GENÉTICA GENÉTICA MOLECULAR MOLECULAR Naturaleza y conservación del material hereditario. Conservación de la información genética: Replicación.
WATSON Y CRICK
INSTRUCCIONES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE LA VIDA
En abril de 1953 Watson y Crick conmovieron al mundo científico con un sofisticado modelo de doble hélice para la estructura del ácido desoxirribonucleico o ADN. En los últimos cincuenta años, su modelo ha evolucionado desde una nueva propuesta hasta convertirse en un icono de la biología molecular. Los factores de la herencia de Mendel y los genes de Morgan en los cromosomas están, en realidad, compuestos por DNA.
INTRUCCIONES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE LA VIDA
Entre todas las moléculas de la naturaleza, los ácidos nucleicos son únicos en su capacidad de dirigir su propia replicación a partir de monómeros. En efecto, la semejanza de la descendencia a su padres tiene su base en la replicación precisa del ADN y en su transmisión de una generación a la siguiente. La información hereditaria está codificada en el lenguaje químico del DNA y reproducida en todas las células del organismo. Este programa de ADN es el que dirige el desarrollo de nuestros rasgos bioquímicos, anatómicos, fisiológicos y, en cierta medida, de nuestro comportamiento.
LA BÚSQUEDA DEL MATERIAL GENÉTICO INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
LA BÚSQUEDA DEL MATERIAL GENÉTICO
Cuando T.H. Morgan (1910) demostró que los genes se localizaban en los cromosomas, los dos componentes químicos de los cromosomas: ADN y Proteínas , se convirtieron en candidatos para ser el material genético. Hasta la década de 1940, el argumento para las proteínas parecía más sólido, en especial desde que los biólogos las habían reconocido como una clase de macromoléculas con gran heterogeneidad y especificidad de funciones, requerimientos esenciales para el material hereditario. Además se sabía poco acerca de los ácidos nucleicos, cuyas propiedades físicas y químicas parecían demasiado uniformes como para explicar la multitud de rasgos específicos heredados exhibidos por cada organismo. Esta visión se modificó gradualmente, a medida que se obtenían resultados inesperados a partir de los experimentos con microorganismos
EVIDENCIAS DE QUE EL ADN PUEDE TRANSFORMAR BACTERIAS
INVESTIGACIÓN ¿PUEDE TRANSFERIRSE EL RASGO GENÉTICO DE PATOGENICIDAD ENTRE LAS BACTERIAS?
EXPERIMENTO Las bacterias de la cepa “S” (smooth, lisa en inglés) de Streptococcus neumoniae son patógenas porque tienen una cápsula que las protege del sistema de defensas del animal. Las bacterias de la cepa “R” (rough, rugosa en inglés) carecen de la cápsula y no son patógenas, F. Griffith inyectó a los ratones con las dos cepas como se muestra a continuación
1928 FREDERICK GRIFFITH
Médico británico, se encontraba estudiando al Streptococcus pneumoniae, una bacteria que causa neumonía en los mamíferos. Griffith tenía dos cepas (variedades) de la bacteria, una patógena (causante de enfermedad) y otra no patógena (inofensiva). Se sorprendió al encontrar que cuando destruía las bacterias patógenas con calor y luego mezclaba los restos celulares con bacterias vivas de la cepa no patógena, algunas de ellas se convertían en patógenas. Además este nuevo rasgo de patogenicidad se heredaba por todos los descendientes de las bacterias transformadas. Era evidente que algún compuesto químico de las células patógenas muertas causaba este cambio heredable, si bien no se conocía la identidad de la sustancia.
GRIFFITH. TRANSFORMACIÓN Griffith llamó transformación al fenómeno, definido ahora como una modificación en el genotipo y el fenotipo debido a la asimilación del ADN externo por una célula.
LE 16-2
Células S vivas (control)
Células S Células R vivas destruidas por (control) calor(control)
Mezcla de células S destruidas por calor células R vivas
RESULTS Mouse dies
Mouse healthy
Mouse healthy
Mouse dies
Living S cells are found in blood sample
CONCLUSIÓN Griffith concluyó que las bacterias R vivas habían sido transformadas en bacterias S patógenas por una sustancia hereditaria desconocida a partir de las células S muertas
EVIDENCIAS DE QUE EL ADN PUEDE TRANSFORMAR LAS BACTERIAS
El trabajo de Griffith fue la base de una investigación de catorce años de la identidad de la sustancia transformadora por el bacteriólogo norteamericano Oswald Avery . Avery purificó diversos tipos de moléculas a partir de bacterias patógenas destruidas por calor y luego intentó transformar las bacterias no patógenas vivas con cada tipo. Sólo el ADN funcionó, finalmente en 1944, Avery y colegas Maclyn McCarty y Colin MacLeod anunciaron que el agente transformador era el ADN. Su descubrimiento fue recibido con interés, pero con considerable escepticismo, en parte, porque se creía que las proteínas eran mejores candidatas para constituir el material genético. Además muchos biólogos no estaban convencidos de que los genes de las bacterias fueran similares en composición y función a los de los organismos más complejos. Pero la razón más importante por lo que perduraba la duda era que se conocía muy poco acerca del ADN.
