Clase 8. Organización del Genoma y Replicación del DNA

15/10/2009
Clase 8. Organización del
Genoma y Replicación del
DNA
La vida depende de la capacidad de las
células para almacenar, recuperar y
expresar las instrucciones genéticas
(genes) necesarias para producir y
mantener un organismo vivo.
Durante la primera mitad del S. XX se sabía
que de los genes estaban localizados en los
cromosomas en el núcleo celular.
La información
hereditaria se
transmite de unas
células a otras
mediante la división
celular y de una
generación a otra
mediante las células
reproductoras.
Niels Bohr (uno de los más ilustres
físicos del S. XX), expone la idea de
que algunos de los fenómenos
biológicos podrían no ser
completamente explicables en
función de conceptos físicos y
químicos convencionales. En opinión
de Bohr, y de algunos de sus
discípulos, la herencia biológica era
claramente uno de estos fenómenos.
Se desconocía por completo la naturaleza
físico-química del gen.
En los años 40, un nutrido grupo de científicos
comenzó a interesarse por la base física de la
información genética.
Erwin Schrödinger expone la idea de que el
estudio de la materia viva, y más
concretamente del gen, podría revelar la
existencia de "otras leyes físicas" que
aguardaban ahí a que alguien las descubriese.
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Todavía a comienzos de los años 40 se desconocía
el hecho de que los ácidos nucleicos eran en
realidad macromoléculas que consistían en largas
cadenas polinucleotídicas, formadas por centenares,
miles e incluso millones de nucleótidos unidos por
puentes fosfodiéster.
En este contexto histórico, con un conocimiento
bastante avanzado de la estructura química de las
proteínas y relativamente pobre de la de los ácido
nucleicos, un buen número de investigadores se
decantó inicialmente por las proteínas como
principales candidatas a constituir la base química de
la herencia.
En la década de 1940 se averiguó
que los genes están en el DNA
1944 Oswald T. Aver y
C.M. McLeod y M.J.
McCarty la primera prueba
de que el DNA era después
de todo el material genético
DOGMA CENTRAL DE
LA BIOLOGÍA MOLECULAR
En 1953 se determinó la estructura
del DNA y con ello se dedujo
Transcripción para
dar lugar a copias de
DNA
Traducción para dar
lugar a proteínas
MUTACIONES
Una molécula de DNA está formada por dos
cadenas complementarias de nucleótidos.
El DNA está formado
por dos cadenas
antiparalelas
En una cadena de
ADN se distingue un
extremo 5’ Y otro 3’.
Las cadenas se
enrollan en forma de
hélice con las bases
nitrogenadas en el
interior unidas por
puentes de hidrógeno.
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El DNA explica el mecanismo de la
herencia
La actividad de una proteína depende de su estructura
La estructura de una proteína depende de su secuencia
La secuencia de los nucleótidos en un gen determinan
la secuencia de los aminoácidos en una proteína.
GENOMA: Conjunto completo de la
información almacenada en el DNA de un
organismo.
Cada célula humana contiene 1 metro de
DNA. Si escribiéramos la secuencia de
nucleótidos en el alfabeto de cuatro
letras, la secuencia de un gen humano
pequeño ocupa la cuarta parte de una
página de texto, mientras que la
secuencia del DNA del genoma humano
llenaría más de 700.000 hojas enteras.
Mucho del ADN de una célula eucariota no tiene función o bien la misma no es
conocida.
Complejidad de los
genomas eucariotas
El tamaño del
genoma no se
corresponde con la
complejidad de los
individuos.
En el DNA puede hablarse de dos partes
Solo el 2% del ADN eucariota codifica para proteínas.
Prácticamente la mitad del ADN eucariota corresponde a secuencias
nucleotídicas repetidas.
DNA no codificante
(Más del 90%)
Posee muchas
secuencias
repetitivas
DNA codificante (Una
proporción muy
pequeña)que da lugar
a RNA. Este DNA es
el que forma los
genes.
En humanos sólo
tenemos entre 20.000
a 25.000 genes
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SECUENCIAS REPETITIVAS
Altamente repetitivas
(de función desconocida)
SATÉLITES: 5-50 pares de
bases, repetidas hasta un millón
de veces.
MINISATÉLITES: 12-100
pares de bases, repetidas un
número variable de veces, son
marcadores genéticos
moleculares de cada persona.
MICROSATÉLITES: 1-5 pares de
bases, en grupos de 10-50 copias
Moderadamente
repetitivas:
EXONES : región
codificadora de
proteínas.
