FUNCIÓN AUTOCATALÍTICA DEL DNA
La función
autocatalítica asi se denomina no porque el DNA ejerza autocatálisis, la
denominación por el contrario, tiene cierto valor heurístico y se refiere a la
función que el DNA ejerce sobre sí mismo, naturalmente mediada por enzimas
celulares específicadas por el DNA mismo. Un entendimiento de la función
autocatalítica del DNA empieza a emerger con gran magnificiencia.
Las
funciones autocatáliticas son:
- Replicación
- Reparación
- Recombinación
- Recombinación
transposicional
De manera independiente a que una
célula tenga un solo cromosoma (como las células procarióticas) o que tenga
varios cromosomas (como las células de organismos eucarióticos), el genoma
completo debe ser replicado con precisión una vez en cada ciclo celular.
Las células
efectúan y regulan actos individuales de replicación con una unidad de DNA
llamada el replicón. Cada replicón tiene un origen y una terminación; en
células eucarióticas el replicón "se dispara" una vez en cada ciclo y
en células procarióticas puede disparase más de una vez entre división y
división. El evento de replicación se regula en la iniciación y la reacción
tiene procesividad total, es decir, una vez que la replicación se ha iniciado
continúa hasta que todo el replicón se ha replicado a nivel de replicón, y
hasta que todo el genoma se haya replicado a nivel celular.
Las reglas simples
que sirven para entender los eventos que ocurren en la replicación son las
siguientes:
- La
replicación del DNA comienza en una secuencia única de nucleótidos llamada
origen de la replicación (Figura 1). Los cromosomas circulares de células
procarióticas tienen por lo general un solo origen de replicación, es
decir que estas moléculas contienen sólo un replicón, mientras que los
cromosomas lineares de células eucarióticas deben tener muchos orígenes de
replicación separados entre sí por 30 a 100 kb (un kb es igual a 1000
pares de nucleótidos en DNA de dos bandas) de DNA.
- Cada
nueva banda de DNA se inicia con la síntesis de un primer (o cebador) de
RNA (es decir, lo primero que se forma es un hibrido DNA-RNA). Estos
primers son eliminados más tarde durante la replicación y son reemplazados
con DNA por una enzima particular.
- Los
nucleótidos se añaden uno por uno al extremo 3' de cada cadena
nucleotídica. La dirección resultante 5' - 3' de crecimiento de la banda
(Figura 2), es la misma para el DNA y para la síntesis del RNA y para casi
todas las reacciones que involucran a los ácidos nucleicos bien sea en
síntesis o en degradación.
- En cada
orquilla de replicación (Figura 2) se sintetizan dos bandas nuevas de DNA.
La banda lider que se sintetiza continuamente y la banda retardada cuya
síntesis es discontinua, pues se sintetiza en forma de segmentos cortos,
cada uno iniciado por un primer; más tarde los primers son eliminados y
los segmentos cortos se unen para producir una molécula continua. Los
segmentos cortos se llaman fragmentos de Okazaki, porque fueron
descubiertos por Reiji Okazaki. La banda líder se sintetiza en la misma
orientación en que se mueve la orquilla de replicación, mientras que la
banda retardada se sintetiza en la dirección opuesta.
- La
replicación es bidireccional (Figura 2), es decir que la orquilla de
replicación se mueve en las dos direcciones a partir del origen. Se forman
dos orquillas de replicación y la replicación continúa hasta que orquillas
adyacentes encuentran una secuencia de teminación o alternamente se
"fusionan" y se completa la replicación de cada banda.
- La
replicación es semiconservadora cada dúplex replicado de novo
está constituído por una banda parental y una banda nueva, de lo que
resulta la conservación de la estructura primaria de las bandas parentales
individuales, aunque la estructura del dúplex parental no se conserva.
REPARACIÓN
El
DNA celular está constantemente expuesto a agentes medioambientales que le
causan daño (los agentes físicos tales como la radiación y los agentes químicos
del medio ambiente y los radicales libres, altamente reactivos producidos en el
metabolismo corporal). Se reconoce también el daño de origen espontáneo (para
distinguirlo del daño de origen medioambiental), pero los cambios químicos en
el DNA que ocurren espontáneamente son indistinguibles de los cambios químicos
en el DNA que ocurren por mediación de agentes medioambientales conocidos.
