2 La naturaleza del material genético y el código genético. Objetivo

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La naturaleza del material genético
y el código genético.
Objetivo: Describir la estructura molecular
de ADN y del ARN y la función de los
ácidos nucleicos.
2.1 Organización celular.
“En muchos aspectos conocemos mejor la estructura del
universo que los mecanismos de las células vivientes. Es
posible calcular la edad del sol y predecir cuando va a
apagarse, pero no podemos explicar como es que un ser
humano puede vivir 80 años y un ratón solo 2. Actualmente
conocemos las secuencias genómicas de éste y muchas otras
especies, pero no podemos predecir como una célula se
comporta si mutamos un gen nuevo (o poco estudiado).
Las estrellas pueden ser 1043 veces mas grandes, pero una sola
célula es mas compleja y con mas productos sorprendentes de
las leyes de física y química. A través de la herencia y la
selección natural, operando desde inicio de la vida en la tierra
hasta el día de hoy, las células vivas se han ido refinando
progresivamente y aumentando su maquinaria molecular, y
registrando los resultados de sus experimentos como
instrucciones genéticas que transfieren a su progenie. Entre
mas se estudian las células a nivel molecular, mas resta por
descubrir…”
Alberts 2008. The molecular biology of the cell.
Cromosomas visibles solo
durante división celular.
Estructura química del ADN descrita en 1953 con
características necesarias para funcionar como
material genético (heredable):
Cromatina es el material
genético de la célula en
reposo.
Complementariedad
A-T
G-C
Variablidad
A-T
G-C
TCTA-
DNA
Nucleosoma
DNA y complejo de histonas (H2A,
H2B, H3 y H4) con dos copias c/u.
Solenoide
Nucleosoma= ocho
proteínas histónicas + una
fibra de ADN de 200 pares
de bases
Cromatina
condensada=Nucleosoma
+ 1 histona
En el hombre hay 23 pares
(cariotipo):
22 autosomas (no sexual)
1 heterosoma (sexual)
Hombre XY
Mujer XX
Cada uno viene por duplicado
(diploide):
1 gameto masculino
+ 1 gameto femenino
Haploide solo una copia
(durante la meiosis).
Características comunes de todas las células
•Todas tienen una membrana celular que separa el caos fuera de la célula con
el alto grado de organización interno celular.
Una célula sin membrana no es una célula.
•Toda vida celular contiene DNA como material genético. Todas las células
contienen variedades de moléculas de RNA y Proteínas (la mayoría enzimas).
•Todas las células están compuestas de los mismos químicos básicos:
carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos, grasas y vitaminas.
Asas
•Todas las células regulan el flujo de nutrientes y desechos que entran y salen.
•Todas las células se reproducen y son el resultado de la reproducción.
Giro (30 rosetas) *
Dominio funcional o unidad de
replicación.
Cromosoma totalmente
condensado (metafase).
•Todas las células requieren una fuente de energía.
•Todas las células están altamente reguladas mediante sistemas elaborados de
detección que les permite estar alertas de cualquier reacción que ocurre a su
interior y de las condiciones del ambiente que las rodea. Esta información es
continuamente procesada para tomar decisiones metabólicas.
1
Células PROCARIOTAS,
células primitivas
Son menos complejas
Anabaena azolla
Cianobacteria, 2.8 billones de años
Bacterias
Células EUCARIOTAS son mas complejas estructural y bioquímicamente
Formas libres
Representan un estadio mas avanzado de la evolución al
fusionar en una sola célula diversas células procariotas
interdependientes.
Tienen un nivel de organización mas elevado ya que
contienen organelos o estructuras separadas por
membranas de otros componentes citoplasmáticos.
Tejido de la cebolla
Células eucariotas
Virus:
- No célula!???
- Infectan toda clase de organismos vivos.
- Contienen sus propios elementos genéticos
(DNA o RNA)
- Utiliza sistema de traducción del hospedero
para sintetizar sus proteínas.
La idea central de la
evolución biológica es
que todos los seres
vivientes sobre la
Tierra comparten un
ancestro común
Spuntik 2008!!
T4 Infecta E. coli
Los seres humanos no
evolucionaron de los
chimpancés. Humanos y
chimpancés son primos
evolutivos y comparten un
ancestro común reciente
que no fue ni chimpancé ni
humano.
(Science 3 March 2006.311(5765):1283 – 1287)
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Dos tipos de células:
Principales organelos (célula Eucariota)
MITOCONDRIAS
En la célula animal son estructuras productoras de ATP = Energía.
Funciones:
– Respiración.
– Biosíntesis de esteroides y algunos ac grasos.
– Síntesis de ATP.
Contienen DNA y maquinaria para la síntesis de proteínas, similar a la de
procariotas (Ribosomas 70S).
Tienen doble membrana (como gram -).
División por fisión binaria.
El humano las hereda completamente de la madre de modo que mutaciones
en el DNA mitocondrial dan indicios únicamente del linaje materno.
Núcleo (membrana nuclear)
Nucleoide (sin membrana)
Organelos abundantes y con membrana
Organelos escasos y sin membrana
DNA linear, sin DNA extracromosomal
DNA circular, con DNA extracromosomal
Ribosomas grandes (80 S)
Ribosomas pequeños (70 S)
CLOROPLASTOS
En la célula vegetal convierte la luz solar
en energía y permite la fotosíntesis fijando
dióxido de carbono en forma de azúcar.
División por fisión binaria.
Tienen su propio DNA, circular, enrollado,
sin histonas y con múltiples copias
(similar al de cianobacterias).
Posen sus propios RNA´s (t y r)
Genomas y pliegues membranales
similar al de eubacterias.
Genoma pequeño sin intrones.
Diversas copias del genoma por mitocondria. No tiene histonas asociadas.
Una célula con muchas mitocondrias.
APARATO DE GOLGI
Secreta substancias (glicosilación de proteínas o lípidos, selección,
destinación, almacenamiento y distribución de lisosomas y síntesis de
polisacáridos de la matriz extracelular).
1 Núcleo (envoltura nuclear).
2 Poro nuclear.
3 Retículo endoplasmatico granuloso (REG).
4 Retículo endoplasmatico liso (REL).
5 Ribosoma sobre el REG.
6 Proteínas transportadas.
7 Vesícula golgiana.
8 Aparato de Golgi.
9 Cara cis del aparato de Golgi.
10 Cara trans del aparato de Golgi.
11 Sacos membranales de un dictyosoma.
Aparato de golgi, Regula el trafico vehicular
mediante vesículas, modificaciones posttraduccionales (O-Glycosilacion, Sulfatación y
Fosforilación).
RE Retículo endoplasmatico, no es organelo
RER (3), sitio de la traducción y transporte de
proteínas.
REL (4), síntesis de lípidos, metabolismo de
glúcidos (N-Glycosilacion) o almacén de calcio.
Polyribosomas y Retículo Endoplasmatico
La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos
genéticos principales, como la auto-duplicación del ADN o la síntesis de ARN. Además
esto posibilitó que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en los
ribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a medida que la
ARN polimerasa sintetiza el ARN, simultáneamente el extremo 5’ se une al ribosoma y
comienza la traducción.
3
Ribosomas y proteínas
Poliribosomas=polysomas
Son agrupaciones de ribosomas asentados en el mRNA para sintetizar proteínas.
En ocasiones se encuentran libres en el citoplasma (polyribosomas libres).
Los ribosomas son pequeñas partículas de ribonucleoproteinas (20x30 nm).
Se conforman de dos subunidades.
Rutas de secreción proteica
• Proteína es una cadena de aminoácidos (aa).
• Hay 20 aa, cada uno con diferente comportamiento
químico.
• Esta cadena no permanece linear sino que se pliega
según las propiedades de cada aa.
• La conformación de una proteína determina su función.
• La secuencia de los diferentes aa produce proteínas
con diferentes conformaciones y funciones.
• Los genes determinan la secuencia de aa en una
proteína.
• Cambios en el gen (mutaciones) pueden cambiar la
secuencia de aa de la proteína y alterar su conformación
y su función.
NUCLEO
™ Es el organelo más grande de la célula eucariota.
™ Contiene los cromosomas, DNA y enzimas
necesarias para sintetizarlo y transcribirlo.
™ Dirige el desarrollo y funcionamiento de la célula controlando las
reacciones químicas del citoplasma y almacena la información necesaria
para la división celular.
™ Los eritrocitos (glóbulos rojos) maduros de los mamíferos carecen
de núcleo (y de mitocondrias).
™ Existen algunas células eucariotas con 2 o mas núcleos (hongos y ciliados).
Rodeado por una envoltura nuclear
(6) de doble membrana que se
fusiona a intervalos regulares y
forma los poros nucleares (3) que
permiten
intercambios
nucelocitoplasmaticos como la salida de
mRNA. Separa las reacciones
químicas
de
aquellas
del
citoplasma.
NUCLEO…
La membrana externa es continua
con el Retículo Endoplasmatico
Granuloso (REG, 7) y presenta
ribosomas
sobre
su
lado
citoplasmático (2).
El espacio perinuclear entre las
dos membranas (1) es continuo al
REG.
La membrana interna esta cubierta
por una red de proteínas (lamina o
nucleoesqueleto) que participan en
la organización de los movimientos
de la cromatina durante las
diferentes fases del ciclo celular.
