Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Asignatura: Biología I, Profesor: Julita Oliveras, Carrera: Biotecnologia, Universidad: UVic
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
1 / 35
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
Biologia UD3. Replicació del DNA 2
No es pot copiar sense permís de l’autor/a.
Drets reservats 2012 Universitat de Vic
Sagrada Família, 7 08500 Vic (Barcelona)
Biologia UD3. Replicació del DNA 4
Introducció
L’assignatura de Biologia es compon de tres parts diferenciades:
1- Comprendre els aspectes bàsics de la biologia cel·lular en les classes de teoria on es mostrarà:
2- Treball de les Pràctiques de laboratori :
3- Espai de treball de lectura de llibres de divulgació científica : projecte de les "tertúlies de literatura científica" (TLC). http://tlc.uvic.cat/
Finalitat: desvetllar el pensament crític que afavoreix la lectura de textos científics actuals- Van Wely, Karel H.M. El cáncer y los cromosomas. Ed. Libros de la Catarata, 2011 VEIGA, Anna. El miracle de la vida. Ed. La Magrana. 2011 Lectura recomenada: Durfort i Coll, Mercè. Vocabulari de biologia de la reproducció: català, castellà, anglès. Barcelona : Institut d'Estudis Catalans, Secció de Ciències Biològiques, 2011 MARFANY, Gemma. El efecto CSI. La genética forense en el s.XXI. Ed. Edicions UPC, 2010
Biologia. UD3. Replicació del DNA 5
Objectius
Els objectius de l’assignatura de Biologia es diferencien a través de les tres parts:
Van Wely, Karel H.M. El cáncer y los cromosomas. Ed. Libros de la Catarata, 2011 VEIGA, Anna. El miracle de la vida. Ed. La Magrana. 2011 Lectura recomenada: Durfort i Coll, Mercè. Vocabulari de biologia de la reproducció: català, castellà, anglès. Barcelona : Institut d'Estudis Catalans, Secció de Ciències Biològiques, 2011 MARFANY, Gemma. El efecto CSI. La genética forense en el s.XXI. Ed. Edicions UPC, 2010
Biologia. UD3. Replicació del DNA 7
ATENCIÓ: Tota la informació d’aquesta unitat didàctica és un resum bàsic per comprendre la duplicació de la molècula de DNA, en cas de necessitar ampliar la informació, podeu revisar la bibliografia que es troba a l’apartat de referències utilitzades.
La replicació o duplicació del DNA d’una cèl·lula es dóna abans que la cèl·lula produeixi dues cèl·lules filles genèticament idèntiques.
A fi que la cèl·lula es mantingui també cal la supervisió i la reparació de la seva informació genètica quan el DNA és alterat per compostos químics, la radiació solar i per molècules reactives que es generen dins la cèl·lula. en aquesta unitat es descriurà el procés de la duplicació del DNA i els complexos proteics que repliquen el DNA de la cèl·lula. Aquests complexos catalitzen alguns dels processos més ràpids i precisos que es donen dins les cèl·lules, i les seves accions reflecteixen l’eficiència de la química cel·lular. Encara que hi ha sistemes que poden protegir les instruccions genètiques dels errors de còpia i dels danys accidentals, a vegades es donen canvis permanents o mutacions. Algunes mutacions no afecten a l’organisme de forma notable, d’altres sí que poden tenir conseqüències importants. A vegades aquests canvis poden beneficiar a l’organisme; per exemple les mutacions poden fer que un bacteri es torni resistent als antibiòtics que es fan servir per poder-los destruir. Es coneix que l’acumulació de canvis en el DNA durant milions d’anys ha proporcionat la varietat en el material genètic que permet diferenciar unes espècies de les altres.
Les mutacions també provoquen variacions molt lleugeres que afavoreixen les diferències entre els organismes d’una mateixa espècie. Les mutacions també poden ser perjudicials: en els humans són responsables de moltes malalties hereditàries, també de diferents tipus de càncer, .... També hi ha mutacions neutres.
Biologia UD3. Replicació del DNA 8
De manera que la supervivència d’una cèl·lula o organisme depèn de que hi hagi els mínims canvis en el seu DNA. Calen els complexos enzimàtics que de forma contínua controlen i reparen el DNA que es modifica, a fi de que la vida pugui existir.