EVIDENCIAS DE QUE EL ADN VIRAL PUEDE PROGRAMAR A LAS CÉLULAS
Los estudios de virus que infectan a las bacterias proporcionaron evidencias complementarias de que el ADN era el material genético. 1952 Alfred Hershey y Martha Chase realizaron experimentos que revelaron que el ADN es el material genético de un fago conocido como T2, este es uno de los muchos que infecta a E. coli. Sabían que el fago podía convertir con rapidez una E. coli en una fábrica productora de T2 que liberaba muchas copias cuando se rompía la célula. De algún modo T2 podría reprogramar la célula huésped para producir virus. Pero ¿qué componente viral, proteína o ADN, era el responsable?
LE 16-3
Phage head
Tail
Tail fiber
Bacterial cell
100 nm
DNA
1952 HERSHEY Y CHASE
Idearon un experimento que demostró que, en realidad, solo uno de los dos componentes entra en la célula de E. coli, durante la infección. En la preparación de su experimento utilizaron diferentes isótopos radiactivos para marcar el ADN y la proteína del fago. Primero cultivaron T2 con E. coli en presencia de azufre radiactivo. Como la proteína, pero no el ADN, contiene azufre, los átomos radiactivos eran incorporados solo en la proteína del fago. Luego de modo similar, se marcaba el ADN de un lote separado de T2 con átomos de fósforo radiactivo; debido a que casi todo el fósforo del fago se encuentra en su ADN, este procedimiento deja la proteína sin marcar. En el experimento se permitió que los lotes de T2 con proteína y DNA marcados infectan muestras separadas de células de E. coli no radioactivas. Poco después del comienzo de la infección, los cultivos se mezclaron en una batidora para desprender cualquier parte de los fagos que permanecieran fuera de las células bacterianas. Luego se centrifugaron las muestras, forzando a las células bacterianas a formar un precipitado en el fondo de los tubos de centrífuga, pero permitiendo que los fagos libres y las partes de éstos, que son más ligeras, permanecieran suspendidos en el líquido o sobrenadante. Los científicos midieron entonces la radiactividad en el precipitado y el sobrenadante.
HERSHEY Y CHASE
Hershey y Chase encontraron que cuando las bacterias habían sido infectadas con fagos T2 que contenían proteínas marcadas con radioactividad, la mayoría de la radioactividad se hallaba en el sobrenadante que contenía partículas del fago, pero no bacterias. Este resultado sugería que la proteína del fago no entraba en las células huésped. Pero cuando las bacterias habían sido infectadas por fagos que contenían ADN marcado radiactivamente, la mayoría de la radioactividad se encontraba en el precipitado que contenía a las bacterias huésped. Este resultado sugirió que el ADN del fago entraba en las células huésped. Además, cuando estas bacterias se pasaban al medio de cultivo, la infección seguía su curso y E. coli liberaba fagos que contenían algo del fósforo radiactivo. Así el experimento proporcionó una evidencia poderosa de que los ácidos nucleicos, en lugar de las proteínas constituyen el material hereditario, al menos para los virus.
LE 16-5
Sugar–phosphate backbone
Nitrogenous bases
5′ end
Thymine (T)
Adenine (A)
Cytosine (C)
Phosphate Sugar (deoxyribose) 3′ end
DNA nucleotide
Guanine (G)
LE 16-6
Rosalind Franklin
Franklin’s X-ray diffraction photograph of DNA
LE 16-7
5′ end Hydrogen bond
3′ end
1 nm 3.4 nm
3′ end 0.34 nm Key features of DNA structure
5′ end Partial chemical structure
Space-filling model
LE 16-7A
1 nm 3.4 nm
0.34 nm Key features of DNA structure
Evidencias complementarias de que el ADN es el material genético
Erwin Chargaff procedieron evidencias ulteriores de que al ADN es el material genético. Ya se sabia que el ADN es un polímero de nucleótidos, integrado cada uno de ellos por tres componentes: bases nitrogenadas, fósforo y desoxirribosa. Chargaff analizo la composición básica del ADN de varios organismos diferente. 1947 comunico que la composición del ADN varia de una especie a otra. Por ejemplo, el 30,3 % de los nucleótidos del ADN humano tiene la base A, mientras que el ADN de una bacteria E. coli tiene solo el 26, 0 % de A. Esta evidencia de la diversidad molecular entre las especies, que se suponía ausente en el ADN, hizo de éste un candidato más creíble como material genético.