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Núcleo, sede de la replicación (duplicación del ADN) y la transcripción
(síntesis de ARN), mientras que la traducción ocurre en el citoplasma. En
las células procariotas todos esos procesos coinciden en el mismo
compartimento celular.
NUCLEO…
En su interior se encuentran uno o varios
nucleolos (4) cubiertos por una matriz
fibrosa llamada nuceloplasma (liquido de
consistencia gelatinosa donde se disuelven
sustancias como nucleótidos trifosfatos,
enzimas,
proteínas
y
factores
de
trascripción) y sitentiza el rRNA.
El ADN (5) se encuentra en forma de
cromatina (complejo ADN-proteínas o
cromosomas).
Eucromatina es la forma menos compacta,
genes que son frecuentemente exprimidos.
Plásmidos: DNA
extracomosomal de
pequeño tamaño en
forma circular
Heterocromatina facultativa es la forma
compacta, genes que no son exprimidos.
Heterocromatina constitutiva es la forma
que fabrica los telomeros, centromeros de
los cromosomas.
Plásmido
o DNA extracromosomal
Núcleo
Almacena de forma organizada
los genes en los cromosomas.
Trasporta factores de regulación
y productos génicos a través de
los poros nucleares.
Produce los mensajes que se
traducirán en proteínas.
Produce los ribosomas en la
región nucleolar o nucleolo.
Organiza el desenrollamiento
del DNA durante la replicación y
la transcripción.
Lamina nuclear
Provee soporte interno
espacio o
cisterna
perinuclear
(REG)
(MET Hepatocito. A, Eucromatina; b, RER; c, Mitoncndria).
Heterocromatina:
Condensada y transcripcionalmente inactiva (constitutiva y facultativa).
Localización nuclear periférica. Representa ~10%.
Membrana nuclear
Eucromatina:
No condensada y trascripcionalmente activa o en replicación. Localización
nuclear central.
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Se importan dentro del núcleo:
Complejos de poro nuclear (CPN)
• Las proteínas sintetizadas en el citoplasma necesarias para ensamblar los
ribosomas.
El número de CPN es variable, incrementándose a
medida que aumenta la actividad celular. En una célula
de mamífero hay entre 3000 a 4000 complejos de poro.
CPN constituido por un gran número de proteínas de
disposición octamérica.
• Los factores de transcripción requeridos en la activación o inactivación de los
genes.
Está formado por:
• Los factores de empalme necesarios en el proceso de maduración de los
ribosomas. L
· Ocho columnas proteicas, que forman las paredes
laterales del poro.
Para poder ingresar en el núcleo, las proteínas sintetizadas en el citoplasma
deben contener la señal de localización nuclear (nuclear signal localization,
NSL).
Las moléculas y macromoléculas ensambladas y
exportadas desde el núcleo al citoplasma incluyen:
· Un anillo externo, formado por ocho unidades proteicas.
· Un anillo interno, también con estructura octamérica.
· Proteínas de anclaje que fijan cada columna al espacio
perinuclear.
· Proteínas radiales que se proyectan desde las
columnas hacia la luz del poro, a manera de diafragma
• Las subunidades ribosomales
· Proteínas fibrilares fijas al anillo interno y externo. En
la cara nuclear convergen para formar una canastilla o
cesta. A lo largo de estas fibrillas se ubican
nucleoporinas que intervienen en el transporte de
sustancias a través del poro.
• ARNm. Ellos salen a través del complejo de poro con una proteína especial
que posee una señal nuclear de exportación (nuclear export signal, NES).
15 – 20 nm
• ARN de transferencia
• Factores de transcripción que son devueltos al citoplasma para ser
reutilizados.
· Un poro central o abertura.
Exportación de ARN
Las moléculas de mayor tamaño requieren de una proteína “transbordadora” o
carioportina.
Los ARN maduros se asocian a
proteínas llamadas transportinas, las
cuales actúan como transbordadores
permitiendo el pasaje de ARN al
citoplasma.
La superfamilia de carioportinas esta integrada por:
-importinas (proteínas)
-exportinas (proteínas)
El ARNm es llevado fuera del núcleo.
Los ARNm maduros que presentan la
poli A se asocian con varias
proteínas, formando una partícula de
ribonucleoproteína (RNP).
-transportinas
(ARN maduros)
(Nup)
Las importinas son
heterodímeros,
formados por dos
subunidades (α y ß)
El poro se
dilata y la
proteína es
traslocada
activamente
Actividad en el poro nuclear
(CRBP)
Estas
partículas
se
mueven
linealmente a través de la canasta
nuclear. Al igual que las importinas,
las RNP son recicladas hacia el
núcleo.
En el citoplasma, las CRBP
(cytoplasmic RNA-binding proteins)
reemplazan a las RNP para guiar a
los ARNs a sus destinos citosólicos
correctos.
Estructura y función del nucleolo
Sitio de síntesis de las
subunidades ribosómicas
NE : Envoltura nuclear
C : Citoplasma o citosol
NO : Organizador Nucleolar
PG : Pars Granulosa
PF : Pars Fibrosa
PF- región donde se transcribe el RNA ribosomal con varios cromosomas
encargados de la organización nucleolar.
PG- es la región donde se acumulan las proteínas ribosómicas ó
ribonucleoproteínas.
6
Organizador nucleolar
NO: Cromosomas
PF: rRNA transcrito
PG: Acumulación de ribonucleoproteínas
Ribonucleoproteínas:
Forman las dos subunidades
ribosomales (grande y pequeña).
Son transportadas por separado
fuera del núcleo y se ensamblan en
el citoplasma, lo cual previene la
síntesis de proteínas dentro de el.
Se
adhieren
Endoplasmatico.
al
Retículo
•Los cromosomas ocupan lugares específicos.
•Los genes que codifican productos relacionados, aunque estén localizados en diferentes
cromosomas, pueden estar ubicados próximos en el núcleo interfásico.
Por ejemplo, los cromosomas humanos 13, 14, 15, 21 y 22 poseen un gran número de
genes que codifican para ARNr. Dichos cromosomas están agrupados de tal forma
que los genes de los ARNr están todos juntos y confinados en el nucléolo, el lugar
donde se sintetizan, procesan y ensamblan los ARNr. Esta separación física asegura
que los ARNr puedan ser eficientemente ensamblados dentro de las subunidades
ribosomales.
Durante la síntesis del
rRNA, se observa la forma
de un árbol navideño. La
parte alta del árbol es el
sitio de inicio. Hacia la
parte baja, las “ramas” son
mas largas. Cada una es
una cadena creciente de
rRNA. El codigo DNA esta
siendo transcrito y los
nucleotidos añadidos a la
cadena de RNA.
Lamina nuclear
•Se localiza anexa a la membrana nuclear interna.
•Consiste de una capa de filamentos finos que rodean al núcleo excepto en el poro nuclear.
•Funciona como elemento estabilizador. Implicadas en la organización funcional del núcleo.
Características:
Consiste de filamentos de 30-100 nm de espesor.
Estos filamentos son polímeros de lamina de entre 60-75 kDa.
2
La naturaleza del material genético
y el código genético.
Objetivo: Describir la estructura molecular
de ADN y del ARN y la función de los
ácidos nucleicos.
Laminas tipo A se localizan internamente, junto al nucleoplasma.
Laminas tipo B se localizan junto a la membrana nuclear enlazadas a proteínas
membranles.
2.1 División celular.
Juegan un rol en el ensamblaje y desensamblaje antes y después de la mitosis.
Una vez fosforiladas, se desencadena el desamblaje de la lamina y la envoltura
nuclear se rompe en vesículas.
La de fosforilación revierte este efecto y permite que el núcleo se reconstituya.
La célula eucariota separa los
cromosomas nucleares en dos
juegos idénticos.
Mitosis
G1 :
S:
G2 :
M:
Ciclo celular:
Crecimiento y
división en dos
células hijas
Adquisición de ATP e incremento de tamaño.
Replicación del DNA.
Adquisición de ATP e incremento de tamaño pre-división.
Mitosis, separación nuclear y citoplásmica (Citocinesis).
* Las fases G1, S y G2 son etapas englobadas en la interfase (90% del ciclo).
Para ello deben ser alineados y
replicados de manera
ordenada.
+
Seguida por la citocinesis, que
divide los núcleos, el citoplasma,
los organelos y la célula
membranal en dos células hijas.
= Mitosis
7
Interfase
La célula se dedica a la actividad
metabólica y a almacenar energía para
la mitosis (las próximas cuatro fases
que incluyen la división nuclear).
Cromosomas no son claramente
visibles en el núcleo, aunque una
mancha oscura llamada nucleolo
puede ser visible.
La célula puede contener un par
centriolos (o la organización
centros de microtúbulos en
plantas), ambos son sitios
organización de microtúbulos.
de
de
las
de
El DNA celular esta marcado con DAPI (blue), las mitocondrias están
marcadas con MitoTracker Red CMXRos (rojo) y los microtubulos marcados
con verde con Alexa Fluor 488 adjuntos a anticuerpos secundarios.
“Señales" moleculares en
microtubulos dirigen el
trafico al interior de la célula
guiando proteinas de carga
que viajan a lo largo de la
célula a través de proteinas
fibrosas llamadas
microtubulos. Algunas
enzimas modifican los
microtubulos añadiendo o
removiendo moleculas de
sus superficies.