En cada divisió cel·lular, una cèl·lula ha de copiar el seu genoma amb precisió. La duplicació del DNA és amb una velocitat elevada que pot ser de 1.000 nucleòtids per minut.
Cada cadena de la doble hèlix de DNA conté una seqüència de nucleòtids complementària. Cada cadena pot actuar com a motlle, per la síntesi d’una nova cadena complementària.
En altres paraules, si s’anomena a les dues cadenes de DNA S i S’, la cadena S pot actuar com un motlle per la formació d’una nova cadena S’, mentre que la S’ pot actuar com a motlle per una nova cadena S. Així la informació genètica en el DNA pot ser copiada amb precisió per un procés senzill on la cadena S es separa de la cadena S’, i cada cadena actua com a motlle per la producció d’una nova cadena idèntica a l’anterior. La capacitat de cada cadena d’una molècula de DNA d’actuar com un motlle per produir una cadena complementària permet a una cèl·lula “copiar” o “replicar” els seus gens abans de passar-los als seus descendents.
Biologia UD3. Replicació del DNA 10
El genoma bacterià, que disposa de la característica de trobar-se en una molècula de DNA circular de varis milions de nucleòtids, només té un origen de replicació.
La bipartició o fissió binària és una forma de divisió cel·lular pròpia dels procariotes: eubacteris i arqueobacteris , i en alguns eucariotes unicel·lulars, que consisteix en la divisió d'una cèl·lula en dues cèl·lules isomorfes (de la mateixa grandària i forma).
La fissió binària s'inicia amb la replicació del DNA. En procariotes, la replicació comença en un punt anomenat origen de replicació, on s'obre una forca (horquilla) de replicació. El DNA es separa en dues cadenes, i cada cadena fa de motllo per la síntesi d'una nova cadena filla complementaria. Cada molècula de DNA circular s'uneix a la membrana cel·lular. La cèl·lula s'allarga, el que fa que els dos cromosomes se separin. Aleshores la membrana cel·lular comença a invaginar-se fins la divisió de la cèl·lula original en dues cèl·lules idèntiques.
Alguns bacteris es divideixen, en condicions òptimes, a velocitats molt altes. Per exemple Escherichia coli pot arribar a dividir-se cada 20 minuts
Biologia. UD3. Replicació del DNA 11
A les següents figures es mostra el procés de la divisió cel·lular en els organismes eucariotes:
Un mesosoma és una invaginació de la membrana plasmàtica, és el Lloc d'ancoratge del nucleoide bacterià per començar la duplicació del DNA i a més, participa en la formació del septe bacterià (tabic que separa els bacteris que es van dividir) fa de motllo per la síntesi d'una nova cadena filla complementaria.
Cada molècula de DNA circular s'uneix a la membrana cel·lular.
Biologia. UD3. Replicació del DNA 13
El genoma humà que és molt més gran, disposa de l’ordre de 10.000 orígens de replicació. En els humans la replicació del DNA comença en diferents punts alhora i permet que una cèl·lula repliqui el seu DNA de forma ràpida.
Quan la proteïna iniciadora obre el DNA en l’origen de replicació i obre localment la doble hèlix, atrau a un grup de complexos proteics que afavoreixen la replicació del DNA. La síntesi de DNA - les forques de replicació
Les molècules de DNA en el procés de ser replicades tenen unes unions en forma de “Y” que reben el nom de “forques de replicació” (horquilla de replicación).
En aquestes forques, la maquinària de replicació es mou a través del DNA, obre les dues cadenes de l’hèlix i utilitza cada cadena com un motllo per produir una cadena filla nova. Es formen dues forquilles de replicació a partir de cada origen de replicació, i es mouen des de l’origen a direccions oposades, descomprimint el DNA a mesura que avancen. Per tant la replicació del DNA en els cromosomes es diu que és “bidireccional”. Les forques es mouen de forma ràpida, a l’ordre de 1.000 parells de nucleòtids/segon en els bacteris i de 100 parells de nucleòtids/segon en els eucarionts. Aquesta velocitat més lenta pot ser deguda a les dificultats de replicació a través de l’estructura de la cromatina més complexa en els eucarionts.
