ejemplo 11.5 (Predecir la cuarta generación)

Tras nn generaciones en medio ligero, las dos hebras pesadas originales siguen ahí, una en cada una de dos moléculas híbridas; todas las demás moléculas son completamente ligeras. De 2n2^n moléculas, 2 son híbridas y 2n−22^n - 2 ligeras: en la generación 4, 2 híbridas por 14 ligeras — una banda ligera siete veces mayor que la híbrida, y la banda híbrida nunca desaparece, solo se atenúa. Las dos hebras originales son, de hecho, inmortales.

11.3 La maquinaria

Proposición 11.6 (Horquillas de replicación)

La replicación empieza en sitios definidos, los orígenes, donde las dos hebras se separan y forman una burbuja. En cada borde de la burbuja avanza una horquilla de replicación: una enzima, la ADN polimerasa, recorre cada hebra abierta y añade, uno a uno, los nucleótidos complementarios de ella, encadenándolos en la hebra nueva. Las dos horquillas de una burbuja viajan en sentidos opuestos hasta encontrarse con las horquillas de las burbujas vecinas; el cromosoma bacteriano, un solo círculo, tiene un origen y dos horquillas; un cromosoma humano tiene miles de orígenes trabajando a la vez.

Demostración. Admitido a este nivel. ∎

Una horquilla de replicación. Las hebras madre (azul) se separan; sobre cada una, una ADN polimerasa construye una hebra complementaria nueva (rojo). Detrás de la horquilla quedan dos dobles hebras, cada una con una hebra vieja y una nueva.
Una horquilla de replicación. Las hebras madre (azul) se separan; sobre cada una, una ADN polimerasa construye una hebra complementaria nueva (rojo). Detrás de la horquilla quedan dos dobles hebras, cada una con una hebra vieja y una nueva.

Ejemplo 11.7 (Velocidad y escala)

Una horquilla bacteriana añade unos 1000 nucleótidos por segundo; una humana, unos 50. El cromosoma de E. coli, de 4.6×1064.6 \times 10^{6} pares de bases, copiado por dos horquillas desde un solo origen, tarda 4.6×106/(2×1000)≈2300 s4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) \approx 2300\,\mathrm{s}, unos 40 minutos — la duración del ciclo celular de la bacteria en un medio rico. Una célula humana, con 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases que copiar en una fase S de unas 8 horas, necesita sus miles de orígenes: una sola horquilla tardaría más de dos años.

Replicación de un cromosoma largo desde muchos orígenes. En los orígenes se abren burbujas, cada una con dos horquillas que se separan; crecen, se encuentran y se funden, y dejan dos dobles hebras completas, cada una mitad vieja (azul) y mitad nueva (rojo).
Replicación de un cromosoma largo desde muchos orígenes. En los orígenes se abren burbujas, cada una con dos horquillas que se separan; crecen, se encuentran y se funden, y dejan dos dobles hebras completas, cada una mitad vieja (azul) y mitad nueva (rojo).

Proposición 11.8 (Fidelidad)

La ADN polimerasa empareja el nucleótido equivocado alrededor de una vez cada 10510^5; comprueba cada nucleótido según lo añade y retira en el acto casi todos los emparejamientos erróneos, y otras enzimas corrigen la mayoría de los que quedan justo detrás de la horquilla. La tasa final de error es de aproximadamente uno por cada 10910^9 nucleótidos: una célula humana, que copia 6.4×1096.4 \times 10^{9} nucleótidos, comete de media una media docena de errores por división. Los que se escapan son mutaciones, el tema del Capítulo 13.

Demostración. Admitido a este nivel. ∎

Método 11.9 (Cálculos de replicación)

  1. Tiempo: longitud que copiar (pares de bases) dividida por la velocidad total de todas las horquillas en marcha (horquillas ×\times nucleótidos por segundo y por horquilla).
  2. Orígenes necesarios: longitud total dividida por lo que un origen (dos horquillas) puede copiar en el tiempo disponible.
  3. Errores: nucleótidos copiados ×\times tasa de error; recuerda que una célula copia las dos hebras, es decir el doble del número de pares de bases.
  4. Experimentos con isótopos: sigue las dos hebras originales; tras nn generaciones están en 2 moléculas híbridas de un total de 2n2^n.

Observación 11.10 (Por qué encajan la estructura y el mecanismo)

Watson y Crick terminaban su artículo de 1953 señalando que el emparejamiento “sugiere de inmediato un posible mecanismo de copia”. Meselson y Stahl mostraron que era el mecanismo real; la enzimología que vino después mostró cómo. Es uno de los raros casos de la biología en los que la forma de una molécula, vista una sola vez, dictó el proceso que la usa.