Dineina
Credito: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation
Tubulina
GTP
Profase
Cromatina en el núcleo comienza a
condensarse y se hace visible en el
microscopio óptico como
cromosomas.
El nucleolo desaparece.
GTP
Centríolos empiezan a moverse a los
extremos opuestos de la célula y las
fibras se extienden desde el
centrómero.
Algunas fibras cruzan la célula para
formar el huso mitótico.
8
Prometafase
La membrana nuclear se disuelve,
marcando el comienzo de prometafase.
Proteínas se enlazan a los centrómeros
creando el cinetocoro.
Microtubulos se unen a cinetocoros y
los y los cromosomas comienzan el
movimiento.
(Lodish, et al., 1995. Molecular Cell Biology, 3rd ed.)
Metafase
Spindle fibres (Uso mitotico) alinea los
cromosomas a lo largo de la mitad del
núcleo celular. Esta línea se denomina la
placa de metafase.
Esta organización ayuda a asegurar que
en la próxima fase, cuando los
cromosomas se separan, cada nuevo
núcleo recibirá una copia de cada
cromosoma.
Los cromosomas son altamente
condensados y el huso mitótico parece
(visible como una serie de túbulos verde en
las imágenes digitales de células en
metafase PtK2 de hígado de ratón).
Los dos polos del huso y las fibras del
huso son claramente visibles, como son los
asters, que migran radialmente fuera de la
placa de metafase.
El huso mitótico contiene las fibras
(microtúbulos) responsables de la
translocación y la separación de los
cromosomas.
9
•Cada huso está compuesto por un conjunto
de microtúbulos ensambladas a partir de
moléculas de tubulina disponibles de la red
microtubular citoplásmica que son
desmontadas para la división celular.
•Los microtúbulos convergen en cada
extremo del eje hasta el punto denominado
el polo del huso o centro mitótico.
•En células animales cada unidad del huso
contiene un par de centriolos, los cuales se
auto-replican. Están rodeados por un arreglo
radial de microtúbulos Aster (estrella).
•Las células vegetales, en cambio, no
contienen centriolos, y su eje mitótico no esta
claramente definidos en los polos. Las
plantas carecen de la serie radial astral
característica de las células animales.
Anafase
Los pares de cromosomas separados en el
cinetocoro se mueven a los lados opuestos de
la célula. El movimiento resulta de una
combinación de movimiento del cinetocoro a
lo largo de los microtúbulos del huso que se
acortan por la perdida de monómeros de
tubulina y de la interacción física de los
microtúbulos polares que se alargan.
Es un proceso muy rápido que dura solo unos
minutos, es la etapa mas corta de la mitosis.
La migración de las cromátidas a los polos
opuestos del huso miótico ocurre a una tasa de
aproximadamente un micrómetro por segundo
en la mayoría de las células animales.
Las fibras que comprenden el huso mitóico son de dos tipos:
Fibras polares se extienden del centro del polo del huso hacia la placa metafasica
Fibras del cinetocoro (cromosomales) van del cromosoma individual condensado hacia los
polos.
La posición espacial del centrómero con respecto a los brazos del cromosoma es muy clara
por microscopia ya que son arrastrados hacia el polo del huso.
Morfológicamente los cromosomas pueden ser divididos en tres clases:
Cromosomas metacéntricos: tienen el centrómero cerca del centro resultando en dos
brazos de longitud equivalente. Presentan forma de V cuando se observan durante la
anafase.
Cromosoma telocéntrico: tiene el centrómero cerca de un extremo y parece migrar como
un solo brazo.
Cromosoma acrocéntrico: La mayoría de los cromosomas, con el centrómero localizado a
¾ partes (entre el centro y el extremo de la cromátida) proporciona una estructura en forma
de L.
Cuando los cromosomas han migrado completamente al polo, los microtubulos del cinetocoro
comienzan a desaparecer y los microtubulos polares continúan elongandose.
Anafase esta caracterizada por dos procesos distintos:
Anafase A (o anafase temprana), los microtubulos del cinetocoro se acortan para translocar
las cromátidas lejos de la placa metafasica hacia los polos (a) y (b).
Anafase B (anafase tardía), separación de los polos del huso provocada por el alargamiento
de la red de microtúbulos polares (c a f).
Este es el paso entre anafase y telofase temprana
Al final de la anafase, cada huso polar (spindle pole) ha adquirido un set equivalente de
cromosomas hermanos.
Comienza el proceso de citocinesis con la formación de un anillo contráctil de filamentos de
actina y myosina-II posicionado entre la membrana plasmática paralela a la placa metafasica.
Posteriormente este anillo convergirá empujando la membrana hacia el centro para dividir la
célula.
La duración de cada uno varia entre organismos.
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Telofase
Actina
•Los cromosomas hijos llegan al polo del huso y
son eventualmente redistribuidos en la
cromatina.
•Cromosomas se descondensan en cromatina y
son menos definidos.
•Las redes de microtubulos polimerizados del
huso miótico son redistribuidos en los
componentes del citoesqueleto.
•Comienza la síntesis del RNA en el núcleo.
•Citocinesis que comenzó en anafase tardía
continúa en telofase.
•Las mitocondrias
citoplasma.
se
distribuyen
en
el
•Midbody o cuerpo medio contiene remanentes
de los micro túbulos polares del huso miótico,
mantiene un puente entre ambas células varias
horas después de que finaliza esta fase.
•La membrana nuclear comienza a reformarse alrededor de cada grupo de
cromosomas.
•El núcleo reaparece. Su membrana proviene de remanentes de la
envoltura nuclear parental y porciones del sistema de endomembrana
contenido en cada una de las células hijas.
•Una vez completa la telofase y que la membrana celular (o pared celular)
esta formada, el núcleo ha madurado a un estado pre-miótico.
•El paso final es el inicio de la ruptura de la membrana de ambas células.
Citocinesis
•Etapa final de la división celular.
En procariotas la división se da
por Fisión binaria
•Comienza durante la anafase tardía o
telofase temprana con la formación de
membrana nuclear, de los nucleolos y
decondensación de cromosomas.
•El citoplasma se divide por anillo de
actina y miosina que se contracta,
dividiendo el citoplasma y su contenido
en dos células hijas. Formando un surco
perpendicular al huso miótico (cuerpo
medio o midbody).
•Las mitocondrias se reparten en el
citoplasma
•Uso miótico se distribuye en
citoesqueleto.
Las plantas, debido a la rigidez de la
pared, requieren que se sintetice una
placa nueva entre las dos células hijas.
E. coli dividiéndose por fisión binaria (bacilo gram -)
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Meiosis en eucariotas (animales y esporas de plantas).
Mitosis
Meiosis reduce el número de cromosomas a la mitad durante la formación
de gametos. Ocurre únicamente durante la gametogénesis, cuando los
gametos o células sexuales (ej. óvulo o esperma) se forman.
Meiosis comprende dos divisiones nucleares sucesivas que producen
cuatro células haploides.
primera división (meiosis I) es la división de reducción.
segunda división (meiosis II) separa las cromátidas.
Meiosis
Durante la primera "reducción meiótica" los pares de cromosomas son
repartidos de modo que cada gameto (o espora) contiene uno de cada par
cromosómico, es decir, es haploide.
Cuando se unen los gametos durante la fecundación, el cigoto resultante
recibe una cromátida de cada uno de los padres.
Los procesos esenciales de la meiosis consisten en:
- Reducción del número de cromosomas.
- Segregación al azar de los cromosomas.
- Recombinación genética por intercambio de segmentos
cromosómicos.
Interfase I-cada cromátida individual se duplica = mitosis
La división celular Mitótica produce nuevas células genéticamente idénticas
a las células madre.
Meiosis aumenta la variación genética en la población debido a que
durante la meiosis I, cada par de cromosomas (cromosomas homólogos)
se reúne en un proceso conocido como Synapsis. Cromátidas de
cromosomas homólogos pueden intercambiar partes en un proceso
llamado cruce o recombinación homologa.
Cada célula diploide en meiosis puede producir 2n combinaciones
cromosómicas diferentes.
donde n es el número de haploides.
En los seres humanos es el número es 223 que es más de ocho millones de
combinaciones diferentes.
Metafase I-cromosomas alineados en placa Metacéntrica = mitosis
Meiosis I
Anafase I- separa los cromosomas homólogos = mitosis
Telofase I- envoltura nuclear y citocinesis = mitosis
Intercinecis
Profase II – cada dyad (1/2 a tetrad) esta compuesta de un par de
cromatides hermanas conectadas por un centromero.
Metafase II - similar a Metafase I. Dyads alineados en placa
metacentrica.
Anafase II – separa dyads en cromatides individuales. Cada cromatide
hermana termina en lados opuestos de la celula.
Meiosis II
Telofase II – envoltura nuclear alrrededor de cada set de DNA y el
citoplasma se divide nuevamente.
Como resultado se forman 4 celulas haploides a partir de una diploide.
Meiosis I
Apareamiento y entrecruzamiento
de los cromosomas homólogos
Complejo Sinaptonémico
12
Quiasmas
Nódulo de recombinación
P3
P1
P2
P4
P5
M1
A1
T1
2P1
2M
2A
2T
Meiosis I
M
I
T
O
S
I
S
M
E
I
O
S
I
S
Meiosis II
VIDEOS
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2
La naturaleza del material genético
y el código genético.
