Biology · Libro 3 · Bachelor Year 1

Biología universitaria — primer año

Biología universitaria — primer año · Bachelor Year 1

18Replicación del ADN y mitosis

Cada ocho horas aproximadamente, una célula del revestimiento intestinal copia seis mil millones de pares de bases con alrededor de un error por cada mil millones, y reparte después las dos copias entre dos hijas de modo que cada una reciba exactamente cuarenta y seis cromosomas: ni cuarenta y cinco, ni cuarenta y siete. La copia la hace una máquina que lee una hebra y construye su complementaria a cincuenta letras por segundo desde decenas de miles de puntos de partida a la vez; el reparto lo hace un huso de microtúbulos que separa las dos copias de cada cromosoma con una precisión de un error por cada cien mil divisiones. Este capítulo describe la horquilla de replicación y sus enzimas, el problema de los extremos, el ciclo celular que marca los tiempos de la replicación y la división, y la mitosis, que es la división misma.

18.1 Replicación semiconservativa

Proposición 18.1 (Cada hebra es un molde)

El ADN se replica de forma semiconservativa: las dos hebras de la hélice se separan y cada una sirve de molde sobre el que se construye una hebra complementaria nueva, de modo que toda molécula hija es una hebra vieja apareada con una nueva.

Evidencia. Meselson y Stahl (1958; recordado del volumen de bachillerato) cultivaron E. coli con nitrógeno pesado, la transfirieron a nitrógeno ligero y separaron el ADN por densidad: tras una generación todo el ADN era de densidad intermedia y, tras dos, la mitad intermedia y la mitad ligera: exactamente lo que predice una hebra vieja y otra nueva por molécula, y ningún otro esquema. Cairns (1963) marcó con tritio cromosomas bacterianos en replicación y los fotografió por autorradiografía: círculos con una “burbuja” de replicación cuyas dos horquillas se alejaban en sentidos opuestos desde un único origen. Kornberg (1956) purificó una enzima que sintetizaba ADN en el tubo de ensayo a partir de los cuatro nucleósidos trifosfato y un molde, siguiendo la secuencia del molde. ∎

Definición 18.2 (La horquilla de replicación y sus enzimas)

La replicación empieza en un origen — uno en el cromosoma bacteriano, decenas de miles en un genoma eucariota —, donde la hélice se abre y dos horquillas de replicación se alejan en sentidos opuestos. En cada horquilla: una helicasa desenrolla la hélice (un ATP por par de bases), unas proteínas de unión a hebra sencilla mantienen separadas las hebras y una topoisomerasa situada por delante de la horquilla libera la torsión que el desenrollamiento acumula. La ADN polimerasa añade nucleótidos solo al hidroxilo 3′3' de una cadena ya existente, de modo que toda hebra nueva crece de 5′→3′5' \to 3' y ninguna puede empezar de la nada: una primasa coloca primero un cebador corto de ARN que la polimerasa alarga. Sobre el molde que se lee de 3′→5′3' \to 5', la hebra nueva crece de forma continua hacia la horquilla: es la hebra conductora. Sobre el otro molde, la hebra nueva debe crecer alejándose de la horquilla, en trozos de 1000 to 2000 1000\text{ to }2000\, nucleótidos en las bacterias y de 100 to 200 100\text{ to }200\, en los eucariotas, los fragmentos de Okazaki, cada uno con su propio cebador: es la hebra retardada. Una segunda polimerasa sustituye los cebadores por ADN y una ligasa sella los fragmentos en una sola hebra.

Una horquilla de replicación. La helicasa abre el dúplex parental; la hebra conductora se copia de forma continua hacia la horquilla y la retardada hacia atrás, en fragmentos de Okazaki, porque las polimerasas solo construyen en el sentido 5' 3'.
Una horquilla de replicación. La helicasa abre el dúplex parental; la hebra conductora se copia de forma continua hacia la horquilla y la retardada hacia atrás, en fragmentos de Okazaki, porque las polimerasas solo construyen en el sentido 5′→3′5' \to 3'.

