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ADN Genómico: Replicación, Mantenimiento y Fidelidad, Apuntes de Biología Celular

El proceso de replicación del adn genómico, enfatizando la importancia de los mecanismos de reparación para garantizar la exactitud de la duplicación genética. Se abordan los tipos de adn polimerasas, la replicación discontinua y continua, las proteínas involucradas en el proceso, la fidelidad de replicación y los mecanismos de reparación de bases y ropturas de doble hebra.

Tipo: Apuntes

2011/2012

Subido el 02/12/2012

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penelas 🇪🇸

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Replicación, mantenimiento y reorganización
del ADN genómico.
Como todos sabemos, la reproducción es una función básica para
la vida que permite transmitir la información genética de un individuo
a su descendencia. La información está contenida en el genoma, y es
este genoma el que se transmite a la descendencia pero… ¿qué
sucede entonces con el individuo predecesor? ¿pierde esta parte de
su material genético para transmitirsilo a su descendencia? La
respuesta es no, todo individuo antes de la reproducción lleva a cabo
un proceso conocido como replicación que permite duplicar su
material genético para así poder transmitirlo sin peligro de pérdida
alguno. Sin embargo el proceso no es perfecto, es susceptible a error,
por tanto al hablar de mecanismos de replicación debemos hablar
también de mecanismos de reparación (corrección de esos errores)
que permiten que la duplicación genética sea totalmente correcta.
Replicación del ADN
La replicación del ADN es
un proceso semiconservativo,
es decir, cada hebra de ADN
sirve como molde para la
creación de una nueva hebra
complementaria. La principal
encima encargada de la
formación de nuevas hebras es
la ADN polimerasa, que
cataliza la unión de
desoxirribonucleótidos 5´-
trifosfato (dNTP), aunque en el
proceso de replicación
intervienen muchas más
proteínas (Ctrl+Click en la imagen para ver el vídeo del proceso de
replicación completo).
-ADN polimerasa
Tras años de investigación sobre la encima que sería la principal
responsable de la replicación del ADN llegamos a la conclusión de que
no existe solamente un tipo de ADN polimerasa, existirían 3 tipos de
ADN polimerasa encargados de la replicación del ADN nuclear (α,δ y
4) y una 4ª encargada de la replicación del ADN mitocondrial (γ) (en ) (en
el caso de eucariotas, en procariotas serían ADN polimerasas I, II y
III).
Todas las ADN polimerasas conocidas se encargan de la
formación de una nueva hebra de ADN a partir de la catalización de la
unión de dNTP al grupo 3´ hidroxilo de una cadena ya existente, por
tanto crean una hebra complementaria a partir de una hebra molde
en sentido 5´-3´.
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Replicación, mantenimiento y reorganización

del ADN genómico.

Como todos sabemos, la reproducción es una función básica para la vida que permite transmitir la información genética de un individuo a su descendencia. La información está contenida en el genoma, y es este genoma el que se transmite a la descendencia pero… ¿qué sucede entonces con el individuo predecesor? ¿pierde esta parte de su material genético para transmitirsilo a su descendencia? La respuesta es no, todo individuo antes de la reproducción lleva a cabo un proceso conocido como replicación que permite duplicar su material genético para así poder transmitirlo sin peligro de pérdida alguno. Sin embargo el proceso no es perfecto, es susceptible a error, por tanto al hablar de mecanismos de replicación debemos hablar también de mecanismos de reparación (corrección de esos errores) que permiten que la duplicación genética sea totalmente correcta.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso semiconservativo , es decir, cada hebra de ADN sirve como molde para la creación de una nueva hebra complementaria. La principal encima encargada de la formación de nuevas hebras es la ADN polimerasa , que cataliza la unión de desoxirribonucleótidos 5´- trifosfato (dNTP), aunque en el proceso de replicación intervienen muchas más proteínas (Ctrl+Click en la imagen para ver el vídeo del proceso de replicación completo). -ADN polimerasa Tras años de investigación sobre la encima que sería la principal responsable de la replicación del ADN llegamos a la conclusión de que no existe solamente un tipo de ADN polimerasa, existirían 3 tipos de ADN polimerasa encargados de la replicación del ADN nuclear (α,δ y ε) y una 4ª encargada de la replicación del ADN mitocondrial (γ) (en ) y una 4ª encargada de la replicación del ADN mitocondrial (γ) (en ) (en el caso de eucariotas, en procariotas serían ADN polimerasas I, II y III). Todas las ADN polimerasas conocidas se encargan de la formación de una nueva hebra de ADN a partir de la catalización de la unión de dNTP al grupo 3´ hidroxilo de una cadena ya existente, por tanto crean una hebra complementaria a partir de una hebra molde en sentido 5´-3´.