11.4 Ejercicios

Ejercicio 11.1 ★

Enuncia el principio del molde y explica por qué depende de la complementariedad.

Solución

Solución de Ejercicio 11.1.

Cada hebra sirve de molde sobre el que se construye una hebra complementaria nueva. Funciona solo porque A se empareja con T y G con C: la secuencia de una hebra fija la de la otra, así que una hebra sola lleva toda la información.

Ejercicio 11.2 ★

Define la replicación semiconservativa y contrástala con el modelo conservativo.

Solución

Solución de Ejercicio 11.2.

Semiconservativa: cada molécula hija conserva una hebra madre y gana una hebra nueva. Conservativa: la molécula madre queda entera y junto a ella se construye una doble hebra completamente nueva.

Ejercicio 11.3 ★

¿En qué fase del ciclo celular tiene lugar la replicación, y qué le ocurre durante ella a la cantidad de ADN por núcleo?

Solución

Solución de Ejercicio 11.3.

La fase S del ciclo celular; la cantidad de ADN por núcleo se duplica.

Ejercicio 11.5 ★

Una hebra dice GATTACAGGC. Escribe la hebra nueva que construye una polimerasa sobre ella.

Solución

Solución de Ejercicio 11.5.

CTAATGTCCG, base bajo base.

Ejercicio 11.6 ★★

En el experimento de Meselson y Stahl, ¿qué predeciría el modelo conservativo en la generación 1, y el dispersivo en la generación 2? ¿Por qué falla cada uno?

Solución

Solución de Ejercicio 11.6.

Conservativo, generación 1: una banda pesada y otra ligera, ninguna híbrida — pero solo se vio una banda híbrida. Dispersivo, generación 2: una sola banda a un cuarto del camino de la ligera a la pesada — pero se vieron dos bandas distintas. Cada modelo predice bandas que no se observaron.

Ejercicio 11.7 ★★

Predice las bandas y sus intensidades relativas en la generación 5.

Solución

Solución de Ejercicio 11.7.

25=322^5 = 32 moléculas, 2 híbridas y 30 ligeras: una banda ligera quince veces mayor que la híbrida, y ninguna banda pesada.

Ejercicio 11.8 ★★

Unas bacterias cultivadas en medio ligero se trasladan a medio pesado. Describe las bandas en las generaciones 0, 1 y 2.

Solución

Solución de Ejercicio 11.8.

Generación 0: una banda ligera. Generación 1: una banda híbrida. Generación 2: bandas híbrida y pesada de la misma intensidad — la imagen especular del experimento original.

Ejercicio 11.9 ★★

Calcula el tiempo que necesita una sola horquilla humana, a 50 nucleótidos por segundo, para copiar un cromosoma de 2.5×1082.5 \times 10^{8} pares de bases. Compáralo con una fase S de 8 horas y concluye.

Solución

Solución de Ejercicio 11.9.

2.5×108/50=5×106 s2.5 \times 10^{8}/50 = 5 \times 10^{6}\,\mathrm{s}, unos 58 días — mucho más que 8 horas. El cromosoma debe copiarse desde muchos orígenes a la vez, cada uno de los cuales abre dos horquillas.

Ejercicio 11.10 ★★

¿Cuántos nucleótidos encadena una célula humana durante una fase S? A razón de un error por cada 10910^9, ¿cuántos errores comete?

Solución

Solución de Ejercicio 11.10.

Las dos hebras de 3.2×1093.2 \times 10^{9} pares de bases, dos veces: 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases, es decir 6.4×1096.4 \times 10^{9} nucleótidos nuevos encadenados (uno por par de bases copiado). A 10−910^{-9} por nucleótido, unos 6 errores.

Ejercicio 11.11 ★★

¿Por qué deben moverse en sentidos opuestos las dos horquillas de una burbuja? ¿Qué ocurre cuando se encuentran dos burbujas vecinas?

Solución

Solución de Ejercicio 11.11.

Abrir una burbuja expone molde a los dos lados del origen; cada horquilla copia alejándose del origen, así que las dos van en sentidos opuestos y entre ambas cubren toda la región. Cuando dos burbujas se encuentran, sus horquillas se funden y las hebras hijas se unen extremo con extremo en moléculas continuas.

Ejercicio 11.12 ★★★

Una sustancia química bloquea la ADN polimerasa. Predice su efecto sobre un cultivo bacteriano, sobre una herida que está cicatrizando y sobre una célula nerviosa que ya no se divide. ¿Qué efecto sugiere un uso en medicina?

Solución

Solución de Ejercicio 11.12.

Las bacterias dejan de dividirse (sin replicación no hay división). La herida deja de cicatrizar, porque su reparación necesita divisiones celulares. La célula nerviosa no se ve afectada: ya no replica su ADN. Un fármaco que detiene las células que se dividen deprisa sin tocar las que no se dividen sugiere un tratamiento contra las bacterias o contra las células cancerosas en división.