Proposición 18.3 (Fidelidad)

El apareamiento de bases por sí solo daría alrededor de un error por cada 10510^5; la polimerasa corrige — una actividad exonucleasa 3′→5′3' \to 5' retira un nucleótido mal apareado antes de añadir el siguiente — y lleva el error a uno por cada 10710^7; y después de que pase la horquilla, un sistema de reparación de desapareamientos encuentra los desapareamientos restantes, identifica la hebra nueva y la corrige: un error por cada 10910^9 o 101010^{10} pares de bases replicados. Una célula humana que copia 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares comete un puñado de mutaciones cada vez que se divide; una bacteria, una cada mil divisiones.

Ejemplo 18.4 (Velocidad y puntos de partida)

Una horquilla bacteriana avanza a 1000 1000\, pares de bases por segundo: dos horquillas copian los 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} de E. coli en 40 min40\,\mathrm{min} y, en un medio rico donde la célula se divide cada veinte, una ronda nueva empieza antes de que termine la anterior. Una horquilla eucariota, frenada por la cromatina, avanza a 50 50\, por segundo: copiar un cromosoma humano de 250 Mb250\,\mathrm{Mb} desde un solo origen llevaría un mes, así que el genoma se copia desde unos 40 00040\,000 orígenes en ocho horas, en un orden fijo para cada tipo celular.

18.2 Los extremos

Proposición 18.5 (El problema de la replicación de los extremos y la telomerasa)

En un cromosoma lineal, la hebra retardada no puede completarse hasta el extremo mismo: al retirarse el último cebador no hay ningún hidroxilo 3′3' aguas arriba desde el que rellenar el hueco, y cada replicación acortaría el cromosoma en 50 to 100 50\text{ to }100\, nucleótidos. Los eucariotas terminan sus cromosomas con telómeros, miles de copias de una repetición corta (TTAGGG en los vertebrados) que no llevan genes, y las células germinales y las células madre poseen telomerasa, una enzima con su propio molde de ARN que añade repeticiones al extremo 3′3' y repone lo que la replicación pierde. Casi todas las células somáticas carecen de ella: sus telómeros se acortan en cada división y, tras unas cincuenta divisiones en cultivo, dejan de dividirse. Las bacterias, con cromosomas circulares, no tienen extremos.

El problema de la replicación de los extremos (arriba) y su solución (abajo). La hebra retardada queda corta en el extremo del cromosoma; la telomerasa añade repeticiones al extremo 3' del molde para que la pérdida recaiga en secuencia que no lleva genes.
El problema de la replicación de los extremos (arriba) y su solución (abajo). La hebra retardada queda corta en el extremo del cromosoma; la telomerasa añade repeticiones al extremo 3′3' del molde para que la pérdida recaiga en secuencia que no lleva genes.

18.3 El ciclo celular

Definición 18.6 (El ciclo celular)

El ciclo celular de una célula eucariota tiene cuatro fases. G1_1 (intervalo 1): la célula crece y fabrica las enzimas de la replicación; S (síntesis): replica su ADN, de modo que cada cromosoma pasa a ser dos cromátidas hermanas idénticas unidas por el centrómero; G2_2: sigue creciendo y comprueba las copias; M: la mitosis, la división del núcleo, seguida de la citocinesis, la división del citoplasma. G1_1, S y G2_2 juntas son la interfase, en la que los cromosomas están extendidos y activos; una célula que deja de dividirse abandona el ciclo desde G1_1 hacia un estado de reposo, G0_0. Una célula humana en división tarda alrededor de 24 h24\,\mathrm{h}: G1_1 10 h10\,\mathrm{h}, S 8 h8\,\mathrm{h}, G2_2 4 h4\,\mathrm{h}, M 1 h1\,\mathrm{h}; una levadura, 90 min90\,\mathrm{min}; y un embrión temprano de rana, treinta minutos sin intervalo alguno.

El contenido de ADN de un núcleo a lo largo de un ciclo celular de 24\, h. Se duplica durante la fase S, de q (2n cromosomas de una cromátida) a 2q (2n cromosomas de dos cromátidas), y vuelve a q en cada hija al final de la mitosis; el número de cromosomas no cambia nunca.
El contenido de ADN de un núcleo a lo largo de un ciclo celular de 24 h24\,\mathrm{h}. Se duplica durante la fase S, de qq (2n cromosomas de una cromátida) a 2q2q (2n cromosomas de dos cromátidas), y vuelve a qq en cada hija al final de la mitosis; el número de cromosomas no cambia nunca.

