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10.2.5.1. Replicacion en procariotas

Replicación del ADN en procariotas

Iniciación

La replicación comienza en una secuencia de nucleótidos en el ADN llamada origen de la replicación, oriC o punto de iniciación, que actúa como señal de iniciación. Esta secuencia es distinta según la especie, pero tiene abundante timina (T) y adenina (A). La T y A están unidas por dos puentes de hidrógeno, en lugar de tres, como la C y la G, por lo que estos enlaces serán más débiles y fáciles de romper.

En la iniciación de la replicación intervienen las siguientes proteínas:


  • Topoisomerasas. El desenrollamiento de la doble hélice da lugar a tensiones entre las dos cadenas, y las topoisomerasas se encargan de hacer cortes en las cadenas para liberar las tensiones de superenrollamientos. Cortan una (las topoisomerasas I) o las dos cadenas (las topoisomerasas II o girasa) de ADN, y cuando ya no existen esas tensiones, las ligasas las empalman nuevamente.


  • Proteínas SSB (del inglés, Single Strand Binding-DNA). Son las proteínas estabilizadoras que se unen a cada cadena de ADN separada por la helicasa para que no vuelvan a unirse. Así, permiten el paso correcto de la ADN polimerasa, impidiendo que se unan las cadenas complementarias antes de que se añadan los nucleótidos de la nueva cadena que se está formando.

Una helicasa actúa en cada sentido, por lo que este proceso es bidireccional. Las dos horquillas de replicación que se han creado forman las burbujas u ojos de replicación.

Como la ADN-polimerasa necesita tener un cebador al que poder añadir los nucleótidos, tienen que intervenir primero una ARN-polimerasa que sintetice un pequeño fragmento de unos diez nucleótidos de ARN que sirva como cebador. A esta ARN-polimerasa se le llama primasa, y al fragmento de ARN que sirve como cebador, prímer.

Replicación del ADN

By LadyofHats translated by Miguelsierra (translate it myself) [Public domain], via Wikimedia Commons

Elongación (formación de nuevas hebras)

Las ADN polimerasas serán las encargadas de iniciar la síntesis de las cadenas hijas complementarias.

En cada horquilla de replicación, la cadena adelantada y la retardada crecen de distinta forma:

Síntesis de la cadena adelantada o conductora o líder

Esta cadena es complementaria a la cadena 3'→5'. Después de que la ARN polimerasa ha sintetizado el prímer, ARN cebador, la ADN-polimerasa III, comienza a sintetizar la nueva cadena en dirección 5'→3'. La energía que se necesita para este proceso la aportan los nucleótidos, que pierden uno de sus grupos fosfato.

Esta nueva cadena es de crecimiento continuo, ya que la helicasa no se detiene, y en la misma dirección que el desenrollado de la doble hélice.

Síntesis de la cadena retardada o rezagada

En la otra cadena complementaria, la ADN polimerasa debería leer la cadena en sentido 5'→3', añadiendo nucleótidos a la nueva cadena en sentido 3´→5´, lo que no es posible.

Esta nueva cadena es de crecimiento discontinuo, a partir de fragmentos de ADN separados. Se llama cadena o hebra retardada porque su síntesis es más lenta que la de la cadena conductora.

Las síntesis de esta cadena comienza cuando la ARN primasa sintetiza unos 40 nucleótidos de ARN, el ARN cebador, en un punto que dista unos 1000 nucleótidos de la señal de iniciación.

La ADN-polimerasa III une, en sentido 5'→3', unos 1000 ó 2000 nucleótidos de ADN, formando un fragmento de Okazaki. Este proceso se va repitiendo según se van separando las dos cadenas que sirven como molde.

Hebra retardada: síntesis de cebadores, unión de fragmentos de Okazaki y eliminación de los cebadores.

By César Benito Jiménez [CC BY-SA 2.5 es or CC BY-SA 2.5 es], via Wikimedia Commons

Después, la ADN-polimerasa I, por su función exonucleasa, elimina los ARN cebadores, y más tarde, por su función polimerasa, rellena los huecos que ocupaban los ribonucleótidos con nucleótidos de ADN.

Por último, la ADN-ligasa, une con un enlace fosfodiéster los diferentes fragmentos de Okazaki.

Las cadenas de ADN que sirven de molde también se llaman ADN parental.

Función exonucleasa de la ADN-polimerasa

By César Benito Jiménez [CC BY-SA 2.5 es or CC BY-SA 2.5 es], via Wikimedia Commons

Humor biológico

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Terminación

La elongación continúa hasta que el ADN está totalmente replicado. Como el crecimiento de las cadenas es bidireccional, una de las nuevas hebras se ha sintetizado de forma continua y la otra de forma discontinúa, mediante los fragmentos de Okazaki. Las dos horquillas de replicación se unirán en un lugar diametralmente opuesto al origen de la replicación del cromosoma bacteriano.