Evidencias complementarias de que el ADN es el material genético
Chargaff encontró también una regularidad particular en las proporciones de nucleótidos dentro de una única especie. En el ADN de cada especie que estudió, el número de A era aproximadamente igual al de timinas y el de guaninas al de citosina. En el ADN humano, las cuatro bases estaban presentes en estos porcentajes: A= 30,3% y T=30,3%; G=19,5% y C=19,9%. Las equivalencias entre el número de bases A y T y el número de bases G y C para cualquier especie determinada se conocieron como las reglas de Chargaff. Las bases para estas reglas quedaron sin explicación hasta el descubrimiento de la doble hélice del ADN. Otra evidencia circunstancial era compatible con el hecho de que el material genético en los eucariotas era el ADN, antes de la mitosis, una célula eucariota duplica exactamente su contenido de ADN y durante este proceso, el ADN se distribuye en partes iguales en las dos células hijas. También en una especie determinada, un conjunto diploide de cromosomas tiene el doble de ADN que uno haploide.
LE 16-7B
5′ end Hydrogen bond
3′ end
3′ end 5′ end Partial chemical structure
LE 16-7C
Space-filling model
LE 16-UN298
Purine + purine: too wide
Pyrimidine + pyrimidine: too narrow
Purine + pyrimidine: width consistent with X-ray data
LE 16-8A
Sugar
Sugar Adenine (A)
Thymine (T)
LE 16-8B
Sugar
Sugar
Guanine (G)
Cytosine (C)
BASES MOLECULARES DE LA HERENCIA.
A partir de esta diapositiva debes estudiar. Flujo de la información desde los ácidos nucleicos hasta las proteínas. Descripción del mecanismo de la replicación semiconservativa, discontinua y bidireccionasl. Diferencias entre la dupliación en procariotas y eucariotas(+ puntos de replicaicón, empaquetamiento con histonas.
FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA DESDE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS A LAS PROTEÍNAS
En el proceso de la replicación del DNA, cada una de las hebras sirve de molde para la síntesis ordenada de la hebra omplementaria. En la transcripción, sobre una hebra molde de DNA se sintetiza una hebra complementaria de RNA. Mediante la traducción, según la secuencia de bases del RNA mensajero, se van ensamblando los aminoácidos de las proteínas. Estos pasos de transmisión genética, se denominan "el dogma central de la biología molecular" (DNA→ RNA→ proteínas) Con el desarrollo de la genética molecular han ido apareciendo excepciones, en efecto, en algunos virus de RNA, ( polio, rabia...) una RNA replicasa permite la síntesis de RNA complementario de su RNA molde. En otros virus (SIDA) una transcriptasa inversa permite la síntesis de DNA complementario del RNA vírico. Este DNA se incorpora al genoma de la célula hospedadora del virus.
T = A
U= A
P R
C≡ G
TRANSCRIPCIÓN
C
TRADUCCIÓN
O T
A = T
A
E
TRANSCRIPCIÓN G≡ C
INVERSA
I G
N A
REPLICACIÓN
REPLICACIÓN
DEL DNA
DEL RNA
CICLO CELULAR. INTERFASE
Fase S.- Cuando la célula alcanza un determinado tamaño debe prepararse para la división. Para ello tiene lugar la replicación del DNA y la síntesis de proteínas histonas. Durante este período cada molécula de doble hélice de DNA se replica en dos moléculas hijas de DNA que son idénticas: las histonas y otras proteínas cromosómicas se unen rápidamente al DNA replicado. Dura unas 8 horas.
DESCRIPCIÓN DEL MECANISMO DE REPLICACIÓN
La replicación es el proceso mediante el cual, a partir de una molécula de DNA de doble hebra, llamada progenitora o parental, se originan dos moléculas hijas idénticas a ella. La replicación tiene lugar cada vez que una célula se divide por lo que las dos células hijas reciben la misma dotación génica que tenía la célula madre. La replicación debe pues realizarse con la máxima exactitud y reúne los siguientes requisitos:
SEMICONSERVATIVA
Semiconservativa, significa que las dos hebras de la molécula progenitora bifilar o dúplex se desenrollan y cada una sirve de molde para la síntesis de una hebra complementaria. En consecuencia, cada célula hija recibe una hebra vieja de la célula madre y otra hebra recién sintetizada[1].
[1] Las dos posibilidades teóricas de replicación son la conservativa y la dispersiva. En la replicación conservativa, cada hélice doble hija tiene las dos cadenas sintetizadas de nuevo y se conserva la hélice doble parental. En el modelo dispersivo, las dos moléculas hijas cuyas cadenas contienen ciertos segmentos de DNA parental y otras sintetizadas de nuevo.
BIDIRECCIONAL
Bidireccional, Cuando el DNA de doble cadena se separa, se generan dos horquillas de duplicación, de manera que la molécula se duplica en ambos sentidos a partir del origen de replicación.
Las células procarióticas suelen tener sólo un origen de replicación en cada molécula de DNA circular.
Un cromosoma eucariótico está constituido por una molécula lineal extremadamente larga, de manera que el proceso es acelerado por la existencia de múltiples orígenes de replicación.
DISCONTINUA
Discontinua la replicación del ADN comienza en sitios específicos de la molécula de DNA, denominados orígenes de duplicación, y ambas cadenas se duplican al mismo tiempo en una estructura en forma de Y que se conoce como horquilla de replicación.