TELÓMEROS, se encuentran en
los extremos de los cromosomas.
En el ser humano esta secuencia
es TTAGGG y se repite unas
2500 veces.
INTRONES :
regiones no
codificantes situadas
entre los intrones .
Secuencias codificadores de
ARNt y ARNr: existen múltiples
copias de ADN que codifican
para estos ARN, ya que se
precisan en grandes cantidades
Familias de Genes
A veces encontyramos varios genes para
codificar proteínas casi idénticas (pero no
iguales). Al conjunto de estos genes se le
llama familia de genes.
Un ejemplo son las familias de genes de
la globina:
El DNA se encuentra asociado a
proteínas (el doble).
La proteínas
principales: HISTONAS
(pequeñas y con gran
cantidad de aa básicos.
Dentro de un gen suelen existir dos regiones
Otras proteínas:
Más de un millar.
Los genes de la beta globina se encuentran distribuidos en
cinco loci en el cromosoma humano Nº 11. Estos genes se
expresan secuencialmente durante el desarrollo, es decir,
en cada etapa diferente del desarrollo se expresa un gen
diferente para la subunidad β. En la familia también
pueden encontrarse genes inactivos.
α
β
El DNA eucariota se presenta en dos formas.
La cromatina que es la forma no
empaquetada.
Los cromosomas que son ADN y proteínas
empaquetados y se forman durante los
primeros estadíos de la división celular.
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Se distinguen dos tipos de cromatina:
La unidad básica de la
cromatina es el
NUCLEOSOMA
Eucromatina: menos condensada. En ella
se encuentran los genes.
Heterocromatina: más condensada. DNA
no codificante.
REPLICACIÓN DEL DNA
Copia de la doble cadena de DNA
Necesaria para la reproducción celular antes de la
división celular
Cada cadena actúa como
MOLDE de la otra cadena
Fábrica de
replicación
A sólo se apareará
con éxito con T y G
con C
Adición de un
desoxirribonucleótido al extremo
3’-hidroxilo de una cadena de
polinucleótico. La síntesis se
hace en sentido 5’ a 3’.
La replicación del DNA es semiconsevativa. A
partir de dos hebras madre se forman dos
Hebras mixtas (1 madre + 1 nueva)
Fábrica de
replicación
Los nucleótidos entran en la
reacción como nucleótidos
trifosfato. La rotura del enlace
libera la energía necesaria para
la polimerización.
Fábrica de
replicación
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Están implicadas varias proteínas
Las proteínas actúan de manera coordinada
Fábrica de
replicación
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1. La helicasa (hexámero con forma de anillo)
desenrolla las cadenas de DNA y las abre.
2. La SSB mantiene las cadenas separadas.
Evita que se vuelvan a formar enlaces de
hidrógeno.
3. La Primasa sintetiza pequeñas cadenas de
RNA: los cebadores
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4. La DNA polimerasa sintetiza la nueva cadena de
DNA a partir del cebador.
5. La DNA polimerasa es enganchada a la cadena
de DNA por la proteína auxiliar Sliding Clamb.
6. La RNasa rompe los cebadores y la DNA
polimerasa sintetiza DNA que ocupa el lugar
1. FASE DE INICIACIÓN.
La replicación del DNA se inicia en un lugar concreto del cromosoma
denominado origen de replicación.
El origen de replicación consiste en un tramo de 245 pares de base de longitud,
conocido como oriC, que contiene varias repeticiones en serie de secuencias
específicas de nucleótidos que han podido ser identificadas. Estas secuencias
son ricas en pares A-T, lo que facilita la apertura de la doble hélice, y son
reconocibles por proteínas específicas que se fijan a ellas.
Las helicasas abren la horquilla
7. La ligasa une los extremos de DNA contiguos
Horquilla de replicación: Lugar dónde se está sintetizando
Las cadenas de DNA son antiparalelas
1. FASE DE ELONGACIÓN..
La DNA polimerasa es incapaz de empezar desde cero, tiene que partir de
una cadena presintetizada a la que le va añadiendo nucleótidos
La primasa sintetiza una pequeña cadena de RNA llamadas cebadores o
primers.
las proteínas SSB protegen las cadenas abiertas del ataque de nucleasas que
podrían degradarlas y de evitar que se reconstruya la doble hélice..