La ADN polimerasa I eliminará el último cebador, y los fragmentos serán unidos por la ADN ligasa. Así, se obtienen dos cadenas de ADN, sin ARN, e idénticas a las moléculas de ADN parental.

Animación: Replicación del ADN.

Animación: Replicación del ADN.

Animación: El proceso de replicación.

Enzimas que intervienen en la replicación del ADN

Relaciona los siguientes enzimas con la función que desarrollan.

Basado en Comunidad Valenciana, Julio de 2019, opción B, bloque 3, cuestión 6

. Unen fragmentos adyacentes de DNA con enlaces éster

. Separan las dos hebras de DNA en el origen de la replicación

. Sintetizan el RNA cebador

. Desenrollan el DNA para eliminar tensiones

. Añaden nucleótidos complementarios de la cadena molde al extremo 3’

. Estabilizan el DNA monocatenario durante la replicación

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Preguntas que han salido en exámenes de acceso a la Universidad (Selectividad, EBAU, EvAU)

Aragón. Septiembre de 2014, opción B, cuestión 5. Septiembre de 2005, opción B. Cuestión 3

Observe el esquema que simplifica un importante proceso y conteste a las siguientes cuestiones: (2 puntos)

a) ¿Qué proceso representa?

b) ¿A qué corresponde lo indicado por cada uno de los números 1, 2, 3, 4 y 5.

c) Explique de forma esquemática lo que está ocurriendo

d) ¿Qué papel desempeñan las moléculas indicadas con el número 4?

Aragón. Junio de 2014, opción A. Tema de desarrollo corto: Duplicación del ADN. (3 puntos)

a) Hipótesis sobre la duplicación del ADN. (1 punto)

b) Duplicación del ADN en células procariotas. (1,5 puntos)

c) Finalidad y significado de este proceso. (0,5 puntos)

Aragón. Junio de 2013, opción A.

Tema de desarrollo corto. La duplicación o replicación del ADN: (3 puntos)

a) Definición general del proceso e importancia biológica.

b) Explicar el proceso en procariotas.

c) Realizar un esquema, señalando las estructuras más importantes.

Aragón. Septiembre de 2002, opción A. Cuestión 4. - (2 puntos).

La DNA (ADN) polimerasa no es capaz de iniciar una cadena de DNA (ADN). Explique cómo se resuelve el problema. ¿Qué son los fragmentos de Okazaki?

Madrid, Septiembre de 2017, opción A, cuestión 1.

Respecto a los ácidos nucleicos y los mecanismos de expresión génica:

c) Si debido a una mutación, una célula no tuviera actividad ARN polimerasa, ¿qué proceso no se produciría y por qué? (0,5 puntos).

Andalucía, Junio de 2019, opción B, cuestión 2.

Indique el significado de las siguientes afirmaciones:

a) las dos hebras de una molécula de ADN son antiparalelas [0,4];

b) la replicación del ADN es semiconservativa [0,6];

c) la replicación del ADN es bidireccional [0.6];

d) una de las cadenas del ADN se replica mediante fragmentos de Okazaki [0,4]

Canarias, Julio de 2019, opción A, cuestión 7.

La figura adjunta representa la síntesis de una importante macromolécula relacionada con la información genética.

a. ¿De qué macromolécula se trata?

b. ¿Cómo se denomina este proceso?

c. Identifica las estructuras señaladas con los números del 1 al 4.

Extremadura, Junio de 2019, opción A, cuestión 3

Describe la replicación (autoduplicación) del ADN en procariotas.

Extremadura, Julio de 2019, opción B, cuestión 5, apartado B

Enumera las enzimas implicadas en esta etapa y la función que cada una de ellas lleva a cabo en una célula procariota. (1 punto)

Castilla La Mancha, Junio de 2021, pregunta 3.1. Castilla y León, Junio de 2023, pregunta 9

3.1. Observe el esquema que representa la replicación del ADN. Conteste a las siguientes cuestiones:

a. Identifique todas las moléculas y estructuras señaladas con los números del 1 al 6.

b. Indique por qué este proceso es continuo en una de las cadenas y discontinuo en la otra.

c. Describa la función de las moléculas señalada con el número 1, 5 y 6. ¿Qué papel desempeña el fragmento señalado con el número 3?

d. ¿Qué significa que este proceso es semiconservativo?

Cantabria, Junio de 2022, pregunta 13

Describa mediante un dibujo/esquema claro, el mecanismo de replicación del DNA en la célula. Establezca las diferentes etapas del proceso e indique las moléculas implicadas en cada una de ellas. ¿Por qué una de las hebras se sintetiza de forma retardada?