Proposición 18.7 (Puntos de control)

El ciclo lo impulsa hacia delante una familia de proteínas quinasas, activadas por turnos por unas proteínas llamadas ciclinas cuyos niveles suben y bajan a lo largo del ciclo, y se detiene en puntos de control hasta que se cumplen ciertas condiciones: al final de G1_1, la célula se compromete a replicar solo si es lo bastante grande, está alimentada, ha recibido la señal de dividirse y su ADN está intacto; al final de G2_2, entra en mitosis solo cuando la replicación se ha completado; y en la mitosis, las cromátidas se separan solo cuando cada cromosoma está unido al huso por los dos lados. Un daño detiene el ciclo y, si no puede repararse, desencadena la muerte de la célula. La maquinaria molecular de este control corresponde al volumen del tercer año; su fallo es el cáncer.

18.4 La mitosis

Definición 18.8 (Mitosis)

La mitosis reparte los cromosomas replicados de modo que cada núcleo hijo reciba una cromátida de cada cromosoma: el mismo número y los mismos genes que el progenitor. Sus etapas:

  • profase: los cromosomas se condensan en varillas visibles, cada una de dos cromátidas hermanas unidas a lo largo de toda su longitud por proteínas cohesinas; los dos centrosomas se separan y entre ellos crece el huso mitótico de microtúbulos;
  • prometafase: la envoltura nuclear se desmonta; los microtúbulos del huso se unen desde polos opuestos al cinetocoro de cada cromátida, una estructura proteica situada en el centrómero;
  • metafase: los cromosomas quedan alineados en el ecuador del huso, cada uno bajo tensión desde ambos polos;
  • anafase: la cohesina se corta, las cromátidas hermanas se separan y son arrastradas hacia polos opuestos a medida que los microtúbulos se acortan (anafase A) y los polos se alejan (anafase B);
  • telofase: los cromosomas se descondensan y una envoltura nuclear se rehace en torno a cada juego.

La citocinesis divide después el citoplasma: en las células animales un anillo contráctil de actina y miosina estrangula la célula en dos; en las vegetales, vesículas procedentes del Golgi se fusionan en el ecuador formando una placa celular que crece hacia fuera hasta ser una pared nueva.

Células del ápice de una raíz de cebolla en interfase, profase, metafase, anafase, telofase y tras la citocinesis, con la pared nueva por el medio. Los cromosomas solo son visibles mientras están condensados, de la profase a la telofase.
Células del ápice de una raíz de cebolla en interfase, profase, metafase, anafase, telofase y tras la citocinesis, con la pared nueva por el medio. Los cromosomas solo son visibles mientras están condensados, de la profase a la telofase.
Cuatro etapas de la mitosis en una célula animal. Profase: los cromosomas se condensan mientras el huso se forma a partir de los dos centrosomas. Metafase: cada cromosoma se sitúa en el ecuador, unido desde ambos polos. Anafase: las cromátidas hermanas son separadas. Telofase: dos núcleos se rehacen y el surco divide la célula.
Cuatro etapas de la mitosis en una célula animal. Profase: los cromosomas se condensan mientras el huso se forma a partir de los dos centrosomas. Metafase: cada cromosoma se sitúa en el ecuador, unido desde ambos polos. Anafase: las cromátidas hermanas son separadas. Telofase: dos núcleos se rehacen y el surco divide la célula.
Una célula en cultivo en metafase, con sus microtúbulos marcados en verde y sus cromosomas en azul: el huso abarca la célula de polo a polo y los cromosomas forman una placa en su ecuador.
Una célula en cultivo en metafase, con sus microtúbulos marcados en verde y sus cromosomas en azul: el huso abarca la célula de polo a polo y los cromosomas forman una placa en su ecuador.

Proposición 18.9 (Qué conserva la mitosis)

La mitosis es una división que conserva el número de cromosomas: una célula con 2n cromosomas (46 en el ser humano) da dos células con 2n. El contenido de ADN pasa de 2q2q (tras la replicación) a qq en cada hija; el número de cromosomas no cambia nunca, porque un cromosoma se cuenta por su centrómero y cada cromátida, una vez separada, es un cromosoma. Todas las células de un cuerpo son así genéticamente idénticas al óvulo del que descienden, salvo por las mutaciones que ha introducido la copia. La división que reduce a la mitad el número de cromosomas, la meiosis, corresponde al volumen del segundo año.