Biologia UD3. Replicació del DNA 14
Durant la replicació es troba un enzim: DNA polimerasa “DNAasa”, que és el responsable de sintetitzar el DNA de nova síntesi utilitzant una de les cadenes antigues com a motllo.
Aquest enzim catalitza l’addició de nucleòtids a l’extrem 3’ de la cadena de DNA en creixement mitjançant la formació d’un enllaç fosfodièster entre aquest extrem i el grup fosfat 5’ del nucleòtid que entra (es polimeritza). Els nucleòtids arriben a la reacció com a nucleòsids trifosfats que aporten energia per la polimerització. La hidròlisi d’un enllaç d’alta energia en el nucleòsid trifosfat impulsa la reacció que uneix el monòmer nucleòtid a la cadena i allibera pirofosfat (PPi). La DNAasa afegeix l’alliberació d’aquesta energia a la reacció de polimerització. El pirofosfat és hidrolitzat després a fosfat inorgànic (Pi).
La direcció 5’-------3’ del mecanisme de polimerització del DNA té un problema a la forca de replicació. L’esquelet sucre-fosfat de cada cadena d’una doble hèlix de DNA té una direcció única química o polaritat, determinada per la forma en que cada residu de sucre s’uneix al següent, i les dues cadenes en la doble hèlix corren en sentits oposats. A conseqüència, en la forca de replicació una nova cadena de DNA es forma sobre un motllo que es troba en la direcció de 3’-----5’ , mentre que l’altra nova cadena es sintetitza sobre un motllo que té la direcció de 5’------ 3’. La forca de replicació per tant és asimètrica. A primera vista, les dues cadenes noves sembla que creixin en la mateixa direcció, és a dir, la direcció que es mou la forca de replicació. Això suggereix que una cadena es sintetitza en la direcció 3’-----5’ i l’altra en la direcció 5’------
Biologia UD3. Replicació del DNA 16
Com que l’enzim DNA polimerasa pot unir un nucleòtid només a un nucleòtid aparellat en una doble hèlix, la DNApolimerasa no pot començar una cadena de DNA nova. Cal un enzim diferent, que comenci una cadena de polinucleòtids mitjançant la unió de dos nucleòtids junts sense la necessitat d’un extrem amb les bases aparellades. Ara bé, aquest enzim no sintetitza DNA, sinó que sintetitza un segment curt de RNA (RNA encebador) usant la cadena de DNA com a motllo. L’RNA encebador que conté a l’ordre de deu nucleòtids de longitud, proporciona l’extrem 3’ de la base aparellada com a punt de partida per la DNAasa, així actua com a un “encebador” per la síntesi de DNA, i l’enzim que sintetitza l’RNA encebador rep el nom de “primasa" o RNApolimerasa.
La primasa és un exemple de RNAasa (RNA polimerasa), un enzim que sintetitza RNA utilitzant DNA com a motllo. Una cadena de RNA és molt semblant a una cadena simple de DNA químicament la diferència quina és? Està composta per subunitats de ribonucleòtids, on el sucre és una ribosa i no una desoxirribosa. L’RNA també és diferent del DNA en que conté una base de Uracil (U) en lloc de Timidina (T); ara bé, com que U pot formar un parell de bases amb A, l’encebador de RNA és sintetitzat en la cadena de DNA per aparellament de bases complementàries igual que el DNA.
Biologia. UD3. Replicació del DNA 17
Per la cadena contínua només cal un únic RNA encebador, per iniciar la replicació a l’origen de la replicació; una vegada la forca de replicació ha sigut establerta, la DNAasa avança de manera contínua amb un extrem 3’ aparellat a mesura que avança al llarg de la cadena motllo. En canvi en la cadena discontínua, on la síntesi de DNA es realitza a partir dels fragments d’Okazaki, calen encebadors nous de manera contínua, mentre hi ha la síntesi de la cadena.