Objetivo: Describir la estructura molecular
de ADN y del ARN y la función de los
ácidos nucleicos.
de
Espermatogénesis-proceso
formación de espermatozoides por
meiosis (en animales, por mitosis
en
plantas)
en
órganos
especializados conocidos como
gónadas (que en los machos se
denominan testículos).
Formación de gametos (haploides, n) a partir
de la células diploides de la línea germinal.
Gametogénesis
Luego de la división, las células se
diferencian transformándose en
espermatozoides Las cuatro células
derivadas de la meiosis se
diferencian en espermatozoides.
Primer cuerpo polar
Segundo cuerpo polar
Espermátidas u
ovótida
2.3 Diferenciación celular.
Primer cuerpo polar dividido
Ovogénesis-proceso
de
formación de un óvulo por meiosis
(en animales, por mitosis en el
gametofito de las plantas) en
órganos especializados conocidos
como ovarios.
El citoplasma y organelas forman
una célula más grande: el óvulo y
las otras tres (llamadas cuerpos
polares) no desarrollan.
• Las células de casi todos los organismos pluricelulares proceden de la
división repetida de una única célula precursora: el óvulo fecundado.
• La inmensa mayoría de células animales y vegetales conservan toda la
información genética.
• Además de las diferencias morfológicas, las células difieren en su habilidad de
moverse, en su organización interna (procariotas vs eucariotas), metabólismo.
El huevo humano es una
sola célula de ~200 µm, y
el esperma también es
una sola célula.
De la unión de ellos se
originan los 10 trillones de
células que forman el
cuerpo humano.
Lactobacteria (Lactococcus lactis).
Archaebacteria (Methanosarcina).
Células sanguíneas (eritrocitos,
leucocitos y plaquetas).
Huevos de dinosaurio fósil.
Alga verde (Volvox aureus).
Neurona del cerebelo.
Epitelio intestinal.
Células vegetales (esqueleto
rígido de celulosa).
(Lodish, 2004)
(Lodish, 2004)
• El carácter final de una célula esta determinado por toda la secuencia de
influencias a las que ha estado sometida durante el transcurso del desarrollo.
•Es reversible para eritrocitos y otro tipo de células (gen pax5) “reprogramación
celular”.
• Vertebrado > 200 tipos celulares, difieren en estructura y función.
Desarrollo embrionario
• La especialización depende de alteraciones de la expresión génica y no de la
perdida o adquisición de genes.
Estado de dos células
• Los grupos de genes son activados o inhibidos en respuesta a señales tanto
externas como internas.
Estado de cuatro células
Estado de ocho células
(Lodish, 2004)
Cada célula en el estado ocho células del embrión del ratón tiene el potencial
de originar cualquier parte del animal completo. Las células con esta capacidad
se conocen como células embriónicas (ES, esteam cells). ES pueden ser
cultivadas en el laboratorio y bajo condiciones controladas desarrollarse en
varios tipos de células diferenciadas.
Tiene cerca de 6,000 células cubriendo su
superficie, la mayoría de ellas son indistinguibles por
microscopia de luz simple. Vemos anticuerpos
marcados con un marcador fluorescente enlazado a
proteínas que están en el núcleo; cada pequeña
esfera corresponde a un núcleo.
La expresión diferencial en genes
aparece rápidamente en embriones
tempranos, en el cual todas las
células son similares hasta que son
marcadas para detectar proteínas
codificadas por genes particulares.
1
Tipos celulares
• Epitelio
• Tejido conjuntivo
• Músculo
• Tejido nervioso
(Lodish, 2004)
Genes similares han sido conservados durante la evolución, regulan
muchos procesos del desarrollo en diversos animales. Ambos comparten
genes que controlan procesos similares, tales como el crecimiento del
corazón y los ojos y la organización del plano corporal, indicando una
función conservada desde tiempos antiguos.
2
Distintos tipos celulares presentan patrones similares de bandas.
Los tipos celulares de un organismo pluricelular se diferencian unos de otros
porque sintetizan y acumulan distintos juegos de moléculas de RNA y de
proteínas.
Los genes y las zonas de genes se duplican y las nuevas copias divergen de la
original mediante mutación y recombinación, para realizar nuevas funciones
adicionales. Por ello es que un mismo organismo a menudo se encuentran
parecidos familiares entre genes que codifican proteínas que realizan funciones
relacionadas.
El conjunto de cromosomas de todas las células del cuerpo son idénticos.
La comparación de genomas de diferentes células muestran que los cambios de
expresión génica no van acompañados de cambios en las secuencias de DNA.
Estos genes están relacionados evolutivamente y su existencia revela una
estrategia básica a través de la cual se ha originado la complejidad creciente de
los organismos.
Hay 6 Etapas en las que se puede controlar la expresión génica en eucariotas
Distintos tipos celulares sintetizan distintos conjuntos de proteínas
Cuantas diferencias existen entre dos tipos celulares dados???
Se sabe que :
1. Procesos comunes en las células, por lo tanto muchas proteínas en común
Ej. Actina, ribosomas, enzimas del metabolismo
2. Hay células especializas , con proteínas especializadas.
Ejs. Hemoglobina solo en eritrocitos
Células ciliadas del oído o del ojo.
3. Al comparar 2,000 proteínas de diferentes tipos celulares de un organismo,
habrá muy pocas diferencias.
Lo que varia es la proporción de éstas (menos de 5 veces).
Las células pueden controlar la síntesis de proteínas:
1- Control transcripcional- Regulando el momento y la frecuencia de la transcripción
de genes concretos.
2- Control o procesamiento del RNA- Controlando el modo de maduración o
procesamiento de los transcritos primarios de RNA.
3- Control del transporte de RNA- Seleccionando los mRNA maduros que van a ser
exportados al citoplasma.
4- Control traduccional- Seleccionando los mRNA citoplasmáticos que van a ser
traducidos por ribosomas.
5- Control de la degradación de los mRNA- Desestabilizando selectivamente
algunas moléculas de mRNA citoplasmático.
6- Control de la actividad proteica- Activando, inactivando o ubicando de modo
selectivo las proteinas ya sintetizadas.
Control combinatorio
Unas cuantas proteínas
reguladoras pueden
generar muchos tipos
celulares diferentes
durante el desarrollo.
Ejemplo hipotético:
Embrión izquierda sintetiza
proteína par, embrión
derecha sintetiza proteína
impar.
Se han generado 8 tipos
celulares (G a N) con 5
prot. reguladoras.
Si se continua se podrían
generar 10,000 tipos
celulares con 25 proteínas
reguladoras distintas.
3
Una proteína reguladora dada no tiene necesariamente una función única y
claramente definida, como por ejemplo la de activación de un grupo
determinado de genes o la de determinación de un cierto tipo celular.
Principales líneas de investigación en Diferenciación Celular
Puede tener diferentes funciones que se solapan con las de las otras
proteínas reguladoras.
•Totipotencialidad y células troncales- Morfogénesis y polaridad.
• Orígenes de replicación de DNA- Organización y estructura.
La producción de diferentes tipos de células no es suficiente para hacer un
organismo, los diversos tipos de células deben organizarse y ensamblarse
en todos los tejidos y órganos.
En el organismo en desarrollo, las células crecen y se dividen en algunos
momentos y en otros no, se ensamblan y comunican, previenen o reparan
errores en el proceso de desarrollo, coordinan cada tejido con el resto.
En el organismo adulto, la división celular normalmente se detiene en la
mayoría de los órganos. Si una parte de un órgano tal que el hígado es
dañado o removido, la división celular se activa hasta que el órgano es
regenerado.
• Receptores celulares - Análisis de los mecanismos moleculares que
regulan su expresión y funcionamiento en procesos de diferenciación
neuronal y en oncogénesis.
• Factores de crecimiento transmembranales- Estructura y biología.
• Complejo principal de histocompatibilidad- Regulación de la
expresión.
(embrionales flexibles).
(sin capacidad para formar gametos).
(varios tipos pero limitada).
¿Qué clases de células troncales existen?
4
Rutas de
reprogramación celular:
a, Es posible que una célula
madura de un linaje X se desdiferencie hacia un progenitor
no comprometido a partir del
cual puede formar una ruta de
diferente para eventualmente
ser una célula de un linaje
diferente (Y).
Cobaleda et al. encontraron que
células maduras de Pax5 B
deficientes pueden formar
células T maduras.
b, Alternativamente células X
maduras, pueden
transdiferenciarse directamente
en precursores de células Y
maduras.
Una tercer ruta puede implicar
desdiferenciacion y
transdiferenciacion
simultaneas.
Nature. Volume 449(7161), 27 September 2007, pp 410-411
5
Vías de la muerte celular
Célula normal
La célula cambia su
patrón de expresión de
genes dependiendo de
las señales que reciba
Condensación de
cromatina. Ruptura
del DNA en 200 pb.
Formación de
protuberancias
(cuerpos apoptoticos).
Ruptura del DNA en
tamaños aleatorios
Destrucción de la
membrana.
Desintegración de
la célula en el
medio.
Fagocitosis.
Necrosis
Muerte violenta, implica varias
células. No respeta la
membrana celular.
Apoptosis
Muerte programada de una célula ó
suicidio celular. Respeta la membrana
celular en sus primeras etapas.
6
2
La naturaleza del material genético
y el código genético.