En este sentido las ADN polimerasas difieren de las ARN polimerasas, que no pueden formar una nueva cadena sin la presencia de un cebador. -Horquilla de replicación Las horquillas de replicación son regiones en las que la doble cadena parental se separa en dos hebras a partir de las cuales se sintetizan dos nuevas hebras complementarias. El gran problema para la comprensión de la replicación del ADN residía en que en estas horquillas las dos hebras se disponían en sentido contrario (una en sentido 5´-3´ y otra en sentido 3´-5´), esto hacía necesario que una de las hebras se sintetizara en sentido 3´-5´, lo cual no es posible. Tras exaustivos estudios bioquímicos se llegó a la conclusión de que ambas hebras no se sintetizaban de manera continua, sino que una de ellas (la que no puede ser leída por la ADN polimerasa, es decir, la que tiene sentido 3’-5’) se sintetizaba de manera discontinua. A esta hebra leída de manera discontinua se le llamó hebra tardía y su replicación se lleva a cabo a partir de pequeños fragmentos llamados fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos de Okazaki se unen entre si por la acción de la ADN ligasa. En la hebra tardía las ADN polimerasas no son capaces de iniciar la síntesis de novo (es decir, necesitan de un agente al que asociarse para poder iniciar el transcurso por la hebra y añadir el ADN complementario) por tanto necesitan iniciadores para comenzar la replicación en los fragmentos de Okazaki. Estes iniciadores son fragmentos de ARN cortos ( cebadores ), sintetizados por una enzima llamada primasa y que si son capaces de iniciarse de novo. Para formar la hebra tardía de ADN los iniciadores de ARN deben eliminarse de los fragmentos de Okazaki y ser substituídos por ADN. En las células procariotas es la ADN polimerasa I la que se encarga de este proceso, en células eucariotas son eliminados por la acción combinada de la ARNasa H , una encima que degrada el ARN de los híbridos ARN-ADN. Los huecos resultantes son rellenados por la polimerasa δ y los fragmentos son unidos mediante ADN ligasa.

Proteínas de unión al ADN monocatenario: estabilizan la hebra molde única extendida para que sea copiada por la polimerasa. Topoisomerasas I: su función es hacer una pequeña roptura transitoria en el eslabón de ADN parental giratorio para permitir la rotación libre y evitar enrollamientos Topoisomerasas II: separa las nuevas moléculas de ADN cicular que aparecen entrelazadas. En la eucariotas además parecen estar involucradas en la condensación mitótica de los cromosomas. -Fidelidad de replicación La exactitud en la replicación del ADN es crítica para la reproducción celular ya que, al tratarse de la primera fase, un error en la formación de la cadena se arrastraría durante todo el proceso reproductivo. La frecuencia de errores corresponde a una base incorrecta por cada 10^9 nucleótidos incorporados , a pesar de que el estudio de la energía libre resultante de los cambios entre los puentes de hidrógeno nos indica que la frecuencia de error debería ser de 1 base cada 100 nucleótidos. Este aumento tan significativo de la fidelidad es debido a la acción de la ADN polimerasa. Uno de los mecanismos utilizados por la polimerasa es la capacidad que esta posee (capacidad todavia no descifrada) para discriminar de algún modo los emparejamientos de bases incorrectas y añadir en su lugar la base correcta. Con este proceso se aumenta la exactitud alrededor de unas 100 veces. El otro mecanismo principal responsable de la exactitud de la replicación es la doble lectura del ADN polimerasa. Las ADN polimerasas III, δ y ε) y una 4ª encargada de la replicación del ADN mitocondrial (γ) (en poseen actividad exonucleasa, que actúa en sentido 3’-5’ leyendo el nuevo ADN sintetizado, así cuando se añade una base incorrecta esta es eliminada antes de continuar con la replicación. Esta doble lectura aumenta entre 100 y 1000 veces más la exactitud de la replicación. La importancia de la doble lectura podría explicar el hecho de que la ADN polimerasa actúa en sentido 5’-3’ ya que de no ser así la corrección de un error en el proceso de doble lectura no tendría lugar en el extremo final de la nueva hebra, sino en un lugar intermedio, lo cual no es posible ya que se necesita ese grupo 5’-trifosfato para la

elongación de la cadena. Por esa razon el ARN cebador se puede sintetizar de novo ya que no es necesaria una gran exactitud porque posteriormente sera eliminado.