Espontáneo puede indicar que no se conoce el agente medioambiental responsable
del daño. Se estima que cada célula humana pierde diariamente más de 10000
bases por deterioro espontáneo del DNA a temperatura corporal. Las células
replican su DNA con una cierta probabilidad de error.
Se define daño al DNA como cualquier cambio que introduce una desviación
de la estructura ortodoxa de la doble hélice. En esta categoría se incluyen:
- La introducción de rompimientos de una banda, es decir,
rompimientos de enlaces fosfodiester.
- La eliminación de una base, lo cual deja a la base complementaria
sin con que formar puentes de Hidrógeno.
- La modificación de las propiedades químicas de las bases por medio
de la adición covalente de grupos reactivos, por ejemplo.
- La conversión de una base en otra, lo que produce una región donde
ocurre un mal apareamiento.
- La introducción de enlaces covalentes entre bases de la misma banda
del DNA. Los dímeros de pirimidina resultan de la introducción de enlaces
covalentes entre bases adyacentes de la misma banda del DNA, por radiación
Ultravioleta y representan las distorsiones estructurales mejor entendidas
y probablemente las más comunes.
- La introducción de entrecruzamientos (crosslinks en inglés)
producidos por la introducción de enlaces covalentes entre bases de bandas
opuestas del DNA.
Los daños mencionados hasta ahora deben considerarse como daños directos
a la estructura del DNA. También ocurren daños indirectos, en los que se
perturba el proceso de la replicación y otras fisiologías normales del DNA, es
decir se perturba la propia actividad autocatalítica y la actividad
heterocatalítica.
La fuente principal del daño durante el metabolismo normal del DNA es,
probablemente, el mal pareamiento de las bases durante la replicación del DNA.
La diferencia en energía libre para el pareamiento de un par de bases
complementarias con respecto al pareamiento de un par de bases no
complementarias es tan solo de 2-3kcal/mol (el equivalente de un puente de
Hidrógeno), lo cual quiere decir que en ausencia de otros factores celulares la
frecuencia potencial de error es muy grande y varía entre 1 y 10% por
nucleótido). La maquinaria replicadora debe ejercitar varias actividades de
edición y de corrección conduciendo al hecho de que In Vivo, la frecuencia de
error es del orden de 10-11 por nucleótido. Alteraciones en la secuencia de
nucleótidos durante diferentes formas de rearreglos del DNA, incluyendo la
recombinación homóloga y la no homóloga, pueden generar errores y pueden ser
una fuente de daño al DNA, aunque los mecanismos son pobremente entendidos.
Las células vivas presentan el siguiente espectro de respuestas al daño
causado en el DNA:
- REPARACION DEL DAÑO.
- Excisión del daño.
- Reparación por excisión de nucleótidos. Excisión mediada por
endonucleasas específicas para el DNA dañado. La reacción se llama la
Exinucleasa.
- Reparación por excisión de bases. Excisión mediada por DNA
glicosilasas con o sin endonucleasas AP.
- Reparación por excisión de malos apareamientos. Malos
apareamientos se producen durante la replicación y durante otras
funciones autocatalíticas.
- Inversión del daño.
- Fotorreactivación enzimática.
- Reparación de O6-Metil Guanina.
- Inserción de Purinas.
- Unión de enlaces fosfodiéster rotos.
- TOLERANCIA AL DAÑO.
- Se sobrepasa el daño durante la replicación, con formación de una
discontinuidad en el DNA.
- Síntesis de DNA trans-lesión
La complementariedad de las dos cadenas del DNA implica que cada
molécula dúplex de DNA tiene dos conjuntos completos de información genética,
aunque están escritos en notación complementaria. La naturaleza utiliza la
redundancia de las dos cadenas, para aumentar en gran medida la estabilidad del
DNA como molécula química y como portadora de información. El principio de
detección y corrección de error, basado en componentes redundantes, es bien
conocido por diseñadores de máquinas complejas (por ejemplo computadoras y
vehiculos espaciales), en las cuales la economía en la construcción no es tan
importante como la confiabilidad en la operación.