La posición de la horquilla de duplicación está en constante desplazamiento a medida que el proceso avanza a cargo de dos moléculas de polimerasa de DNA idénticas.
Una agrega nucleótidos a una de las nuevas cadenas, que siempre crece hacia la horquilla de replicación. Dado que esta cadena puede formarse de manera continua y uniforme, se la llama hebra conductora (líder o continua). Una segunda molécula de polimerasa agrega nucleótidos a otra cadena nueva, llamada hebra retardada (discontinua o seguidora) que siempre crece en sentido opuesto a la horquilla de replicación.
MONOFOCAL Y MULTIFOCAL
En los seres procarióticos, la replicación se origina en un punto único del cromosoma: el ori C de E.coli, se dice que es un proceso monofocal. Y no puede iniciarse otra replicación hasta que el cromosoma se ha duplicado por completo. En cambio, en los seres eucarióticos, los cromosomas suelen ser extraordinariamente largos y el proceso de la replicación es multifocal: se inicia en centenares o millares de sitios a la vez, de forma coordinada, de modo que el proceso total tenga lugar en un tiempo razonable.
MUCHAS PROTEÍNAS ACTÚAN AL UNÍSONO EN LA REPLICACIÓN Y LA REPARACIÓN DEL DNA
La relación entre estructura y función se manifiesta en la doble hélice. La idea de que existe un apareamiento específico de las bases nitrogenadas en el DNA fue el soplo de inspiración que condujo a Watson y Crick a la doble hélice correcta. Al mismo tiempo comprendieron el significado funcional de las reglas del apareamiento de bases.
EL PRINCIPIO BÁSICO: APAREAMIENTO DE BASES A UNA CADENA MOLDE.
La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de ADN.
Cada base se aparea mediante un enlace de hidrógeno con su compañera específica.
LE 16-9_2
La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de DNA. Cada base se aparea mediante un enlace de hidrógeno con su compañera específica.
El primer paso en la replicación es la separación de las dos cadenas de DNA.
LE 16-9_3
La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de DNA. Cada base se aparea mediante un enlace de hidrógeno con su compañera específica.
El primer paso en la replicación es la separación de las dos cadenas de DNA.
Cada cadena parental sirve como un molde que determina el orden de los nucleótidos a lo largo de una cadena complementaria nueva
REPLICACIÓN DEL ADN
La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de DNA. Cada base se aparea mediante un enlace de hidrógeno con su compañera específica.
El primer paso en la replicación es la separación de las dos cadenas de DNA.
Cada cadena parental sirve como un molde que determina el orden de los nucleótidos a lo largo de una cadena complementaria nueva
Los nucleótidos están conectados para formar los esqueletos de azúcar.fosfato de las cadenas nuevas. Cada molécula “hija” consta de una cadena parental y una cadena nueva.
LE 16-10 CELULA PARENTAL
MODELO CONSERVATIVO
MODELO SEMICONSERVATIVO
MODELO DISPERSIVO
PRIMERA REPLICACIÓN
SEGUNDA REPLICACIÓN
LE 16-10A
Parent cell MODELO CONSERVATIVO Las dos cadenas Parentales se reasocian despuĂŠs de servir como moldes para las cadenas nuevas, restaurando de esta manera la doble hĂŠlice parental
First replication
Second replication
LE 16-10C
Parent cell MODELO DISPERSIVO Cada cadena de ambas moléculas hijas contiene una mezcla de DNA viejo y recién sintetizado
First replication
Second replication
LE 16-10B
Parent cell MODELO SEMICONSERVA TIVO Las dos cadenas de la molécula parental se separan y cada una actúa como un molde para la síntesis de cadenas complemantarias nuevas.
First replication
Second replication
LE 16-11 Bacteria cultured in medium containing 15 N
Bacteria transferred to medium containing 14 N
DNA sample centrifuged after 20 min (after first replication)
DNA sample centrifuged after 40 min (after second replication)
First replication Conservative model
Semiconservative model
Dispersive model
Less dense More dense
Second replication
LE 16-11a
Bacteria cultured in medium containing 15 N
DNA sample centrifuged after 20 min (after first replication)
Bacteria transferred to medium containing 14 N
DNA sample centrifuged after 40 min (after second replication)
Less dense More dense
LE 16-11b
First replication Conservative model
Semiconservative model
Dispersive model
Second replication
REPLICACIÓN DEL DNA
La bacteria E. coli tiene un solo cromosoma de alrededor de 4,6 millones de pares de nucleótidos. En un medio ambiente favorable, una célula de E.coli puede copiar todo su DNA y dividirse para formar dos células hijas genéticamente idénticas en menos de una hora. Cada una de las células de un ser humano contienen 46 moléculas de DNA en su núcleo, una larga molécula de doble helicoidal por cromosoma. En total representa alrededor de 6.000 millones de pares de bases o más de mil veces más DNA que el que se encuentra en una célula bacteriana. Una célula tarda solo unas pocas horas en copiar todo este DNA. Se logra la replicación de esta enorme cantidad de información genética con muy pocos errores, solo cerca de uno cada 10.000 millones de nucleótidos. La copia del DNA es notable en su velocidad y precisión.