Objetivo: Describir la estructura molecular
del ADN, ARN y la función de los ácidos
nucleicos.
El ácido desoxiribonucléico y el ácido ribonucléico son macromoléculas
catenarias que actúan en el almacenamiento y transferencia de la
información genética.
ADN fue aislado por primera vez del núcleo, pero también existen ácidos
nucleicos en otras partes de la célula como formas libres en procariotas.
Miescher 1869 llamó nucleína al ADN por su participación en el ciclo celular.
Descubrió esta sustancia con alto contenido de fósforo y nitrógeno en el
núcleo de células sanguíneas en acumulaciones de pus.
Flemming en 1882 descubrió que esta sustancia a la que llamó cromatina,
se separaba en tiras a manera de estambre durante diferentes fases del
ciclo celular.
2.4 Acido deoxiribonucleico: ADN.
Los nucleótidos son las unidades monómeras de los ácidos nucleicos. Cada
tipo de ácido nucleico se distingue por la secuencia de bases heterocíclicas
característica de sus nucleótidos estructurales. Las unidades monómeras
del ADN se llaman desoxirribonucléotidos.
Cada nucleótido contiene tres componentes característicos:
- Una base nitrogenada heterocíclica derivada de la purina o pirimidina
- Una pentosa
- Una molécula de ácido fosfórico
RNA
U = Uracilo (2,4-dioxopirimidina)
C = Citosina (4-amino-2-oxopirimidina)
T = Timina (5-metil-2,4-dioxipirimidina)
A = Adenina ( 6-aminopurina)
Existen otras bases nitrogenadas no tan
comunes presentes en los ácidos nucleicos:
5,6-dihidrouracilo
1-metiluracilo
3-metiluracilo
2-metiladenina
7-metilguanina
G = Guanina (2-amino-6-oxopurina)
ARN
9
ADN
Los azucares de los ácidos nucléicos se
encuentran en forma de furanosas
(anillos de 5 carbonos) y se unen a las
bases nitrogenadas por medio de un
enlace ß-N-glucosilo establecido entre el
carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 9
de las bases púricas o el nitrógeno 1 de
las bases pirimidínicas.
1
Debido a la presencia de la base nitrogenada los nucleótidos muestran una
fuerte absorción en la zona de los 250-280 nm de la luz ultravioleta, lo que
resulta muy útil para su análisis cuantitativo.
Cuando el grupo fostato de los
nucleótidos se separa por hidrólisis, la
estructura residual recibe el nombre de
nucleósido (desoxirribonucleósidos y
ribonucleósidos).
Enlace fosfodiester
Todos los ribo y desoxirribonucleótidos
aparecen en forma de 5’ monofosfatos,
5’ difosfatos y 5’ trifosatos;
DNA
Los ácidos monofosfórico,
disfosfóricos y trifosfóricos de los
nucleósidos se denominan
genéricamente NMP, NDPs ó NTPs.
N= A, T, G ó C.
Los nucleótidos se unen mediante un puente o enlace fosfodiester entre
el carbono 5’ y el carbono 3 ‘ para formar los ácidos nucleicos.
ATP y ADP, cAMP son transportadores
de fosfatos en las rutas de energía
química y funcionan también como
coenzimas
trasportando
moléculas
sillares (UDP-Glucosa).
Por convención internacional la secuencia de nucleótidos en la cadena
de ácidos nucleicos se abrevia con el código de una sola letra para cada
nucleótido y en dirección 5’- 3’ de izquierda a derecha.
5´- GATC - 3´
Tanto el DNA como el RNA comparten ciertas
propiedades químicas y físicas debido a que en
ambos las sucesivas unidades nucleotídicas se
hallan unidas covalentemente de idéntica
manera por medio de los enlaces fosfodiester.
Las bases nitrogenadas constituyen cadenas
laterales diferenciadas.
Erwin Chargaff descubre entre 1949 y 1951, la regularidad de las
proporciones de las bases nitrogenadas en diferentes especies. Los
resultados obtenidos se resumen en las "leyes de equivalencia de las
bases nitrogedas":
1. En todo tipo de dsDNA, la cantidad de Adenina es la
misma que la de Timina, mientras que la cantidad de
Guanina es igual a la de Citosina:
A = T , G = C , (A + G) /( C + T) ≅ 1
2. El DNA de diferentes tejidos de la misma especie, tiene la
misma composición de bases nitrogenadas.
La cantidad de DNA en células de diferentes especies es
proporcional a la complejidad de esta y refleja la
cantidad de información genética que lleva (mayor
contenido, mayor complejidad).
3. La composición de bases nitrogenadas en el DNA varía
de una especie a otra.
4. La composición del DNA de una especie, no cambia con
la edad o con la nutrición.
Deducciones sobre la estructura de doble hélice
5. La composición de cualquier DNA puede ser descrita
mediante la proporción de sus bases G + C.
El intervalo va de 20 al 80 % en diferentes especies. Especies mas
relacionadas tienen composición similar.
1) La molécula de DNA
está formada por dos
cadenas de
polinucleótidos
enrolladas alrededor
de un mismo eje,
formando una doble
hélice. Esta estructura
tiene semejanza a una
escalera de "caracol".
Journal of Biological Systems (2004) 12, no. 3, 261-271
2
2) Las dos cadenas son antiparalelas ya que
una de las cadenas empieza por el extremo
donde se encuentra el residuo 5', mientras
que la otra lo hace por el extremo donde se
encuentra el residuo 3'.
Puentes de hidrogeno
3)
Las bases nitrogenadas de los
nucleótidos se orientan hacia el interior de
la doble hélice, mientras que los grupos
fosfato y las moléculas de azúcar se
orientan hacia el exterior.
Fosfatos
tienen carga
negativa
Por tanto,
DNA tiene
una carga
neta
negativa !
4) Las bases de ambas cadenas están unas
frente a otras y se unen a través de puentes
de hidrógeno: dos entre la adenina y la
timina (A=T) y tres entre la guanina y la
citosina (G ≡ C).
5) La longitud de cada vuelta en la hélice es
de 3.4 ηm. Un nanómetro es igual a 10-9 m.
6) La distancia entre un par de nucleótidos y
otro es de 0.34 ηm, por lo tanto, en cada
vuelta debe haber 10 pares de nucleótidos.
Interior es hidrofobico
La doble hélice mantiene un ancho constante debido a que purinas (A, G) siempre
aparean con pirimidinas (C, T) mediante las bases complementarias A=T y G≡C.
Cadena polinucleotida es responsable de la transferencia de
la información genética y por lo tanto de la evolución.
Nucleotidos pueden contener uno ó mas
grupos fosfato. De acuerdo a esto pueden
ser designados como nucleotido
monofosfatos, nucleotido difosfatos y
nucleotido trifosfatos.
Enlace fosfodiester
5´- 3´
Formación del enlace fosfodiester 5´- 3´
1.2 nm
P2O7 4-+ H20
2.2 nm
Para formar la cadena polinucleotida, los nucleotidos trifosfatos son enlazados
covalentemente. En esta reacción, el oxígeno del grupo 3´hidroxilo en la cadena “ataca”
el fosfato del nucleotido trifosfato eliminando H2O y liberando dos residuos fosfatos
exteriores (pirofosfatos=PPi= P2O7 4-).
3
Pares de bases (pb) por giro
Rotación por par de bases
Altura del giro
Diámetro de la hélice
Humedad relativa
Bases
11.0
+34.7°
2.56 nm
2.3 nm
-
10.4
+34.6°
3.38 nm
1.9 nm
+
12.0
-30.0°
5.71 nm
1.8 nm
+
A
Fosfatos
Desoxirribosas
B
Z
DNA circular: bacterias y organelos eucariotas
DNA monohebra: conformación espacial
+∆G, then energy--in the form of work--would have to be
added to the reacting system to make the reaction go.
-∆G, means that such a reaction will be favored and will
release energy.
∆G =0, neither the forward nor the reverse reaction
prevails (equilibrium).
(Lewin, 2010)
4
Algunas propiedades químicas útiles del DNA
1.
Secuencias palindrómicas en DNA dúplex
DNA esta cargado negativamente. Los enlaces de fosfato confieren carga neta negativa,
propiedad importante para el análisis electroforetico.
2. DNA puede desnaturalizarse y renaturalizarse. Elevando la temperatura o utilizando productos
químicos, es posible romper los enlaces hidrogeno entre las bases de cada cadena y “derretir
(melt)” la doble hélice en dos cadenas polinucleotidas. Este proceso se llama desnaturalización.
Este proceso es reversible -si las condiciones son favorables, las dos cadenas de DNA se
reanillan. La Renaturalización de las dos cadenas ocurre eficientemente solo cuando las
secuencias de las bases son complementarias, ej. Cuando los pares A-T y G-C se pueden formar.
La Reasociación de las cadenas sencillas complementarias también se llama hibridación de los
ácidos nucleicos.
3. DNA es soluble en agua. DNA se disuelve fácilmente en agua. De forma rutinaria se utiliza un
buffer Tris (para controlar el pH) y el agente quelante EDTA (para atrapar cationes que son
cofactores para atrapar enzimas que pueden atacar el DNA) para solubilizar los ácidos nucleicos.
DNA es insoluble en etanol.