Resoldre PROBLEMA: a la següent figura es mostra una fracció de replicació del DNA. Explicar de manera entenedora com es realitza segons la figura
Quan el moviment de la forca de replicació exposa un nou tram de bases desaparellades, es forma un encebador de RNA nou a intervals de la cadena discontínua. La DNAasa afegeix desoxirribonucleòtids a l’extrem 3’ de l’encebador per iniciar una cadena de DNA, i li permet l’allargament fins que troba el següent encebador de RNA. Per produir una nova cadena de DNA contínua a partir dels fragments d’Okazaki en la cadena discontínua, calen diversos enzims addicionals. Una nucleasa trenca i separa l’encebador de RNA, una DNAasa reparadora reemplaça l’RNA per DNA i un enzim DNA lligasa uneix els fragments de DNA entre ells (uneix l’extrem 5’ fosfat d’un nou fragents de DNA a l’extrem 3’ hidroxil del següent.
Biologia. UD3. Replicació del DNA 19
Com es fa la replicació als extrems dels cromosomes? El DNA es sintetitza només en la direcció de 5’----3’, per tant la cadena discontínua de la forca de replicació es sintetitza com a fragments d’Okazaki, cadascun dels que és encebat per un encebador de RNA i per un enzim separat; ara bé, quan la forca de replicació s’acosta a l’extrem d’un cromosoma, la maquinària de replicació es troba amb un problema greu: no hi ha lloc per establir l’encebador de RNA necessari per iniciar el fragment d’Okazaki en l’extrem d’una cadena linial de DNA. Cal una estratègia per afrontar aquest problema, sinó alguns DNA es perdrien dels extrems de la molècula de DNA cada vegada que aquesta es replica. En els eucariotes es pot resoldre el problema de “replicació de l’extrem” perquè tenen a partir de seqüències nucleotídiques especials en els extrems dels seus cromosomes, que estan incorporades als telòmers. Aquestes seqüències de DNA telomèric atrauen un enzim al cromosoma “telomerasa”; utilitzen un motllo de RNA que és part de l’enzim telomerasa; la telomerasa afegeix els nucleòtids que es perden cada vegada que un cromosoma eucariota es duplica a partir de l’adició de moltes còpies de la mateixa seqüència curta de DNA que actua com a motllo per permetre que al replicació de la cadena discontínua es completi a partir de la replicació convencional del DNA.
Biologia UD3. Replicació del DNA 20
La telomerasa no és l’únic enzim que utilitza una cadena de RNA com a bastida (andamio, plataforma); també la producció de les proteïnes pels ribosomes depèn de petits adaptadors de RNA. El que fa que la telomerasa sigui un enzim únic en el nostre cos és la capacitat que té d’utilitzar l’RNA per sintetitzar DNA (El càncer y los cromosoma, 2011. Pàg 76). A més de permetre la replicació dels extrems del cromosoma, els telòmers tenen altres funcions: formen estructures que són reconegudes per les cèl·lules com a extrems vertaders dels cromosomes.
La diversitat d’organismes vius i els seu èxit de poder colonitzar la terra, depenen dels canvis genètics acumulats de manera gradual durant milions d’anys. Aquests canvis permeten als organismes adaptar-se a les condicions de canvis i poder proliferar en els nous hàbitats. Ara bé, a curt termini i des de la perspectiva d’un organisme individual, les alteracions de les seqüències gèniques poden ser perjudicials – en especial en els organismes pluricel·lulars – on es pot alterar el desenvolupament i la fisiologia complexa i sincronitzada de l’organisme. Per sobreviure, i reproduir-se, els individus han de ser genèticament estables. Aquesta estabilitat s’aconsegueix a través del mecanisme de la replicació del DNA i també de la varietat de les maquinàries proteiques que de forma contínua registren el genoma a fi de trobar danys i poder-los corregir. (encara que les polimerases replicatives corregeixen a mesuren que sintetitzen). De manera que la major part del DNA danyat només és temporal, a causa que és corregit pels diferents processos, que reben el nom de “mecanismes per la reparació de DNA”
En casos excepcionals els processos de replicació i reparació del DNA d’una cèl·lula fallen i permeten que hi hagi un canvi permanent en el DNA: mutacions (que poden tenir conseqüències profundes). Una mutació que afecta només a un parell de nucleòtids pot comprometre de forma greu a la salut d’un individu en el cas que el canvi sigui en una posició vital en la seqüència del DNA (com que l’estructura i l’activitat d’una proteïna depenen de la seqüència d’aa, una proteïna amb una seqüència alterada podria funcionar de manera escassa o bé perdre la seva activitat. Per exemple el cas de la HEMOGLOBINA: anèmia falciforme