Método 18.10 (Lectura de un experimento sobre el ciclo celular)

  1. Mídase el ADN por célula (un colorante cuya fluorescencia sea proporcional al ADN, célula a célula): las células con qq están en G1_1, las que tienen 2q2q en G2_2 o en M, y las intermedias en S. Las fracciones dan las duraciones: la parte del ciclo que ocupa una fase es su parte de las células.
  2. Dese un pulso de nucleótido marcado (bromodesoxiuridina): solo lo captan las células en fase S; la fracción marcada es la fracción en S, y seguir la marca hasta la mitosis da la duración de G2_2.
  3. Cuéntense las figuras de mitosis en una sección teñida: el índice mitótico, la fracción de células en M, es la fracción del ciclo que ocupa la M: un 4 %4\,\% para un ciclo de 24 h24\,\mathrm{h} con una mitosis de una hora.
  4. Bloquéese un paso (un fármaco que despolimerice los microtúbulos detiene las células en metafase; otro que bloquee la síntesis de ADN las detiene en S) y cuéntese lo que se acumula.

Ejemplo 18.11 (Recambio)

El epitelio del intestino delgado se renueva cada cuatro días, la piel cada mes y los glóbulos rojos cada cuatro meses a partir de la médula ósea, que produce dos millones por segundo; una célula hepática se divide una vez al año aproximadamente, y una neurona nunca. Las células de un tumor han perdido los puntos de control: se dividen cuando no deberían, toleran cromosomas mal repartidos y acumulan las mutaciones que les permiten dividirse aún más deprisa. La quimioterapia aprovecha la diferencia: los fármacos que envenenan el huso o la polimerasa matan a las células que más se dividen.

18.5 Ejercicios

Ejercicio 18.1 ★

Explíquese por qué en una horquilla una hebra se copia de forma continua y la otra en fragmentos.

Solución

Solución de Ejercicio 18.1.

Las polimerasas solo añaden nucleótidos a un extremo 3′3', de modo que las hebras nuevas crecen de 5′→3′5' \to 3'; los dos moldes son antiparalelos, así que en una horquilla una hebra nueva puede crecer hacia la horquilla de forma continua mientras que la otra debe crecer alejándose de ella, y vuelve a empezar en fragmentos a medida que se expone más molde.

Ejercicio 18.2 ★

Enumérense las enzimas y las proteínas de una horquilla de replicación y la tarea de cada una.

Solución

Solución de Ejercicio 18.2.

Helicasa (desenrolla), proteínas de unión a hebra sencilla (mantienen separadas las hebras), topoisomerasa (libera la torsión por delante), primasa (cebadores de ARN), ADN polimerasa (alarga los cebadores y corrige), una segunda polimerasa (sustituye los cebadores) y ligasa (sella los fragmentos).

Ejercicio 18.4 ★

Ordénense las etapas de la mitosis y dese el suceso que define cada una.

Solución

Solución de Ejercicio 18.4.

Profase (condensación, se forma el huso), prometafase (se rompe la envoltura, se unen los cinetocoros), metafase (alineamiento en el ecuador), anafase (las cromátidas se separan), telofase (se rehacen las envolturas) y después citocinesis.

Ejercicio 18.5 ★★

Calcúlense el número de fragmentos de Okazaki que se forman al copiar el genoma humano (6.4×1096.4 \times 10^{9} pares, fragmentos de 150 150\,) y el número de cebadores, de retiradas de cebador y de ligaciones que ello implica.

Solución

Solución de Ejercicio 18.5.

La mitad del genoma es síntesis de hebra retardada: 6.4×109/150=4.3×1076.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7} fragmentos; y otros tantos cebadores, retiradas y ligaciones.

Ejercicio 18.6 ★★

Calcúlese la tasa de error por genoma humano y por replicación para una polimerasa sola (10−510^{-5}), con corrección de pruebas (10−710^{-7}) y con reparación de desapareamientos (10−910^{-9}). ¿Cuántas mutaciones da cada caso por división?

Solución

Solución de Ejercicio 18.6.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000; ×10−7\times 10^{-7}: 640; ×10−9\times 10^{-9}: unas 6 mutaciones por división.