  • Orígenes e iniciación de la replicación El origen de replicación es una secuencia a la cual se pueden unir unas determinadas proteínas que inician el proceso de replicación. En el caso de la primera célula estudiada, el E.coli se trata de una secuencia de unas 245 bases las cuales permiten la unión de la heliclasa (que abre la cadena) junto con las proteínas de unión. En el caso de virus animales (como el SV40) presenta un solo origen de replicación de unas 64 bases nitrogenadas y otras proteínas de funciones iguales a las anteriormente citadas. Debido a la condensación del ADN en las células eucariotas animales de los mamíferos la velocidad de replicación de una horquilla de replicación es muy baja, por tanto en estas células se necesitas múltiples horquillas de replicación para poderse llevar acabo en un tiempo razonable. En las células procariotas una única horquilla bastaría. El genoma humano tiene alrededor de 30000 orígenes de replicación. Los orígenes de replicación en las células eucariotas fueron estudiados por primera vez en levaduras. Se hizo un experimento que consistió en añadir a distintas levaduras un plásmido. Al primer tipo de levadura se le añadió un plásmido sin secuencia de replicación autónoma (ARS) , se observó que solo se reproducía ese plásmido en caso de que se integrara en el ADN cromosómico. Al segundo se le añadió un plásmito que sí contenía ARS y se observó que en las células posteriores sí existía ese plásmido independientemente de que se integrara en el ADN cromosómico. Los ARS se expanden alrededor de 100 pares de bases en las cuales se incluye una secuencia central de 11 pares de bases, comunes a muchos ARS, a la cual se asocia un complejo llamado: complejo del origen de replicación (ORC). Este complejo permite reclutar a proteínas como las heliclasas que iniciaran el proceso de replicación. -Telómeros y telomerasa: el mantenimiento de los extremos de los cromosomas. La ADN polimerasa es incapaz de copiar los extremos 5’ de las moléculas lineares de ADN, por ello se requieren mecanismos especiales para replicar estas secuencias terminales de los cromosomas (telómeros). Estas secuencias están compuestas por repeticiones en tándem (repeticiones continuas de determinadas convinaciones de bases) y son replicadas por la acción de una enzima llamada telomerasa.

dímeros de pirimidina que resultan de la exposición a la luz ultravioleta o los residuos de guanina modificados (pasan a O^6- metilguanina, con composición como la de la imagen). La luz UV es una de las fuentes más importantes de daño del ADN, su importancia se ilustra por el hecho de que la exposición a rayos UV es la causa de la mayoría de los cánceres de piel humanos. El principal daño de causado por los rayos UV es la creación de dímeros de pirimidina de las bases pirimidínicas adyacentes en la misma hebra de ADN unidos por la formación de un anillo de ciclobutano. La formación de dichos dímeros distorsiana la estructura de la cadena del ADN y bloquea la transcripción y la replicación al pasar por el daño. Un mecanismo de reparación de este daño sería un proceso denominado fotorreactivación que utiliza la energía de la luz para romper el anillo ciclobutano. Otra forma de reparación directa correspondiente al daño producido por la reacción entre agentes alquilantes y el ADN. Los agentes alquilantes añaden bases metilo o etilo a bases nitrogenadas cambiando su composición química. Un caso común es la adesión de un grupo metilo al O^6 de la guanina, con lo cual pasa de unirse a la citosina para unirse a la timina. En respuesta a esto, la encima cisteína se encarga de extraer este grupo metilo a la guanina para formar metilcisteína. -Reparación por escisión Aunque la reparación directa de los daños es una manera eficaz de tratar ciertos tipos de daños, la mayor variedad de daños producidos durante la replicación son corregidos a través de procesos de substitución, ya sea de bases, de nucleótidos o a través de una reparación de desapareamiento. La reparación de un ADN que contiene un uracilo es un buen ejemplo de reparación por escisión de base. El uracilo puede llegar a partir de un error substituyendo a la timina o bien a partir de la desaminación de la citosina, en ambos casos la presencia del uracilo corresponde a un

error en la formación del ADN. La escisión del uracilo está catalizada por la ADN glicosilasa que rompe la unión del uracilo al esqueleto de desoxirribosa. Es hueco libre carente de base nitrogenada es reparado por la AP endonucleasa que elimina el nucleótido al que estaba asociado el uracilo para posteriormente ser rellenado por el nucleótido correcto por una ligasa. Otro sistema de reparación que reconoce múltiples formas dañadas que distorsionan la cadena de ADN es la reparación por escisión de nucleótidos. El proceso de reparación por escisión de nucleótidos es un proceso complejo, se lleva a cabo de distinta forma en eucariotas y en procariotas. En las células eucariotas, una vez reconocido el error actúa una heliclasa para separar la cadena a la altura de la zona afectada, en el hueco abierto de la cadena se asocian distintos complejos como el XPC, XPA o el TFIIH que se encargan de la escisión de la sección de la hebra dañada. Posteriormente es resintetizada correctamente por la polimerasa y la ligasa. Un mecanismo similar al anteriormente descrito sería la denominada reparación acoplada a la transcripción en cuyo caso la reparación comienza a llevarse a cabo una vez el ARN que se comienza a transcribir reconoce el error en la hebra molde. Un tercer mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos sería la reparación no complementaria que sería como un segundo barrido (posterior al de la doble lectura) que reconoce bases no complementarias y escindiende el fragmento que la contiene para una posterior complementación correcta de la hebra. Los complejos encargados de esta “relectura” son los complejos MLH y MSH. -Síntesis del ADN translesión Los sistemas de inversión directa y de reparación por escisión actúan para corregir daños antes de la replicación, no obstante, a pesar de todas estas medidas para evitar errores, alguno de estes mecanismos puede fallar. En caso de fallar algunos destos mecanismos la posterior marcha de la polimerasa sobre la hebra de ADN se bloquearía al llegar a un error, por ello es necesario algún tipo de sistema que permita una continuación de la replicación a pesar de toparse con algún error (los errores que suelen persistir a pesar de todas estas medidas correctoras son los dímeros de timina que deforman la cadena).