Los pasos básicos de la reparación por excisión son simples y directos:
se reconoce el daño, se rompe un enlace fosfodiéster adyacente al daño, se
escinde la porción dañada junto con unos pocos nucleótidos vecinos y la parte
escindida se resintetiza utilizando la banda complementaria (intacta) como
molde y luego se lleva a cabo la reacción de la enzima ligasa.
RECOMBINACIÓN
Antes de la reproducción los
organismos frecuentemente "barajan" su información genética; los
cromosomas "intercambian" partes por medio de un proceso de
recombinación que se está empezando a entender a nivel químico.
La
recombinación es ubicua y esto para el pensamiento Darwinista significa valor
adaptativo, y valor adaptativo, para el estudioso de la biología, significa
importancia. La recombinación es importante. Además, la recombinación es útil y
ésto la hace importante para todo el mundo. Además de ser adaptativa,
importante y útil, la recombinación es un reto intelectual bien definido desde
principios de este siglo; si aun no se ha resuelto completamente se debe a que
la recombinación es un problema químico que se ha estudiado por métodos
genéticos, sin la posibilidad real de establecer un enfoque químico. Además, durante
muchos años, los practicantes de la genética de microorganismos
"confundían" recombinación con los procesos de transferencia de genes
de un organismo a otro. Hoy en día la recombinación se define como la
segregación de series de nucleotidos a lo largo de una molécula de ácido
nucleico (lo cual produce deleciones, duplicaciones, inversiones,
translocaciones), o de dos moléculas de ácido nucleico (lo cual produce
recombinantes, en el sentido ortodoxo).
La
recombinación ha sido estudiada principalmente en bacteriófagos y en hongos
microscópicos. Los hongos se utilizan con mucha frecuencia en estudios de
recombinación, porque estos organismos permiten la recuperación y el análisis
de todos los productos de eventos individuales de recombinación meiótica.
La
recombinación se puede discriminar en recombinación homóloga (el intercambio
ocurre mediado por homología, entendida como identidad o casi identidad entre
las secuencias a lo largo de las cuales ocurre la segregación de nucleótidos),
y recombinación no-homóloga, es decir recombinación que ocurre entre secuencias
de DNA que no son idénticas entre sí, y que pueden ser completamente diferentes
en secuencia. En la recombinación homóloga se observa por una parte la
conservación neta de material genético y por otra parte que los cromosomas
recombinantes se producen en pares recíprocos.
La
fenomenología de la recombinación puede ser entendida en forma simple; la
recombinación resulta en la formación, en una célula diploide, de un cromosoma
"nuevo" que deriva partes de su longitud tanto de un padre como del
otro (Fígura 4). El intercambio puede ocurrir en cualquiera de muchos puntos
(de hecho, excepto por unos pocos sitios calientes o sitios fríos que se han
descrito en la literatura, se considera que la recombinación homóloga ocurre al
azar, pero ésto es un aspecto de la recombinación que permanece sin prueba) sin
embargo, se considera que ocurre en solo unos pocos puntos en cada meiosis.
Fígura 4. Recombinación Homologa.
Se puede
pensar formalmente en tres mecanismos que explican la fenomenología de la
recombinación:
- Rompimiento
y reunión
- Copia
- Una
mezcla de los dos anteriores.
El problema
es que ninguna de las tres posibilidades formales, para pensar acerca de la
recombinación, explica el fenómeno de conversión génica. La conversión génica
es la transferencia no recíproca de información de un DNA dúplex a otro con
resultados diferentes del entrecruzamiento.
En 1964, Robin Holliday propuso el modelo que se conoce como modelo de Holliday
o modelo del heterodúplex (Fígura 5).
Figura 5. Modelo de Holliday.