Asturias, Julio de 2022, pregunta 5

Margarita Salas descubrió en el fago phi29 una polimerasa capaz de amplificar el ADN. Esa polimerasa se patentó, se emplea actualmente en muchos laboratorios de todo el mundo para amplificar ADN de forma rápida y sencilla, siendo la patente más rentable de la historia de la ciencia española. La imagen corresponde a un proceso específico del ADN.

a. Indica qué representa la imagen y qué señalan cada una de las letras A, B y C. (Calificación máxima 0,5 puntos)

b. Indica la polaridad de la hebra molde superior (donde está la letra C) y de la hebra molde inferior. Justifica tu respuesta. (Calificación máxima 0,5 puntos)

c. La velocidad de replicación, ¿es la misma en las dos hebras (superior e inferior) o es diferente? Justifica tu respuesta. (Calificación máxima 0,5 puntos)

d. Indica las funciones que tienen cada una de las siguientes enzimas en el proceso representado: helicasa, ARN-primasa, ADN-ligasa. (Calificación máxima 0,5 puntos)

Murcia, Junio de 2023, pregunta 4.1.

En relación con la replicación del ADN, explique de forma concisa:

A) En qué consiste y por qué es necesaria (0,4 puntos).
B) Qué es un cebador, su papel en el proceso y la enzima que lo sintetiza (0,6 puntos).

Murcia, Julio de 2023, pregunta 4.1.

Estudie el esquema y responda:

A) ¿Qué representa concretamente el esquema y a qué proceso corresponde? (0,2 puntos).
B) ¿Para qué es necesario dicho proceso? (0,2 puntos).
C) Indique lo que representan los números 1, 2 y 5 en el esquema (0,6 puntos).

Canarias, Julio de 2023, pregunta 13.

La reacción en cadena de la polimerasa (en inglés, polymerase chain reaction o PCR) es una técnica ampliamente extendida y generalmente indispensable en laboratorios de investigación tanto biológica, médica como forense. La figura adjunta representa la síntesis de una importante macromolécula relacionada con la información genética.

a. Identifica el tipo de macromolécula que está sometida al proceso esquematizado en la figura adjunta.
b. Indica el nombre de dicho proceso.
c. Identifica las estructuras señaladas con los números del 1 al 4
d. Indica cuál es el motivo por el cual la síntesis es continua en una cadena y discontinua en la otra.

Castilla y León, Junio de 2024, pregunta 4

a) Explique el papel de la ARN primasa en el mecanismo de replicación del ADN. (0,4)
b) Describa dos diferencias entre la cadena líder y la cadena retardada durante la replicación del ADN. ¿Cómo se llaman los fragmentos que se sintetizan de manera independiente en la cadena rezagada? (0,8)
c) Explique qué significa que el código genético sea degenerado y universal. (0,8)

Galicia, Julio de 2024, pregunta 4

4.1. A) ¿Qué representa la figura 5?

B) Copie el dibujo en el examen y complételo con las nuevas cadenas formadas, indicando: extremos 5’ e 3’ de cada una de ellas, dirección de síntesis, origen, cadenas conductoras, cadenas retardadas, cebadores y fragmentos de Okazaki.

4.2. Explique, brevemente, cuál es el papel de las mutaciones como fuente de variabilidad para la evolución.

Actividad basada en Comunidad Valenciana, Julio de 2021, pregunta 6.2.

a) Explica la diferencia entre la cromatina interfásica y el cromosoma metafásico (2 puntos).
b) Relaciona los términos que se presentan en la siguiente tabla con sus funciones (3 puntos):

Cataliza la síntesis de DNA en sentido 5’→3’
Une los fragmentos de Okazaki
Sintetiza los cebadores de RNA
Elimina los cebadores de RNA y sintetiza el fragmento de DNA que se corresponde con el eliminado
Elimina tensiones de superenrollamiento a medida que la horquilla de replicación avanza
Rompe los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas para abrir la doble hélice

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Cuestión de reflexión

Asturias, Julio de 2024, pregunta 4

La figura representa un proceso que ocurre en las células

a. ¿Cómo se denomina el proceso representado? ¿A qué corresponde la línea discontinua de color amarillo en el centro del esquema? (Calificación 0.5 puntos)
b. ¿En qué fase o fases del ciclo celular se produce este proceso? Justifica tu respuesta (Calificación 0.5 puntos)
c. ¿A qué corresponden los fragmentos de color verde en los extremos de las flechas y cuál es su función? (Calificación 0.5 puntos)
d. Indica cómo denomina cada una de las mitades separadas por la línea discontinua amarilla y explica por qué el proceso es diferente en la parte superior e inferior en cada una de esas mitades. (Calificación 0.5 puntos)