Ejercicio 11.13 ★★★

En el experimento de Meselson y Stahl, la banda híbrida no desaparece nunca. Explícalo y calcula la fracción de moléculas híbridas al cabo de 10 generaciones.

Solución

Solución de Ejercicio 11.13.

Las dos hebras originales no se destruyen nunca: en cada generación cada una vuelve a emparejarse con una hebra ligera nueva, así que siempre existen exactamente dos moléculas híbridas. Al cabo de 10 generaciones: 2/210=2/1024≈0.2%2/2^{10} = 2/1024 \approx 0.2\% — presentes, pero demasiado tenues para verse.

Ejercicio 11.14 ★★★

Una polimerasa sin su actividad de comprobación comete un error cada 10510^5. Calcula los errores por división de una célula humana sin esa comprobación y explica por qué una línea celular así no sobreviviría a muchas divisiones.

Solución

Solución de Ejercicio 11.14.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9} \times 10^{-5} = 64\,000 errores por división. Con veinte mil genes, cientos de genes quedarían dañados en cada división; tras unas pocas divisiones las células llevarían defectos letales y la línea se extinguiría.

Ejercicio 11.15 ★★★

Explica por qué una bacteria en medio rico puede dividirse cada 20 minutos aunque copiar su cromosoma cueste 40. (Pista: piensa en cuándo puede empezar la siguiente ronda de replicación.)

Solución

Solución de Ejercicio 11.15.

Una ronda nueva de replicación empieza en el origen antes de que termine la anterior: el cromosoma lleva varias parejas de horquillas encajadas a la vez. Cada división recibe entonces un cromosoma ya copiado en parte para la siguiente, y las divisiones pueden sucederse más deprisa de lo que dura una sola copia.

11.5 Problema: Pesar una molécula para verla copiarse

Problema 11.1

Problema de fin de semana — el experimento de Meselson y Stahl reconstruido: los isótopos, los tres modelos y sus predicciones, las bandas que decidieron y las horquillas que copian un cromosoma en cuarenta minutos

El nitrógeno corriente es 14^{14}N; el isótopo pesado 15^{15}N es un 7% más pesado por átomo. El nitrógeno supone alrededor del 16% de la masa del ADN. Unas bacterias cultivadas catorce generaciones en medio de 15^{15}N se trasladan a medio de 14^{14}N en el instante cero y se dividen cada 20 minutos.

Parte I — Pesado y ligero.

  1. ¿En qué fracción es más denso el ADN totalmente pesado que el ligero? (Supón que la densidad sigue a la masa.) ¿Por qué basta una diferencia tan pequeña para separar las bandas?
  2. ¿Por qué se cultivaron las bacterias catorce generaciones en medio pesado antes del traslado, y no una o dos?
  3. Una molécula híbrida tiene una hebra pesada y otra ligera. ¿Dónde flota respecto de las bandas pesada y ligera?
  4. Explica por qué hay que extraer el ADN de un número muy grande de bacterias para que las bandas sean visibles.
  5. ¿Cómo podían asegurarse los experimentadores de que el traslado al medio ligero no alteraba por sí mismo el ADN de las bacterias?

Parte II — Tres predicciones. Para cada modelo, da las bandas (posición y cantidad relativa) esperadas tras una y tras dos generaciones.

  1. Modelo semiconservativo.
  2. Modelo conservativo.
  3. Modelo dispersivo.
  4. Tras una generación aparece una sola banda a medio camino entre la pesada y la ligera. ¿Qué modelo queda eliminado de inmediato, y cuáles dos siguen en pie?
  5. Tras dos generaciones hay dos bandas, híbrida y ligera, de la misma intensidad. ¿Qué modelo sobrevive, y por qué falla el otro?

Parte III — Contar hebras.

  1. Tras nn generaciones, ¿cuántas moléculas de ADN descienden de una molécula original, y cuántas de ellas contienen una hebra pesada original?
  2. Calcula la razón ligeras : híbridas en las generaciones 3, 4 y 6.
  3. ¿En qué generación baja la banda híbrida por debajo del 5% del ADN?
  4. Los experimentadores calentaron el ADN híbrido para separar sus dos hebras y centrifugaron las hebras sueltas. Predice las bandas. ¿Qué modelo pone eso a prueba?
  5. Explica cómo confirmaría la conclusión el mismo experimento hecho al revés (de ligero a pesado).

Parte IV — Las horquillas. El cromosoma bacteriano es un círculo de 4.6×1064.6 \times 10^{6} pares de bases con un solo origen; cada horquilla añade 1000 nucleótidos por segundo.