ORÍGENES DE LA REPLICACIÓN
La replicación de una molécula de DNA comienza en sitios especiales llamados orígenes de replicación. El cromosoma bacteriano, que es circular, tiene un origen único, un tramo de DNA con una secuencia de nucleótidos especifica. Las proteínas que inician la replicación del DNA reconocen esta secuencias y se fijan al DNA, separando las dos cadenas y abriendo una “burbuja” de replicación. La replicación del DNA progresa entonces en ambas direcciones hasta que se copia la molécula entera. En contraste con un cromosoma bacteriano, un cromosoma eucarionte, puede tener cientos o aun miles de orígenes de replicación. Se forman burbujas de replicación múltiples que eventualmente se fusionan, acelerando, de este modo, la copia de las moléculas de DNA muy largas. Como en las bacterias, la replicación del DNA eucariota avanza en ambas direcciones desde cada origen. En cada extremo de la burbuja de replicación hay una horquilla de replicación, una región en forma de Y donde están creciendo nuevas cadenas de DNA.
LE 16-12 Cadena parental molde Origen de replicacion
burbuja
Cadena hija nueva
0.25 µm
Horquilla de replicacion
Dos moléculas hijas de DNA En eucariotas la replicación del DNA comienza en muchos sitios a lo largo de la cadena gigante de DNA de cada cromosoma
En esta microfotografía se observan tres burbujas de replicación a lo largo del DNA de una célula cultivada de hámster chino (TEM).
ELONGACIÓN DE LA CADENA NUEVA DE DNA
La elongación de una cadena nueva de DNA en la horquilla de replicación se cataliza por enzimas denominadas DNA polimerasas. A medida que los nucleótidos individuales se alinean con nucleótidos complementarios a lo largo de la cadena molde de DNA, la ADN polimerasa los añade, uno a uno, al extremo en crecimiento de la nueva cadena de DNA. La velocidad de elongación es de alrededor de 500 nucleótidos pr segundo en las bacterias y 50 por segundo en las células humanas. En E.coli participan en la replicación dos DNA polimerasas diferentes; la DNA polimerasa III y la DNA polimerasa I. La situación en los eucariotas es más complicada, habiendo al menos 11 DNA polimerasas diferentes, sin embargo los principios generales son los mismos. Cada nucleótido que se añade a una cadena de DNA en crecimiento es, en realidad, un nucleósido trifosfato, esto es, un nucleósido con tres grupos fosfato. Como el ATP, los monómeros trifosfato utilizados para la síntesis de DNA son químicamente reactivos, en parte, porque sus restos trifosfato tienen un grupo inestable de cargas negativas. A medida que cada monómero se une al extremo en crecimiento de una cadena de DNA, pierde dos grupos fosfato como una molécula de pirofosfato. La hidrólisis posterior del pirofosfato a dos moléculas de fosfato inorgánico, es la reacción exergónica que impulsa la reacción de polimerización.
LE 16-13 Cadena nueva 5’ extremo
Cadena molde 3′ extremo
5’ extremo
3′ extremo
pentosa fosfato
Base
3′ extremo
DNA polymerase
pirofosfato Nucleosido trifosfato
5’ extremo
3’ extremo
5′ extremo
LE 16-14
3′ 5′
DNA parental
Hebra adelantada
5′ 3′
Okazaki fragmentos Hebra retrasada 3′ 5′ DNA pol III
Cadena molde
Cadena adelantada Cadena retrasada
Cadena molde
DNA ligasa
Overall direction of replication
ELONGACIÓN ANTIPARALELA
¿Cómo afecta la estructura antiparalela de la doble hélice a la replicación? Las DNA polimerasa agregan nucleótidos solo al extremo 3’ libre de una cadena de DNA en crecimiento, nunca al extremo 5’. De este modo, una cadena de DNA nueva se puede alargar solo en la dirección 5’----- 3’. A lo largo de la cadena molde la DNA polimerasa III puede sintetizar una cadena complementaria de forma continua por medio del alargamiento de la cadena nueva en la dirección obligatoria 5’----3’. La DNA polimerasa III se acomoda simplemente en la horquilla de replicación sobre la cadena molde y agrega nucleótidos de forma continua a la cadena complementaria a medida que la horquilla progresa. La cadena de DNA sintetizada por medio de este mecanismo se llama hebra adelantada.
ELONGACIÓN ANTIPARALELA
Para elongar la otra cadena nueva de DNA en la dirección obligatoria 5’---3’, la ADN polimerasa III debe actuar a lo largo de la otra cadena molde en dirección contraria a la horquilla de replicación. La cadena de DNA sintetizada en esta dirección se denomina Hebra retrasada. En contraste con la hebra adelantada, que se alarga continuamente, la hebra retrasada se sintetiza como una serie de segmentos. Una vez que la burbuja de replicación se abre lo suficiente, una molécula de poli III se adhiere al molde de la hebra retrasada y se aleja de la horquilla de replicación, para sintetizar un segmento corto de DNA A medida que crece la burbuja se puede elaborar otro segmento de la hebra retrasada de una manera similar. Estos segmentos de la hebra retrasada se llaman fragmentos de Okazaki. Los fragmentos tienen de 1000 nucleótidos a 2000 nucleótidos de longitud en E. coli y de 100 a 200 en los eucariotas. Otra enzima la DNA ligasa, finalmente une el esqueleto de azúcar-fosfato de los fragmentos de Okazaki y forma una cadena de DNA nueva.