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La polimerasa sólo es capaz de añadir
nuclecleótidos a extremos 3’
Cuando la DNA polimerasa tropieza con RNA
de un fragmento de Okazaki se para.
La cadena conductora es sintetizada de forma
contínua.
La resagada es sintetizada de manera
discontinua.
A los trozos de DNA separados por cebadores
de RNA se les conoce como Fragmentos de
Okazaki.
Una RNasa rompe el trozo de RNA y
La DNA ligasa une los fragmentos de DNA
La polimerasa puede continuar la síntesis
Para completar la replicación sólo falta unir estos fragmentos y de ello se
encarga un enzima específico, la DNA ligasa, que sella las uniones
pendientes entre el último nucleótido de cada fragmento y el primero del
siguiente, consumiendo para ello energía de la hidrólisis del ATP. Es
conveniente resaltar que, si bien se han descrito como fenómenos separados
en el tiempo para facilitar su comprensión, la eliminación de los cebadores y
el sellado de los fragmentos de Okazaki discurren en realidad en paralelo con
el avance de las horquillas de replicación.
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FASE DE TERMINACIÓN
El lugar de terminación de la
replicación está señalizado por una
secuencia específica de nucleótidos
(el lugar Ter) a la que se fija una
proteína específica que bloquea el
avance de las helicasas cuando
llegan a ella.
Gracias a la acción de la telomerasa la longitud de los
telómeros permanece aproximadamente constante a
lo largo de las sucesivas generaciones celulares. Sin
embargo, se ha comprobado que la actividad de este
enzima varía considerablemente entre distintos tipos
de células eucariotas. Se muestra particularmente
activa en los organismos eucariontes unicelulares y
en las células germinales de los pluricelulares (células
en las que la conservación de la integridad del
genoma es inexcusable), pero esta actividad decae
considerablemente en las células somáticas de estos
últimos. Así, cuando estas células se dividen
sucesivamente sus telómeros se van acortando hasta
que su información genética resulta afectada con el
consiguiente deterioro y muerte celular.
Cada vez que una célula se va a dividir replica (copia) su DNA es decir se
copian millones de pares de nucleótidos en cada división.
Una célula animal en división copiará, en unas 8 horas, el equivalente a
700.000 páginas y no introducirá más de una o dos letras erróneas. Esto
es posible el trabajo de un conjunto de proteínas que forman una
“maquinaria de replicación”.
El problema del final de la replicación en los
extremos de los cromosomas eucariotas
denominados telómeros
En los telómeros la replicación de la hebra conductora
finaliza sin complicaciones ya que las DNA polimerasas
finalizan la síntesis en el lugar exacto en el que finaliza
el molde. Por el contrario, en la hebra rezagada el
cebador del último fragmento de Okazaki es colocado
exactamente en el extremo 5’, emparejado con la
cadena molde; cuando la exonucleasa elimina este
cebador ninguna DNA polimerasa podrá rellenar el
hueco que deja. De este modo, la replicación queda
inconclusa en el extremo 5’ y cuando en el siguiente
ciclo replicativo la cadena así acortada sirva de molde
para la síntesis de su complementaria se habrá perdido
definitivamente un tramo de la cadena polinucleotídica.
Se ha especulado mucho con la idea de que el acortamiento de los telómeros en
las células somáticas pueda estar relacionado con los procesos de
envejecimiento general del organismo y de que una potenciación de la actividad
de la telomerasa en estas células pudiera resultar útil para retrasarlo. Existe un
grave inconveniente: la actividad de la telomerasa es particularmente alta en la
mayoría de las células tumorales. En realidad, la desactivación de este enzima en
las células somáticas podría funcionar como un eficaz mecanismo de prevención
del cáncer, ya que el acortamiento de los telómeros actuaría como una especie
de reloj biológico que conduciría a la muerte celular antes de que una célula
pueda acumular las mutaciones necesarias para convertirse en tumoral. Por el
contrario, las células portadoras de una mutación que reactive la telomerasa
serían candidatas a convertirse en cancerígenas. El bloqueo selectivo de la
actividad de la telomerasa en estas células podría constituir una vía para el
tratamiento de esta enfermedad.
La estabilidad de los genes depende
de la reparación del DNA
Cada día se producen miles de cambios químicos
aleatorios en el ADN de una célula como consecuencia de
la energía térmica y debido accidentes metabólicos, la gran
mayoría son eliminados por la maquinaria de reparación
del DNA. Si esta maquinaria falla se produce una mutación
que puede ser letal para la célula.
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