4. DNA absorbe luz ultravioleta. Las purinas y pirimidinas absorben luz en el rango ultravioleta del
espectro, con una absorbancia máxima de 260 nm. La cantidad de luz absorbida es proporcional a
la cantidad de DNA en solución. Para DNA de doble cadena, una lectura de A260 de 1.0
corresponde a una concentración de 0.05 mg/ml. Entonces, midiendo la absorbancia del DNA en
una solución de concentración desconocida, se puede calcular la concentración del DNA en
solución.
5. DNA puede ser teñido y cuantificado con bromuro de etidio. EtBr es una molécula anillada que
se inserta entre los pares de bases. Esta inserción es útil para visualizar el DNA debido a que el
EtBr fluoresce cuando se expone a la luz ultra violeta, el DNA normalmente invisible se puede
observar y fotografiar. Adicionalmente como la cantidad de fluorescencia es proporcional a la
masa total del DNA en solución, la cantidad de DNA puede ser estimada comparando la
fluorescencia de una muestra con una serie de estándares.
Qué tan grandes son los genomas Procariotas?
Propiedades del DNA en solución
(1x106)
Molécula extremadamente delgada y larga (fragmentos recuperables de 10 millones de pb).
Los fosfatos orientados hacia la periferia se ionizan completamente a pH mayor a 4.0
A pHs fisiológicos (4 – 11) el DNA es estable, fuera de esos limites se desnaturaliza.
Desnaturaliza con:
(a) pH extremo
(b) Altas temperaturas (en función de su contenido porcentual de bases)
(c) Disminución de la constante dieléctrica del medio acuoso.
(d) Exposición a urea, formamida o solventes similares.
Absorbe a 260 nm (Efecto hipercrómico)
Coeficiente de sedimentación (densidad de la molécula=masa y forma de la particula)
Aplicaciones
Hibridación (p.e. Southern blotting, dot blot)
(Lewin B. Genes VII)
Millones de pb
Tamaño del genoma
La proporción del genoma ocupada por DNA no repetitivo varia mucho.
Procariotas, solo contiene DNA no
repetitivo.
Eucariotas inferiores, la mayoría del
DNA es no repetitivo; <20% cae en
moderado o altamente repetitivo.
En células animales mas de la mitad
del DNA usualmente es ocupado por
secuencias moderada y altamente
repetitivas.
Rango de valores-C encontrados en diferentes taxones. Incrementa el tamaño
mínimo del genoma en cada grupo conforme incrementa la complejidad.
Conforme aumentan las cantidades absolutas de DNA en eucariotas
superiores, observamos amplias variaciones en los tamaños del genoma en
algunos taxa.
(Lewin B. Genes VII)
En plantas y anfibios, el DNA no
repetitivo puede ser reducido a una
minoría del genoma, con componentes
moderada y altamente repetitivos
abarcando mas del 80%.
(Lewin B. Genes VII)
5
Biorad
DNA size ruler = Marcador de peso molecular = escalera
Electroforesis en gel de agarosa
A. Marcador de peso molecular de 20 bp
B.
100 bp
C.
100 bp
D.
500 bp
E.
1 kb
F. EZ Load precision molecular mass ruler
RNA (ácido ribonucléico)
2
La naturaleza del material genético
y el código genético.
Objetivo: Describir la estructura molecular
del ADN, ARN y la función de los ácidos
nucleicos.
Polímero de nucleótidos
La pentosa de los nucleótidos es la Ribosa: en
la posición 2' del anillo del azúcar hay un grupo
hidroxilo (OH) libre
Polímero monohebra de ribonucleótidos
Químicamente más inestable que el DNA
2.4 Acido ribonucleico: ARN.
Se hidroliza fácilmente en disolución acuosa
Presenta Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo
Mucho más abundante que el DNA en la célula
RNA
El RNA participa como intermediario en la síntesis de
proteínas al leer la secuencia de DNA, interpretarla,
transportar la señal y traducirla en una secuencia de
péptidos.
Trascripción
Replicación
RNA polimerasa
Traducción
DNA
¿Qué es la transcripción?
En este proceso, un complejo enzimático, sintetiza
una hebra de RNA que tiene una secuencia de
bases complementaria a una zona del DNA que se
ha leído. En la transcripción no se copia todo el
cromosoma como en la replicación, tan solo una
sección de él. Los productos principales de la
transcripción son tres tipos de RNA: RNAm, RNAt
y RNAr. No obstante, el transcrito que contiene la
información de secuencias de bases para la
síntesis proteica es el RNAm.
6
Las RNA polimerasas
Las RNA polimerasas son complejos grandes de proteínas funcionales
(enzimas), formadas por 12 subunidades. Se conocen tres tipos de RNA
polimerasas en eucariotas:
• RNA polimerasa I (RNA Pol I): Transcribe los genes de las moléculas
RNAr de tipo 28 S, 18 S, y 5.8 S (en nucleolo). Es la RNA polimerasa
con mayor actividad en las células.
U
• RNA polimerasa II (RNA Pol II; RNAP II): Transcribe los genes que
codifican para proteínas en forma de RNAm (en nucleoplasma).
U
• RNA polimerasa III (RNA Pol III): Transcribe todos los genes de las
moléculas de RNAt, los genes de las moléculas de RNAr del tipo 5 S,
así como los genes de las moléculas de RNA pequeño o RNAs (en
nucleoplasma).
En procariotas existe un solo tipo de RNA polimerasa.
RNA: Es el ácido nucleico más abundante en la célula, y puede purificarse fácilmente.
Una célula típica contiene 10 veces más RNA que DNA.
RNAt: Las moléculas de RNA de transferencia tienen entre 75 y 90 nucleótidos, y su
peso molecular es de unos 25,000 daltones. Se conocen unos 60 RNAt distintos, y se
encuentran en todas las células. Intervienen en la síntesis de proteínas, ya que van
unidos a un aminoácido. Pueden presentar nucleótidos poco usuales (ácido
pseudouridílico, ácido inosílico) e incluso bases características del DNA como la timina.
Constituyen aproximadamente el 15% del ARN celular total
RNAr: El RNA ribosómico está presente en los ribosomas, orgánulos intracelulares
implicados en la síntesis de proteínas. Este ácido ribonucleico se sintetiza en el
nucleolo y constituyen el 80% del RNA celular total y participan en la estructura de los
ribosomas
Ribosoma
Subunidad Pequeña
Subunidad Grande
Procariota (70 S)
30 S (RNAr 16 S, además 50 S (RNAr´s 23 S y 5 S,
21 proteínas)
además 35 proteínas)
Eucariota (80 S)
40 S (RNAr 18 S, además 60 S (RNAr´s 28 S, 5.8 S y 5 S,
30 proteínas)
además 45 proteínas)
Los aminoácidos son
transportados hacia el sitio
de síntesis en los ribosomas.
La molécula responsable de
este transporte es el RNA de
transferencia (RNAt)
En el caso de los ARNm eucarióticos, cada ARNm contiene información sólo para una
cadena polipeptídica, de ahí que se hayan designado monocistrónicos, mientras que en
los procariotas, el ARNm puede existir en forma de moléculas policistrónicas (cada
RNAm codifica para mas de un gen).
En el citoplasma, los ARNm van a tener una duración relativamente corta, determinada,
en parte, por las necesidades concretas de la célula. Se ha observado que algunos
ARNm son sintetizados y almacenados en un estado inactivo o latente en el citoplasma,
preparados para dar una respuesta rápida en la síntesis proteica.
Ver tabla de tipos y características de los ARN celulares
¿Qué es la traducción?
(Brazo aceptor)
(Brazo TΨC)
Ψ, pseudouridina
Cuando el RNAt esta cargado
con su correspondiente aa,
se llama aminoacil RNAt.
La aminoacilARNt sintetasa (una enzima)
cataliza el enlace entre los
ARNt específicos y los
aminoácidos que concuerdan
con sus anticodones.
RNAm: El RNA mensajero es de tamaño variable, dependiendo del tamaño del péptido
que codifica. Cada célula produce pequeñas cantidades de miles de mensajeros
diferentes, que serán traducidos a proteínas que la célula requiere. Muchos RNAm son
comunes en todas las células, codificando para los llamados genes o proteínas de
mantenimiento ("housekeeping" proteins). Por otro lado, y en respuesta a los procesos de
diferenciación celular, hay RNAm´s que son específicos para cierto tipo de células.
(Brazo extra)
Proceso en el que la información transcrita del
DNA a RNA (RNAm) es interpretada por el
complejo de síntesis proteica (ribosomas o
poliribosomas
formados
de
RNAr).
Esta
interpretación consiste en incorporar, uno a uno,
los aminoácidos específicos (transportado por un
RNAt) de acuerdo a la secuencia codificada
durante la transcripción. De esta manera, una
secuencia específica de ribonucleótidos se
“traduce” en una secuencia específica de
aminoácidos que conforman una proteína en
particular.
7
•Cada tipo de RNAt es producto de un gen
distinto y acarrea (en su extremo 3′ ) uno de
los 20 aminoácidos (así que la, mayoría de
los aminoácidos tienen mas de un RNAt
responsable de su transferencia).
•Tienen entre 74 - 95 nucleótidos,
diferencias en brazo D y brazo extra.
•Regiones complementarias hacen que
tengan estructura terciaria de doble hélice.
•Las regiones no complementarias forman 3
loops o burbujas.