LE 16-15_1 3′
Primase joins RNA nucleotides into a primer. 5′ 5′
3′
Template strand
Overall direction of replication
La primasa une los nucleótidos de RNA formando un cebador
LE 16-15_2 3′
Primase joins RNA nucleotides into a primer. 5′ 5′
Template strand
3′
3′ DNA pol III adds DNA nucleotides to the primer, forming an Okazaki fragment.
RNA primer 5′
Overall direction of replication
3′
5′
La DNA pol III añade nucleótidos de DNA Al cebador y forma un fragmento de Okazaki
LE 16-15_3 Primase joins RNA nucleotides into a primer.
3′
5′ 5′
Template strand
3′
3′ DNA pol III adds DNA nucleotides to the primer, forming an Okazaki fragment.
RNA primer
3′
5′
5′
3′
After reaching the next RNA primer (not shown), DNA pol III falls off.
Okazaki fragment
3′ 5′
5′
Overall direction of replication
Después de alcanzar el cebador siguiente la DNA pol III se desprende
LE 16-15_4 Primase joins RNA nucleotides into a primer.
3′
5′ 5′
Template strand
3′
3′ DNA pol III adds DNA nucleotides to the primer, forming an Okazaki fragment.
RNA primer
3′
5′
5′
3′
After reaching the next RNA primer (not shown), DNA pol III falls off.
Okazaki fragment
3′ 5′
5′ After the second fragment is primed, DNA pol III adds DNA nucleotides until it reaches the first primer and falls off. 5′
3′
3′
5′
Overall direction of replication
Después de cebar el segundo fragmento, la DNA pol III agrega nucleótidos de DNA Hasta alcanzar el primer cebador y se desprende
LE 16-15_5 Primase joins RNA nucleotides into a primer.
3′
5′ 5′
3′
Template strand
3′
DNA pol III adds DNA nucleotides to the primer, forming an Okazaki fragment.
RNA primer
3′
5′
5′
3′
After reaching the next RNA primer (not shown), DNA pol III falls off.
Okazaki fragment
3′ 5′
5′ After the second fragment is primed, DNA pol III adds DNA nucleotides until it reaches the first primer and falls off. 5′
3′
3′
5′
5′ 3′
DNA pol I replaces the RNA with DNA, adding to the 3′ end of fragment 2.
3′ 5′
Overall direction of replication
La DNA pol I reemplaza el RNA con DNA y lo añade al extremo 3’ del fragmento 2.
LE 16-15_6 Primase joins RNA nucleotides into a primer.
3′
5′ 5′
3′
Template strand
3′
DNA pol III adds DNA nucleotides to the primer, forming an Okazaki fragment.
RNA primer
3′
5′
5′
3′
After reaching the next RNA primer (not shown), DNA pol III falls off.
Okazaki fragment
3′ 5′
5′ After the second fragment is primed, DNA pol III adds DNA nucleotides until it reaches the first primer and falls off. 5′
3′
3′
5′
5′ 3′
DNA pol I replaces the RNA with DNA, adding to the 3′ end of fragment 2.
3′ 5′
DNA ligase forms a bond between the newest DNA and the adjacent DNA of fragment 1.
The lagging strand in the region is now complete.
5′
3′
3′
5′
Overall direction of replication
La DNA ligasa forma un enlace entre el DNA más nuevo y el DNA adyacente del fragmento 1
LE 16-16
Dirección general de la replicación
Hebra Hebra Origin of replication retrasad adelantada
Hebra retrasada
DNA pol III
Hebra adelantada
Hebra adelantada
5′
3′ Parental DNA
Horquilla de replicación Primasa cebador
DNA ligasa DNA pol I
DNA pol III Hebra retrasada
3′ 5′
PREPARACIÓN DE LA SÍNTESIS DE DNA
Las DNA polimerasa no pueden iniciar la síntesis de un polinucleótido; solo pueden añadir nucleótidos al extremo 3’ de una cadena ya existente que está apareada con las bases de la cadena molde o plantilla. La cadena de nucleótidos inicial es un segmento corto llamado cebador. Los cebadores pueden estar compuestos de DNA o RNA y cuando se inicia la replicación del DNA , el cebador es un segmento corto de RNA con un extremo 3’ disponible. Una enzima denominada primasa puede comenzar una cadena de RNA dese el principio. La primasa une los nucleótidos de RNA de a uno por vez y sintetiza un cebador complementario de la cadena molde en el lugar donde se producirá la iniciación de la nueva cadena de DNA ( los cebadores tienen por lo general de 5 a 10 nucleótidos de largo). Luego la DNA pol III añade un nucleótido de DNA al extremo 3’ del cebador RNA y continúa agregando nucleótidos a la cadena de DNA en crecimiento de acuerdo con las reglas del apareamiento de bases.