Ideas fundamentales sobre la replicación del ADN en procariotas

Replicación del ADN en procariotas

  • Iniciación.
    • Comienza en la secuenia de ADN llamada origen de la replicación.
    • Enzimas que intervienen:
      • Helicasas.
      • Topoisomerasas.
      • Proteínas estabilizadoras SSB.
    • Replicación bidireccional. Se forman horquillas de replicación.
    • La ARN-polimerasa (primasa) sintetiza unos 10 nucleótidos de ARN que sirven como cebador (prímer). 
  • Elongación (formación de nuevas hebras).
    • Síntesis de la cadena adelantada o conductora.
      • Es complementaria a la cadena 3'→5'. 
      • La ADN-polimerasa III, comienza a sintetizar la nueva cadena en dirección 5'→3', después de que la ARN polimerasa haya sintetizado el prímer, ARN cebador.
      • Crecimiento continuo.
    • Síntesis de la cadena retardada.
      • Crecimiento discontinuo, más lento que la cadena conductora.
      • La ARN primasa sintetiza ARN cebador, y la ADN polimesa III añade nucleótidos en sentido 5'→3' formando un fragmento de Okazaki.
      • La ADN polimerasa I elimina los ARN cebadores y completa los huecos con nucleótidos de ADN.
      • La ADN ligasa une con un enlace fosfodiéster los diferentes fragmentos de Okazaki.
  • Terminación.
    • La ARN polimerasa I elimina el último cebador y los fragmentos son unidos por la ADN ligasa.

Andalucia, Junio de 2024, pregunta C4

Con relación a la imagen adjunta:

a) Indique el proceso que representa [0,1].

b) Nombre los elementos A, B, C, D y E [0,5].

c) ¿Qué tipo de molécula son A, B, C y D? [0,4]

El proceso representado es la . 

El nombre de los elementos es:

  • A: .
  • B: .
  • C: .
  • D: .
  • E:

Los tipos de moléculas son:

  • A: .
  • B: .
  • C: .
  • D: .

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Repasando la replicación del ADN en procariotas

Pregunta

¿Cuál es la función de las helicasas en la iniciación de la replicación del ADN?

Respuestas

Sintetizar cebadores de ARN.

Desenrollar la doble hélice y romper puentes de hidrógeno.

Unir fragmentos de Okazaki.

Eliminar cebadores de ARN.

Retroalimentación

Pregunta

¿Qué enlaces se rompen durante la acción de las helicasas en la iniciación de la replicación?

Respuestas

Enlaces de fosfato.

Enlaces covalentes.

Enlaces de hidrógeno.

Enlaces iónicos.

Retroalimentación

Pregunta

¿Qué función desempeñan las topoisomerasas durante la replicación del ADN?

Respuestas

Sintetizar cebadores de ARN.

Desenrollar la doble hélice.

Hacer cortes en las cadenas para liberar tensiones.

Unir fragmentos de Okazaki.

Retroalimentación

Pregunta

¿Qué tipo de cadena se forma durante la síntesis de la cadena adelantada?

Respuestas

Cadena continua.

Cadena discontinua.

Cadena de ARN.

Cadena de proteínas.

Retroalimentación

Pregunta

¿Cuál es la función de la primasa durante la replicación del ADN?

Respuestas

Hacer cortes en las cadenas.

Sintetizar cebadores de ARN.

Unir fragmentos de Okazaki.

Eliminar cebadores de ARN.

Retroalimentación

Pregunta

¿Cómo se denomina el fragmento de ARN que sirve como cebador en la cadena retardada?

Respuestas

Prímer.

Okazaki.

Primasa.

Ligasa.

Retroalimentación

Pregunta

¿En qué dirección sintetiza la ADN-polimerasa III la nueva cadena durante la síntesis de la cadena adelantada?

Respuestas

3'→5'.

5'→3'.

Retroalimentación

Pregunta

¿Cuál es la función de la ADN-polimerasa I durante la replicación?

Respuestas

Sintetizar cebadores de ARN.

Eliminar cebadores de ARN.

Hacer cortes en las cadenas.

Unir fragmentos de Okazaki.

Retroalimentación

Pregunta

¿Cómo se unen los fragmentos de Okazaki al final de la replicación?

Respuestas

Por enlaces covalentes.

Por enlaces iónicos.

Por enlaces fosfodiéster.

Por enlaces de hidrógeno.

Retroalimentación

Pregunta

¿Cuál es el papel de las proteínas SSB en la replicación del ADN?

Respuestas

Sintetizar nuevos fragmentos de ARN.

Romper los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias.

Estabilizar las cadenas de ADN separadas por la helicasa.

Eliminar los cebadores de ARN.

Retroalimentación

Pregunta

¿Qué enzima une los diferentes fragmentos de Okazaki en la replicación del ADN?

Respuestas

Helicasa.

Primasa.

Ligasa.

ADN polimerasa I.

Retroalimentación

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