•En la burbuja o loop central, 3 bases no
apareadas forman el anticodon.
zoom
•El apareamiento correcto de bases entre el
anticodon y el codon (en la cadena de
RNAm), permite la transferencia del
aminoácido adecuado a la cadena peptidica
en crecimiento.
El RNA ribosomal (RNAr), sintetizado en el organizador
nucleolar, junto con cierto tipo de proteínas estructurales
constituyen a los ribosomas.
Las subunidades ribosomales
se distinguen por el tipo de
RNAr que los compone. Las
diferencias principales están
asociadas a su tamaño, por lo
que pueden ser caracterizados
por
su
coeficiente
de
sedimentación (S = Coeficiente
de sedimentación de Svedberg).
8
El RNA heterogéneo nuclear (hnRNA) se conoce también como transcrito primario
y es la cadena “cruda” de RNA que posteriormente será procesada en otros tipos
de RNA.
El transcrito primario (hnRNA) es editado o modificado con la
participación de una serie de ribonucleoproteínas nucleares, “cortando”
partes de la señal y haciendo por tanto que la traducción quede limitada
a solo parte de la cadena transcrita originalmente.
Estas modificaciones tienen por
objeto aumentar la vida media de
estas moléculas en el citoplasma.
Dogma Central de la Biología Molecular
Principales Diferencias en la Transcripción
y Traducción entre Procariotas y Eucariotas
9
EL CÓDIGO GENÉTICO
2
La naturaleza del material genético
y el código genético.
Objetivo: Describir la estructura molecular
del ADN, ARN y la función de los ácidos
nucleicos.
•Para 1960 se conocían ya las estructuras del ADN y ARN.
•Se sabía que el ADN dirigía la síntesis del ARN (Trascripción).
•y que el ARN dirigía la síntesis de proteínas a través del RNAt
(Traducción).
•Se sabía que el DNA se encontraba en el núcleo, mientras que el RNA
era particularmente abundante en el citoplasma, donde se sintetizan
las proteínas.
2.6 El código genético.
Proteínas hechas de una combinación de 20 aminoácidos:
- Marshal Warren Nirenberg et al., 1961:
RNAm sintético constituido solamente por nucleótidos de uracilo poli-U.
eléctricamente
neutro
la primera palabra del código: UUU = fenilalanina
64 combinaciones posibles de tripletes
-1 base/codón = 4 aa’s
-2 bases/codón = 16 aa’s
-3 bases/codón = 20 aa’s
carga positiva de un
lado y negativa del
otro
Descifran el código genético en junio de 1966
Formando codones o tripletes del RNAm para todos los aminoácidos
Se disocia en agua
produciendo
cationes hidrógeno
En disolución acuosa
aporta iones OH-
El ADN consta de 4 nucleótidos:
GCAT
EL RNA consta también de 4 nucleótidos:
GCAU
1961-1966 Nirenberg, Khorana, Holley, Ochoa y Grunger-Manago
RNA polimerasa. Como se sospechaba cada triplete (codon) codificaba
para un aminoácido. Ya que hay 4 ribonucleótidos entonces hay 64
codones.
UUU-UUU-UUU-UUU
CCC-CCC-CCC-CCC
AAA-AAA-AAA-AAA
UAU-UAU-UAU-UAU
1
2
=
=
=
=
Hay:
4 nucleótidos en DNA.
64 posibles codones (43).
61 RNAt amino-acetilados o “cargados” que corresponden a
61 codones.
20 aminoácidos.
Experimento desarrollado por Marshall Nirenberg y colaboradores
para descifrar el código genético
Phe-Phe-Phe-Phe
Pro-Pro-Pro-Pro
Lys-Lys-Lys-Lys
Tyr-Tyr-Tyr-Tyr
UUU-AAA-UAU = Phe-Lys-Tyr
UUU-AAA-UAU-UUU-AAA-UAU = Phe-Lys-Tyr-Phe-Lys-Tyr
UUU-AAA-UAA-UUU-AAA-UAU = Phe-Lys
3
UAA = Codon-STOP
Ver experimento « Cracking the genetic code »
1
Código genético “universal”
•
Degenerado
43 = 64 codones:
61 para aa
3 nonsense
STOP:
UAA ("ocre")
UAG ("ambar")
UGA (“ópalo")
START: Met
ATG ó AUG
¾Hay excepciones al código restringidas a algunos procariotas y las mitocondrias
Excepciones al codigo
Las mitocondrias de animales y microorganismos (no
plantas) utilizan UGA para codificar triptofano y no como un
finalizador de síntesis.
En procariotas el codón de inicio también puede ser: GUG y UUG.
Por ejemplo, Escherichia coli,
Enterobacteriaceae, emplea en un
una
bacteria
de
la
familia
La mitocondria animal utiliza AUA para metionina, no
isoleucina.
Las mitocondrias de vertebrados utilizan AGA y AGG para
finalizar síntesis (STOP).
En las levaduras, las mitocondrias, asignan todos los
codones que comienzan con CU para sintetizar treonina en
lugar de leucina.
En cambio, las mitocondrias de las plantas usan el código
universal, lo que ha permitido a las angiospermas transferir
genes mitocondriales al núcleo de manera muy natural.
EL CÓDIGO GENÉTICO ES NO SOLAPADO O SIN SUPERPOSICIONES
Distribución de los codones de inicio:
83% de los casos ATG (AUG en el ARN)
ATG, 3542
GTG, 612
14% GTG (GUG en el transcrito)
TTG, 130
3% TTG (UUG en el ARN)
ATT y CTG
RNAt y su influencia en el marco de lectura
El marco de lectura de un RNA mensajero es generalmente invariable,
comenzando con un codón AUG y terminando en alguno de los codones de
terminación.
un nucleótido
solamente
pertenece a un
único triplete
OK!
La lectura de este marco de lectura se realiza de corrido por lo que si hay una
inserción o una deleción se produce un cambio en el marco de lectura del
punto de la mutación hacia delante. Esto produce que se traduzca el mensajero
a una proteína completamente distinta.
Un supresor de marco de lectura restablece el marco de lectura original
compensando las deleciones y las inserciones en un gen. Sin embargo,
también algunas moléculas de RNAt con propiedades aberrantes funcionan
como supresores extragénicos de errores en el marco de lectura.
Algunos errores originados del copiado del DNA quedan como repeticiones de
ciertas bases y esto puede ser solventado por la presencia de anticodones
aberrantes que reconocen 4 bases en lugar de 3.
2
El numero de codones para cada aminoácido no se
correlaciona con su frecuencia de uso en proteínas
Aminoacil-RNAt-sintetasas (ARS): Activación del RNAt
Existen dos tipos de ARS que tienen diferentes puntos de anclaje sobre la
molécula de RNAt, dependiendo de la secuencia de esta última. Es así como la
conformación espacial del RNAt habilita a alguna de las dos clases de ARS a
unirse y pegar el aminoácido correspondiente.
Clase I: Incorpora el aminoácido en el carbono 2’ de la ribosa en la adenina terminal 3’
Clase II: Incorpora el aminoácido en el carbono 3’ de la ribosa en la adenina terminal 3’
3’
5’
ARS
Clase I
Los aa mas sencillos son los mas representados → minimiza efecto por mutaciones
E.g. CUC por CUG es Leucina o bien CUU por AUU es isoleucina, un aa relacionado.
A
C
C
ARS
Clase II
9 Más de un tipo de RNAt puede acarrear el mismo aminoácido
Sitios
de
mayor
especificidad
involucrados en el reconocimiento y
acoplamiento de las ARS.
Sitios conservados que permiten que
diferentes tipos de RNAt puedan
portar el mismo aminoácido.
Secuencia consenso (común) a todos los RNAt
3
Lectura de Prueba: Precisión RNAt-aa´s
RNA polimerasa III
Membrana
nuclear
RNA polimerasa I
El reconocimiento del RNAt correcto esta
principalmente controlado por la afinidad de la
aminoacil-RNAt-sintetasa por su RNAt específico y
además la aminoacilación del residuo de aa cuando
no es el correcto es muy lenta. En resumen, la
selección del aminoácido correcto esta favorecido
sobre alguno incorrecto en un orden promedio de
250:1
DNA
RNAt
RNAhn
RNA
Polimerasa II
aminoácidos
RNAr
Aminoacil-RNAt
anticodon
Tasa de error
Riboproteína
Ribonucleótidos
Activación de la ARS con un aa incorrecto: 1/225
Incorporación del aa incorrecto al RNAt: 1/270
Tasa global de error: 1/60,000
Cadena polipeptídica
en síntesis
Poro
nuclear
codon
Lectura de Prueba (Corrección mediante Proofreading)
Ribosoma
RNAm
Mediante un cambio de conformación espacial en la ARS se
promueve la hidrólisis del aa incorrecto o bien, una vez
formado el complejo ARS-aa-RNAt, el aa incorrecto es
hidrolizado
5
6
4
1
3
9
2
19
7
8
10
14
11
12
18
17
16
13
4
Que son las proteínas ?
2
La naturaleza del material genético
y el código genético.
Son macromoléculas de masa molecular elevada, formadas por
aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos.
Pueden estar formados por una o varias cadenas.
Objetivo: Describir la estructura molecular
de ADN, ARN y la función de los ácidos
nucleicos.
2.7 Estructura proteica.
La secuencia de aa de una proteína siempre se presenta en dirección N a
C, leyendo de izquierda a derecha.