PREPARACIÓN DE LA SÍNTESIS DE DNA
Solo se requiere un cebador para que la DNA pol II comience a sintetizar la cadena adelantada.
Para sintetizar la cadena retrasada, sin embargo, cada fragmento de Okazaki debe cebarse por separado. Otra enzima, la DNA polimersa I sustituye los nucleótidos de RNA de los cebadores con versiones de DNA, añadiéndolos uno a uno sobre el extremo 3’ del fragmento de Okazaki adyacente. Pero la DNA pol I no puede unir el nucleótido final de este segmento de DNA de reemplazo al primer nucleótido de DNA del fragmento de Okazaki cuyo cebador acaba de ser reemplazado. La DNA ligasa realiza esta tarea, uniendo el esqueleto de azúcarfosfato de todos los fragmentos de Okazaki en una cadena continua de DNA.
OTRAS PROTEÍNAS PARTICIPAN EN LA REPLICACIÓN DEL ADN
La helicasa, es una enzima que desenrolla la doble hélice en la horquilla de replicación y separa las dos cadenas parentales para que estén disponibles como cadenas molde. Este densenrollamiento genera un enrollamiento más tenso y tensión por delante de la horquilla de replicación y la toposiomerasa ayuda a aliviar esta tensión. Después de que la helicasa separa las dos hebras parentales, las moléculas de la proteína de unión cadena simple se unen a las cadenas desapareadas del DNA para estabilizarlas hasta que sirvan como moldes para la síntesis de nuevas cadenas complementarias.
¿SABÍAS QUÉ…?
Los errores en la molécula de ADN completa son solo uno por cada 10.000 millones de nucleótidos, los errores iniciales en el apareamineto entre los nucleótidos que entran y los de la cadena molde son 100.000 veces más comunes; una tasa de error de uno en 100.000 pares de bases. Durante la replicación del ADN, las ADN polimerasas cotejan cada nucleótido con su molde tan pronto como se añaden a la cadena en crecimiento. Al encontrar un nucléotido apareado de forma incorrecta, la polimerasa lo elimina y luego reanuda la síntesis. Los nucleótidos mal apareados a veces evaden la corrección de pruebas realizada por la ADN polimerasa o aparecen después de terminar la síntesis, por ejemplo por daño de una base de nucleótido ya existente. En la reparación de errores de apareamiento, las células emplean enzimas especiales para corregir los nucleótidos apareados incorrectamente. Los investigadores destacaron la importancia de estas enzimas cuando encontraron que un defecto hereditario en una de ellas se asociaba con una forma de cáncer de colon. Este defecto permitiría que se acumularan errores en al EAD que causan cáncer a una velocidad más rápida de lo normal.
¿SABÍAS QUÉ…?
El mantenimiento de la información genética codificada en el ADN requiere reparaciones frecuentes de diversas clases de daños del ADN existente. Las moléculas de ADN están expuestas de manera constante a agentes químicos y físicos potencialmente nocivos. Además las bases a menudo sufren cambios químicos espontáneos en condiciones celulares normales. Por fortuna, es habitual que se corrijan los cambios antes de que se conviertan en mutaciones autoperpetuadas. Cada célula vigila y repara continuamente su material genético. Dado que la reparación del ADN dañando es tan importante para la supervivencia de un organismo, no es sorprendente que hayan evolucionado muchas enzimas diferentes para la reparación del ADN. Se conocen en E. coli 100 y hasta ahora, se han identificado alrededor de 130 en los seres humanos. A continuación se muestra la reparación del daño del ADN por escisión de nucleótidos. Esta figura muestra al ADN que contiene un dímero de timina, un tipo de daño causado a menudo por la radiación ultravioleta. Una enzima nucleasa corta la región dañada del ADN y una ADN polimerasa la reemplaza con un segmento normal la ligasa completa el proceso cerrando la ruptura en el esqueleto de azúcar-fosfato.
LE 16-17 un dímero de timina distorsiona la molécula de DNA
una enzima nucleasa corta la cadena de DNA dañada en dos puntos y se elimina la sección dañada Nuclease
la síntesis de reparación por una DNA polimerasa completa los nucleotidos que faltan
DNA polymerase
DNA ligase
La DNA ligasa sella el extremo libre del DNA nuevo al viejo, y completa la cadena
XERODERMIA PIGMENTOSA La xerodermia pigmentosa (xeroderma pigmentosum), también abreviada XP, es una rara enfermedad hereditaria de la piel que tiene carácter autosómica recesiva y en donde el homocigoto recesivo muestra una marcada tendencia a desarrollar cáncer de piel como consecuencia de la exposición al sol; los heterocigotos son frecuentemente asintomáticos, es decir, no desarrollan la enfermedad. Está causada por un mal funcionamiento de los mecanismos de reparación del ADN, y fue la primera enfermedad de este tipo conocida.[1
Xerodermia pigmentosa
La xerodermia pigmentosa está asociada con un defecto en el mecanismo de reparación del ADN dañado por la luz ultravioleta, concretamente la reparación por escisión de nucleótido (NER). La lesión más significativa que produce la luz ultravioleta sobre el ADN consiste en la formación de los dímeros de timina; dos timinas adyacentes (en una misma cadena de ADN) se sueldan covalentemente, determinando problemas muy serios en el proceso de replicación del ADN, que finalmente explican molecularmente las alteraciones que presentan los paciente con XP.