Ejercicio 18.7 ★★

Una célula somática pierde 80 80\, nucleótidos de telómero por división y parte de 10 kb10\,\mathrm{kb}; deja de dividirse a 5 kb5\,\mathrm{kb}. ¿Cuántas divisiones puede hacer? ¿Por qué necesita telomerasa una célula cancerosa?

Solución

Solución de Ejercicio 18.7.

5000/80=625000/80 = 62 divisiones. Un tumor debe dividirse sin límite; sin telomerasa sus telómeros se agotarían y sus células se detendrían o morirían, de modo que casi todos los cánceres reactivan la enzima.

Ejercicio 18.8 ★★

Un tejido tiene el 5 %5\,\% de sus células en mitosis y el 30 %30\,\% en fase S; la mitosis dura una hora. Calcúlense la duración del ciclo y la de la fase S.

Solución

Solución de Ejercicio 18.8.

Ciclo =1 h/0.05=20 h= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h}; S =0.30×20=6 h= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}.

Ejercicio 18.9 ★★

Una célula tiene 2n =8= 8. Dense el número de cromosomas, el de cromátidas y el contenido de ADN (en qq) en G1_1, en G2_2, en metafase y en cada hija tras la telofase.

Solución

Solución de Ejercicio 18.9.

G1_1: 8 cromosomas, 8 cromátidas, qq. G2_2: 8, 16, 2q2q. Metafase: 8, 16, 2q2q. Hija: 8, 8, qq.

Ejercicio 18.10 ★★★

E. coli necesita 40 min40\,\mathrm{min} para replicar su cromosoma, pero se divide cada 20 min20\,\mathrm{min} en un medio rico. Explíquese cómo, y calcúlense cuántos orígenes y cuántas horquillas contiene una célula en el momento de dividirse.

Solución

Solución de Ejercicio 18.10.

Empiezan rondas nuevas en el origen cada 20 min20\,\mathrm{min}, antes de que termine la anterior: la replicación se solapa, y una célula recién nacida ya tiene ADN parcialmente replicado. Al dividirse, el cromosoma que termina su ronda se inició 40 min40\,\mathrm{min} antes, una segunda ronda iniciada 20 min20\,\mathrm{min} antes tiene las horquillas a mitad de camino y una tercera acaba de empezar: 4 orígenes y 6 horquillas en la célula que se divide.

Ejercicio 18.11 ★★★

La colchicina despolimeriza los microtúbulos. Predígase qué le ocurre a una célula en división tratada con ella, qué le ocurre a su número de cromosomas si después vuelve a entrar en interfase, y por qué se usa el fármaco para hacer cariotipos.

Solución

Solución de Ejercicio 18.11.

No se forma huso: los cromosomas se condensan pero no pueden alinearse ni separarse, y la célula se detiene en el punto de control del huso en un estado semejante a la metafase. Si se escabulle de vuelta a la interfase sin dividirse, queda con 4n cromosomas (tetraploide). Las células detenidas con cromosomas condensados y separados son exactamente lo que necesita un cariotipo: el fármaco se aplica para acumularlas.

Ejercicio 18.12 ★★★

“La mitosis es una copia del genoma seguida de un recuento.” Discútase en un párrafo: qué garantiza la replicación, qué garantiza el huso, los puntos de control entre ambos, y qué falla en una célula que reparte mal un cromosoma.

Solución

Solución de Ejercicio 18.12.

La replicación garantiza que cada cromosoma pase a ser dos cromátidas idénticas, con un error por cada mil millones; el huso garantiza que cada hija reciba una de cada par, uniendo cada cromosoma desde los dos polos y reteniendo la anafase hasta que todos están bajo tensión. El punto de control de G2_2 asegura que la copia haya terminado antes de que empiece el recuento; el punto de control del huso asegura que el recuento esté preparado antes de la separación. Una célula que reparte mal termina con un cromosoma de más o de menos (aneuploidía): una copia correcta hasta la letra, entregada en la dirección equivocada, lo que mata a casi todas esas células y caracteriza a casi todos los cánceres.

