resumen

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:

1. Replicación  
2. Reparación
3. Recombinación
4. Recombinación transposicional

REPLICACIÓN

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:

1. 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.  

2.  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.

3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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:

1. REPARACION DEL DAÑO.
1. Excisión del daño.
1. Reparación por excisión de nucleótidos. Excisión mediada por endonucleasas específicas para el DNA dañado. La reacción se llama la Exinucleasa.
2. Reparación por excisión de bases. Excisión mediada por DNA glicosilasas con o sin endonucleasas AP.
3. Reparación por excisión de malos apareamientos. Malos apareamientos se producen durante la replicación y durante otras funciones autocatalíticas.
2. Inversión del daño.
1. Fotorreactivación enzimática.
2. Reparación de O⁶-Metil Guanina.
3. Inserción de Purinas.
4. Unión de enlaces fosfodiéster rotos.
2. TOLERANCIA AL DAÑO.
1. Se sobrepasa el daño durante la replicación, con formación de una discontinuidad en el DNA.
2. 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:

1. Rompimiento y reunión
2. Copia
3. 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.

1. 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.

2. 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.
3. 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.
1. 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.
2. Los elementos transponibles con repeticiones terminales invertidas largas: la estructura de repeticiones invertidas se origina de la reiteración de una secuencia corta.
3. Los elementos transponibles con repeticiones terminales invertidas cortas.
4. 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.