XERODERMIA PIGMENTOSA
La xerodermia pigmentosa se hereda de modo recesivo; los individuos violeta son heterocigóticos (portadores sanos); el individuo rojo es homocigótico recesivo (enfermo).
AMPLIANDO CONOCIMIENTOS Pese al papel fundamental que desempeña la polimerasa en la replicación y la reparación del ADN, existe una pequeña porción del ADN de las células que estas enzimas no pueden replicar o reparar. Para el ADN lineal, como el de los cromosomas en los eucariotas, el hecho de que ADN polimerasaa pueda agregar nucleótidos solo al extremo 3’ de un polinucleotído preexistente produce un problema. La maquinaria habitual de replicación no ofrece ninguna manera de completar los extremos 5’ de las cadenas hijas de ADN. Aunque un fragmento de Okazaki se puede comenzar con un cebador de ARN unido al extremo mismo de una cadena molde, una vez que se elimina el cebador no puede ser reemplazado por ADN porque no existe extremo 3’ donde la ADN polimerasa pueda añadir nucleótidos de ADN. Como consecuencia los ciclos repetidos de replicación producen moléculas de ADN cada vez más cortas.
AMPLIANDO CONOCIMIENTOS
Los procariotas no tienen este problema porque su ADN es circular, pero que sucede con los eucariotas. Las moléculas de ADN cromosómico tienen secuencias llamadas telómeros, en sus extremos. Los telómeros no contienen genes, en cambio, el ADN se compone de repeticiones múltiples de una secuencia nucleotídica corta. La unidad repetida en los telómeros humanos es, por ejemplo, la secuencia de seis nucleótidos TTAGGGEl número de repeticiones en un telómero varia desde 100 hasta 1000. El ADN telomérico protege a los genes del organismo de ser erosionados a través de los ciclos sucesivos de replicación del ADN. Como pondríamos esperar, el ADN telomérico tiene a ser más corto en las células somáticas en división de los individuos mayores y en las células cultivadas que se han dividido muchas veces. Se ha propuesto que el acortamiento de los telómeros está conectado de alguna manera con el proceso de envejecimiento de ciertos tejidos e incluso con el envejecimiento del organismo en su totalidad. Si los cromosomas de las células germinales se volvieran más cortos en cada ciclo celular, faltarían genes esenciales en los gametos que produjeran. por fortuna, esto no ocurre; una enzima llamada telomerasa cataliza el alargamiento de los telómeros en las células germinales de los eucariotas y restaura, de este modo, la longitud original, compensando el acortamiento que se produce durante la replicación. El proceso de alargamiento es posible por la presencia, en la telomerasa, de una molécula de ARNcorta que sirve como molde para formar nuevos segmentos de telómero. la telomerasa no esta activa en la mayoría de las célula somáticas, pero su actividad en la células germinales mantiene la longitud máxima de los telómeros en el cigoto.
LE 16-18 5′ Extremos de las Cadenas parentales De DNA 3′
Hebra adelantada Hebra retrasada
Último fragmento
Fragmento previo
RNA primer Hebra retrasad 5′ 3′ Se elimina el cebador pero no se puede reemplazar con DNA porque no hay extremos 3’ disponible para 3′ La DNA polimerasa
Eliminación de los cebadores y reemplazo con DNA cuando está disponible un extremo 3’ 5′ Segundo ciclo de replicación
5′ Hebra adelantada nueva3′ Hebra retrasada nueva5′ 3′ Ciclos de replicación posteriores Moléculas hijas más y Más cortas
LE 16-18A
5′ Extremo de las cadenas parentales de DNA
Hebra adelantada Hebra retrasada
3′
Ultimo fragmento RNA primer Hebra retrasada 5′ 3′
Fragmento previo
LE 16-18B
Ultimo fragmento
Fragmento previo
RNA primer Hebra retrasada 5′ 3′ Se elimina el cebador pero no se puede reemplazar con DNA porque no hay extremo 3’ disponible para3′ la DNA polimerasa
Eliminación de los cebadores y reemplazo con DNA cuando está disponible un extremo 3’ 5′ Segundo ciclo De replicación 5′
3′ Hebra adelantada nueva Hebra retrasada nueva5′ 3′ Tercer ciclo de replicación Moléculas hijas más y más cortas
LE 16-19
1 µm
Fuente: Biología Campbell Reece, Bioquímica estructural Macarulla