18.6 Problema: copiar un genoma humano

Problema 18.1

Problema de fin de semana — una fase S de ocho horas: horquillas cronometradas, orígenes contados, fragmentos y cebadores sumados, errores calculados y una bacteria comparada, hasta llegar al número mínimo de orígenes

Una célula humana replica 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases en una fase S de 8 h8\,\mathrm{h}. Una horquilla eucariota avanza a 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}; una bacteriana, a 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}. Los fragmentos de Okazaki son de 150 150\, nucleótidos en los eucariotas y de 1500 1500\, en las bacterias. Cada nucleótido añadido cuesta dos equivalentes de ATP (el precursor trifosfato). Tasas de error por base: 10−510^{-5} para la polimerasa sola, 10−710^{-7} con corrección de pruebas y 10−910^{-9} con reparación de desapareamientos.

Parte I — Horquillas y orígenes.

  1. ¿Cuántos pares de bases copia una horquilla en 8 h8\,\mathrm{h}?
  2. Un origen lanza dos horquillas. ¿Cuántos pares de bases copia un origen en 8 h8\,\mathrm{h}?
  3. Calcúlese el número mínimo de orígenes necesarios para copiar el genoma en 8 h8\,\mathrm{h} si todos se activan al principio.
  4. Calcúlese la separación media de esos orígenes a lo largo del ADN, en kilobases y en micrómetros.
  5. En realidad los orígenes se activan a lo largo de toda la fase S y se usan unos 40 00040\,000. Calcúlense la separación media y la distancia media que recorre realmente una horquilla.
  6. ¿Cuánto tardaría en copiarse el cromosoma mayor (250 Mb250\,\mathrm{Mb}) desde un único origen situado en su centro?
  7. Explíquese por qué lo que la evolución ajustó para acortar la fase S fue el número de orígenes y no la velocidad de las horquillas.

Parte II — Fragmentos y cebadores.

  1. Calcúlese el número de fragmentos de Okazaki formados en una fase S.
  2. Calcúlese el número de cebadores de ARN colocados, incluido uno por hebra conductora y por origen.
  3. Calcúlese el número de ligaciones necesarias.
  4. Calcúlense los nucleótidos polimerizados en total (las dos hebras de todo el genoma).
  5. Calcúlense los equivalentes de ATP gastados en la polimerización y el ritmo medio en ATP por segundo a lo largo de la fase S.
  6. Compárese con el recambio de ATP de una célula en reposo, de unos 10910^9 por segundo: ¿qué fracción de la energía de la célula va a la polimerización?

Parte III — Errores.

  1. Calcúlese el número de errores por fase S para cada una de las tres tasas de error.
  2. La secuencia codificante de un gen mide 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}. Con toda la maquinaria, ¿cuál es la probabilidad de que un gen dado adquiera una mutación en una división?
  3. Las células de una persona sufren unos 101610^{16} divisiones a lo largo de la vida. ¿Cuántas mutaciones en total, a 10−910^{-9}? ¿Por qué las tolera el cuerpo?
  4. Una mutación inutiliza la reparación de desapareamientos. ¿En qué factor sube la tasa de mutación, y qué le hace eso al riesgo de cáncer a lo largo de la vida?

Parte IV — La bacteria. E. coli: 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb}, un origen, dos horquillas.

  1. Calcúlese el tiempo de replicar el cromosoma.
  2. En un medio rico la célula se divide cada 20 min20\,\mathrm{min}. ¿Cuántas rondas de replicación transcurren a la vez, y cuántos orígenes lleva una célula recién nacida?
  3. Calcúlese el número de fragmentos de Okazaki por ronda y por segundo.
  4. Calcúlense los errores por ronda a 10−910^{-9} y la fracción de células hijas que llevan una mutación nueva.
  5. Un cultivo de 10910^9 células por mililitro se divide una vez. ¿Cuántas mutaciones nuevas aparecen en un mililitro, y cuántas alcanzan un gen dado de 1 kb1\,\mathrm{kb}?
  6. Explíquese por qué puede encontrarse resistencia a un antibiótico en casi cualquier cultivo grande de una cepa sensible.
  7. Compárense los dos organismos: pares de bases, orígenes, velocidad de horquilla, duración de la fase S y el diseño que permite copiar el genoma mayor en un tiempo comparable.
  8. Enúnciese el resultado: el número mínimo de orígenes para una fase S humana de 8 h8\,\mathrm{h}, y el número y la separación reales.
Solución

Solución de Problema 18.1.