  1. Calcula el tiempo necesario para copiar el cromosoma con sus dos horquillas.
  2. Con una sola horquilla, ¿cuánto tardaría? ¿Por qué un origen con dos horquillas es el mínimo para un círculo?
  3. Una célula humana copia 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases en 8 horas con horquillas de 50 nucleótidos por segundo. ¿Cuál es el número mínimo de orígenes que deben activarse, si todos arrancan a la vez?
  4. A razón de un error por cada 10910^9 nucleótidos, ¿cuántos errores comete la bacteria por replicación, y cuántos la célula humana? ¿Por qué la cifra humana no es proporcionalmente peor para el organismo?
  5. Enuncia el resultado: qué demostraron las bandas de las dos generaciones y el tiempo que necesitan las dos horquillas para copiar el cromosoma bacteriano — comparado con el tiempo de generación de la bacteria.
Solución

Solución de Problema 11.1.

1. El nitrógeno es el 16% de la masa y es un 7% más pesado: 0.16×0.07≈1.1%0.16 \times 0.07 \approx 1.1\%. El método del gradiente separa densidades que difieren en una fracción de un tanto por ciento, así que un 1% da bandas bien separadas.

2. Para que fuera pesado prácticamente todo el ADN, y no solo la mitad o tres cuartas partes: tras 14 generaciones queda menos de una parte entre 10410^4 de las hebras ligeras originales.

3. Exactamente a medio camino entre las dos bandas: su densidad es el promedio.

4. Una sola bacteria tiene unos pocos femtogramos de ADN; la fotografía necesita microgramos, es decir miles de millones de células.

5. Manteniendo un cultivo en medio pesado como testigo y comprobando que su banda seguía siendo pesada, y comprobando la banda ligera de bacterias cultivadas en medio ligero todo el tiempo.

6. Semiconservativo: generación 1, una banda híbrida; generación 2, bandas híbrida y ligera, iguales.

7. Conservativo: generación 1, bandas pesada y ligera, iguales; generación 2, una pesada por cada tres ligeras.

8. Dispersivo: generación 1, una banda en la posición híbrida; generación 2, una banda a un cuarto del camino de la ligera a la pesada.

9. Queda eliminado el modelo conservativo, que predecía que no habría banda híbrida. El semiconservativo y el dispersivo predicen ambos la única banda híbrida y siguen en pie.

10. Sobrevive el semiconservativo: es el único que predice dos bandas separadas. El modelo dispersivo predice una sola banda que se aligera, y que nunca se desdobla.

11. 2n2^n moléculas, de las que exactamente 2 llevan una hebra original.

12. Ligeras : híbridas =(2n−2):2= (2^n - 2) : 2: generación 3, 3:13:1; generación 4, 7:17:1; generación 6, 31:131:1.

13. La fracción híbrida 2/2n<0.052/2^n < 0.05 cuando 2n>402^n > 40: a partir de la generación 6 (2/64≈3%2/64 \approx 3\%).

14. Dos bandas, una pesada y otra ligera, en la misma cantidad: una molécula híbrida es una hebra pesada más una hebra ligera. Esto pone a prueba el modelo dispersivo, que predice que toda hebra suelta tendría densidad intermedia, y lo elimina de manera independiente.

15. Partiendo de ligero, una generación en medio pesado da una banda híbrida y dos generaciones dan híbrida más pesada: el mismo patrón en espejo, lo que muestra que el resultado no depende de qué isótopo sea el “viejo”.

16. 4.6×106/(2×1000)=2300 s4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) = 2300\,\mathrm{s}, unos 38 minutos.

17. 77 minutos. En un círculo, las dos hebras quedan expuestas a ambos lados de cualquier apertura; dos horquillas que salen de un origen en sentidos opuestos son la manera más sencilla de recorrer todo el círculo.

18. Un origen copia 2×50×8×3600=2.88×1062 \times 50 \times 8 \times 3600 = 2.88 \times 10^{6} pares de bases en 8 horas; 6.4×109/2.88×106≈22006.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} \approx 2200 orígenes como mínimo absoluto (en realidad, decenas de miles, que se activan en momentos distintos).

19. La bacteria: 9.2×106×10−9≈0.019.2 \times 10^{6} \times 10^{-9} \approx 0.01 errores por replicación; la célula humana, unos 6. Casi todo el genoma humano no son genes, así que casi todos los errores caen donde no cambian nada, y la célula tiene dos copias de cada gen.

20. Las dos bandas de la segunda generación — híbrida y ligera a partes iguales — demostraron que la replicación es semiconservativa; las dos horquillas copian el cromosoma bacteriano en unos 38 minutos, aproximadamente el tiempo de generación de la bacteria, de modo que la copia marca el ritmo de la división.

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