El modelo
de Holliday predice que un intermediario en la recombinación es un heterodúplex
(es decir una región de DNA de dos bandas en la cual cada banda tiene orígenes
diferentes) y en caso de diferir los dos DNA, el uno del otro por, por ejemplo
en una base (la mayor parte del heteroduplex es en tal caso una doble hélice
perfecta), el heterodúplex presentará un sólo sitio representado por un solo
nucleótido de mal apareamiento.
La
importancia de la recombinación puede resultar del hecho de que la identidad de
los cromosomas homólogos no es completa. Las diferencias entre cromosomas
homólogos se deben principalmente a mutaciones, que se han acumulado a lo largo
de la historia de la especie. Parte o aún todo un gene puede estar ausente de
uno de los cromosomas o puede estar interrumpido por una secuencia extraña de
DNA. La recombinación significa que en una célula germinal un cromosoma puede
llevar cualquier combinación de las mutaciones portadas por los dos cromosomas
parentales, no simplemente el uno o el otro. Por vía de la recombinación es
posible producir un número enorme de combinaciones, es decir la recombinación
aumenta enormemente el número de gametos diferentes que un organismo produce.
RECOMBINACIÓN TRANSPOSICIONAL.
Está
mediada por vectores llamados elementos transponibles o transposones. Los
transposones son secuencias de DNA que se pueden mover de una localización
genética a otra y han sido estudiados intensamente en bacterias, pero se han
encontrado en muchos organismos eucarióticos, incluyendo el organismo humano.
Fueron conjeturados gracias a trabajos en genética de maíz hechos por Barbara
McClintock en las décadas de los 40 y 50, y por los que ella obtuvo tardíamente
el premio Nobel en 1982.
- La transposición
es efectuada por recombinación replicadora. El transposón no abandona su
sitio durante el curso de la transposición, sino que como consecuencia de
todos los eventos de transposición se puede detectar una copia del
transposón en el sitio original y una copia en el nuevo sitio. La
transposición es acompañada por aumento en el número de copias del
transposón. La transposición incluye entonces dos conjuntos de reacciones,
que pueden en principio ocurrir en cualquier orden; la primera reacción es
la replicación del transposón, sin replicación de secuencias cromosómicas
adyacentes, y la segunda incluye el rompimiento de la secuencia blanco
para generar un sitio de inserción del transposón. (Figura 6).
Figura. Mecanismo de Transposición.
- Las
secuencias de inserción (IS) son transposones básicos y constituyentes
normales de cromosomas bacterianos y de plásmidos. Cada elemento IS posee
repeticiones terminales invertidas cortas (frecuentemente entre 15 y 25
pb), estrechamente relacionadas pero no idénticas, y están rodeadas por
repeticiones directas (en la misma orientación) muy cortas, de DNA
cromosómico. En la mayor parte de los transposones, para cada evento
individual de transposición, estas secuencias son de diferente secuencia
pero de la misma longitud. La mayor parte de los transposones tienen
módulos IS y otros marcadores y secuencias que pueden especificar
funciones importantes en la transposición.
- Se
conocen cuatro clases de transposones. Los transposones eucarióticos han
mostrado una amplia variedad de estructuras y características, pero pueden
subdividirse en cuatro tipos con base en propiedades estructurales que muy
probablemente reflejan su modo de transposición. Representantes de cada
tipo han sido descritos en rangos amplios de organismos eucarióticos, lo
que sugiere una distribución universal en la biología, o son universales
por transferencia promiscua de una especie a otra o por su aparición
temprana en las primeras células o por improbables eventos independientes
de aparición.
- Los
elementos transponibles con repeticiones terminales directas largas o
Retroposones, son elementos con una estructura que se puede correlacionar
con un modo de transposición que incluye un intermediario de RNA.
- Los
elementos transponibles con repeticiones terminales invertidas largas: la
estructura de repeticiones invertidas se origina de la reiteración de una
secuencia corta.
- Los
elementos transponibles con repeticiones terminales invertidas cortas.
- Los
elementos transponibles con una estructura que sugiere que se originaron
por transcripción inversa de RNA celulares poliadenilados y que incluyen
varios transposones de plantas y otros organismos.