1. 50×28 800=1.44×106 bp50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 2. 2.88×106 bp2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 3. 6.4×109/2.88×106=22206.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220 orígenes. 4. 2.9 Mb2.9\,\mathrm{Mb}, es decir, 2.9×106×0.34 nm=0.98 mm2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm} de ADN entre orígenes. 5. Separación de 6.4×109/40 000=160 kb6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb}; cada horquilla recorre unas 80 kb80\,\mathrm{kb}, media hora de trabajo. 6. 125 Mb125\,\mathrm{Mb} por horquilla a 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 2.5×1062.5 \times 10^{6} s, 29 días. 7. La velocidad de la horquilla la limitan la química y la cromatina (veinte veces más lenta que en las bacterias); los orígenes pueden multiplicarse sin límite, así que la fase S se acorta añadiendo puntos de partida, no acelerando las horquillas. 8. La síntesis retardada cubre la mitad del genoma, 3.2×1093.2 \times 10^{9} nucleótidos: 2.1×1072.1 \times 10^{7} fragmentos (las dos horquillas de cada origen tienen cada una su hebra retardada, y las mitades suman el equivalente de un genoma). 9. 2.1×107+2×40 000=2.1×1072.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7} cebadores. 10. Unas 2.1×1072.1 \times 10^{7} ligaciones (una por fragmento) más una por cada encuentro de horquillas. 11. 2×6.4×109=1.28×10102\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10} nucleótidos. 12. 2.56×10102.56 \times 10^{10} ATP; a lo largo de 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}, 8.9×1058.9 \times 10^{5} por segundo. 13. Alrededor del 0.1 %0.1\,\% del recambio de ATP de la célula: la polimerización es barata; lo caro es fabricar los nucleótidos y las histonas. 14. 64 00064\,000, 640 y 6,4 errores. 15. 1500×10−9=1.5×10−61500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}: un gen de cada setecientos mil por división. 16. 1016×6.4=6.4×101610^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16} mutaciones: todos los cambios individuales posibles del genoma muchas veces, repartidos entre 101310^{13} células; casi todos caen en ADN no codificante o en células que se desprenden, y una célula mutada es una entre miles de millones; solo unas pocas combinaciones dentro de una misma célula importan. 17. Cien veces (10−710^{-7}): la sucesión de mutaciones que produce un cáncer, que a 10−910^{-9} tarda décadas en acumularse, se acumula mucho antes; los defectos hereditarios de la reparación de desapareamientos causan cáncer de colon en la edad adulta temprana. 18. 2.3×1062.3 \times 10^{6} pares por horquilla a 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 2300 s2300\,\mathrm{s}, 38 min38\,\mathrm{min}. 19. Unas dos rondas solapadas; una célula recién nacida lleva dos orígenes (cada uno ya replicado una vez) y horquillas a mitad de camino: su cromosoma está parcialmente replicado al nacer. 20. 4.6×106/1500=30704.6 \times 10^{6}/1500 = 3070 fragmentos por ronda, unos 1,3 por segundo. 21. 4.6×106×10−9=4.6×10−34.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3} errores por ronda: alrededor de una hija de cada 200 lleva una mutación nueva. 22. 109×4.6×10−3=4.6×10610^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6} mutaciones nuevas por mililitro; un gen dado de 1 kb1\,\mathrm{kb} recibe 4.6×106×1000/4.6×106=10004.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000 impactos. 23. Con mil mutaciones independientes en cualquier gen dado por mililitro y por división, todos los cambios individuales posibles — incluidos los que confieren resistencia — ya están presentes en un cultivo grande antes de aplicar el antibiótico; el fármaco selecciona, no crea. 24. Ser humano: 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares, 40 00040\,000 orígenes, 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 8 h8\,\mathrm{h}. Bacteria: 4.6×1064.6 \times 10^{6} pares, un origen, 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 40 min40\,\mathrm{min}. Un genoma mil veces mayor, copiado por horquillas veinte veces más lentas, en solo doce veces el tiempo: la diferencia son las decenas de miles de orígenes trabajando en paralelo. 25. Unos 22002200 orígenes como mínimo, si todos se activaran a la vez; en realidad unos 40 00040\,000, uno cada 160 kb160\,\mathrm{kb}, que se activan en sucesión de modo que cada horquilla recorre unas 80 kb80\,\mathrm{kb}.

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