Formados por un carbono alfa unido a un grupo carboxilo, un grupo
amino, un hidrógeno y una cadena R de composición variable, que
determina las propiedades de los diferentes aminoácidos; existen
cientos de cadenas R por lo que se conocen cientos de aminoácidos
diferentes.
-grupo amino (NH3+ también escrito como NH2)
-grupo carboxilo (COO- también escrito como COOH)
-Cadena R
Aminoácidos esenciales
Se los considera esenciales no porque sean los únicos necesarios
para la síntesis proteica, sino porque deben estar incluidos en la dieta.
Cada especie, tiene su grupo de aminoácidos escenciales propios.
Nomenclatura de los péptidos
La estructura primaria de una proteína es simplemente el orden de sus aminoácidos.
Oligopeptidos- Si el # de aa es < 10
Dipeptidos- Si el # de aa es 2
Tripeptidos- Si el # de aa es 3
Tetrapeptidos- Si el # de aa es 4
Polipeptidos ó cadenas polipeptídicas- Si el # de aa es > 10
Aquaporin 2
Como consecuencia del establecimiento de enlaces peptídicos entre los distintos aa que
forman la proteína se origina una cadena principal o "esqueleto" a partir del cual
emergen las cadenas laterales de los aminoácidos -
Proteína- Número de aa > 50.
Estructura primaria de la Insulina: consta
de dos cadenas de aa enlazadas por
puentes disulfuro entre las cisteínas (dos
genes diferentes)
1
La estructura secundaria de una proteína es la que adopta espacialmente.
tipos: hélice alfa y lámina beta.
Hélice alfa
Las laminas beta…
Paralelas o
antiparalelas
La cadena polipeptídica principal
forma la estructura central, y las
cadenas laterales se extienden
por fuera de la hélice. El grupo
carboxilo (CO) de un aminoácido
n se une por puente hidrógeno
al grupo amino (NH) de otro
aminoácido que está tres
residuos mas allá ( n + 4 ). De
esta manera cada grupo CO y
NH de la estructura central
(columna
vertebral
o
"backbone") se encuentra unido
por puente hidrógeno.
La estructura terciaria es la estructura plegada y completa en tres dimensiones
de la cadena polipeptídica.
Es específica de cada molécula, además, determina su función
Estructura cuaternaria - Solo está presente si hay mas de una cadena
polipeptídica. Con varias cadenas polipeptídicas, la estructura cuaternaria
representa su interconexión y organización.
El plegamiento terciario no es inmediato, primero se agrupan conjuntos de
estructuras denominadas dominios que luego se articulan para formar la
estructura terciaria definitiva. Este plegamiento está facilitado por uniones
denominadas puentes disulfuro, -S-S- que se establecen entre los átomos de
azufre del aminoácido cisteína.
From outside the cell, the four
units of the water-channel
protein AQP1 are visible, each
with a pore that penetrates the
cell membrane.
Modelo de reloj de arena
Isoformas
A side view of a pore (blue dots) in the waterchannel protein AQP1, which pierces the cell
membrane. Cell exterior is at top, interior at
bottom. The pore is about 2.8 angstroms across
at its narrowest.
Según su composición, las proteínas se pueden clasificar en dos tipos que
son proteínas simples o proteínas conjugadas.
Por un lado tenemos las proteínas que son proteínas simples y son aquellas
que, por hidrolisis, producen solamente µ-aminoácidos.
Por otro lado, están proteínas que son proteínas conjugadas. Estas proteínas
contienen además de su cadena polipeptídica un componente que no es un
aminoácido, denominado grupo prostético. Este componente puede ser un
ácido nucleico, un lípido, un azúcar o simplemente un ión inorgánico. Ejemplos
de proteínas que son proteínas conjugadas son la mioglobina, la hemoglobina y
los citocromos.
Según su forma se clasifican en:
Proteínas fibrosas, insolubles en agua, como la alfa queratina o el colágeno
Proteínas globulares, solubles en agua.
2
Los cuatro niveles estructurales de la hemoglobina
Estructura y función
Las proteínas pueden ser clasificadas en familias de acuerdo a su estructura y
función.
> del 25 % de similitud de identidad de aa sugiere estructura similar.
> del 30 % de similitud de aa (estructura) sugiere función similar.
50-60% de
homología
La similitud en la conformación tridimensional de proteínas de una
determinada familia es usualmente sorprendente. Aquí se ven dos proteasas
para serina (pancreáticas). En verde aa similares. En rojo el sitio activo donde
se enlaza y rompe el substrato (diferentes aa) mediante hidrólisis.
= familia pero ≠ función (AQP1 vs AQP3).
En la naturaleza ~2000 tipos de estructuras, se conocen con certeza 800
(50 de ellas representan ¾ de todas las estructuras estimadas).
Nomenclatura de proteínas
Todas las proteínas se enlazan a otras moléculas
La interacción física de una proteína con otra molécula determina sus
propiedades biológicas. Esto se hace mediante enlaces altamente
específicos (fueres o débiles).
AMP
3
Red de interacciones entre proteínas en una célula de levadura.
Como trabaja una enzima ?
Cada línea conectando dos puntos (proteínas) indica una interacción
proteína-proteína.
Rompe los enlaces mediante hidrólisis (añade agua a la molécula), distorsiona
su geometría y distribución de electrones ∴ incrementa el numero de
colisiones rompiendo el enlace.
RESUMEN PROTEINAS
3
Replicación,
trascripción
traducción del material genético.
y
Objetivo: Describir como una célula duplica
su material genético precisamente a partir
del ADN y explicar como decodifica y
utiliza la información contenida en su
genoma.
3.1 Replicación y reparación del ADN.
Tres etapas fundamentales de la replicación:
Uno de los mecanismos mas importantes de toda célula es la
Replicación del DNA → continuación de la vida.
Fenómeno extremadamente complicado en el que participan
gran cantidad de enzimas.
Debe asegurarse que las células hijas sean idénticas a la
célula madre y que estas no sean defectuosas.
I Iniciación
II Elongación
III Terminación
I Iniciación:
Reconocimiento del sitio de origen.
Separar y estabilizar cadenas paténtales (Helicasa).
Iniciar síntesis del DNA en horquilla de replicación por complejo
proteico llamado Primosoma.
II Elongación:
Formación del complejo de síntesis de cadenas hijas o Replisoma
(complejo activo DNA polimerasa III)
III Terminación:
Unión o reacción de terminación de la síntesis al final del replicón.
Bloqueo (tus-Prot) inhibiendo helicasa, Metilación (Hemimetilacion)
Finalmente, los cromosomas deben ser separados uno de otro para que
pasen independientemente a cada una de las células hijas.
4
Pero como ocurre si….
La replicación tiene las siguientes características:
1) Las DNA polimerasas no pueden desenrollar el dúplex de DNA.
1) Ocurre en el citoplasma en procariotas y en el núcleo en
eucariotas.
2) Las cadenas en el dúplex son antiparalelas y las DNA polimerasas solo pueden
añadir nucleótidos en dirección 5’- 3’.
2) Es semiconservativa, es decir que conserva una cadena del DNA
original.
3) Requieren de la presencia de un “cebador” de DNA o RNA para adicionar
nucleótidos. Es decir dependen de la preexistencia de un fragmento patrón para
iniciar el copiado de las cadenas paténtales.
3) Bidireccional y simultanea.
4) Necesita cebadores de RNA.
5) La adición de nucleótidos sólo ocurre en dirección 5’-3’.
6) Ocurre sólo una vez por ciclo celular.
7) Se replica el genoma completo.
Replicón es la unidad del DNA que posee los elementos de control para la
replicación (inicio y terminación). Cada replicón se activa tan sólo una vez
en cada ciclo celular (*virus).
Los replicones son numerosos en eucariotas, mientras que el genoma
viral o el genoma bacteriano pueden ser considerados como replicones
únicos.
I. Iniciación
• oriC: región de 240 pb con la capacidad de replicación independiente y
controlada. Contiene una serie de secuencias repetidas (9-pb y 13-pb) que son
características de cualquier secuencia de origen de la síntesis. Estas secuencias
proporcionan un sitio de anclaje para las proteínas que inician la replicación.
Existe también una secuencia rica en AT adyacente a oriC que aparentemente
facilita el desenrollamiento del dúplex para exponer los templetes (cadenas base)
sencillos a ser copiados.
Las características comunes de estos sitios de origen de la replicación:
• Secuencias repetidas cortas.
• Sitios de reconocimiento para proteínas multiméricas de iniciación.
• Sitios flanqueados por secuencias ricas en TA.
oriC: E. coli
La replicación tiene tres tipos de origen (secuencias iniciadoras):
• oriC (E. coli).
• SV40 (simian virus 40).
• ARS (secuencias de replicación autónomas) en levadura.
Hay tres tipos de DNA Polimerasa dependiente de DNA que se han
aislado y purificado a partir de E. coli :
1) DNA Polimerasa I: llena huecos y participa en la reparación del
DNA.
2) DNA Polimerasa II: realiza el control de calidad, es decir que se
asegura que los nucleótidos sean los correspondientes, llena
huecos y facilita la síntesis en cadenas dañadas (perpetuando las
mutaciones).
3) DNA Polimerasa III: es la enzima funcional en las cuñas de
replicación en las que sintetiza el DNA nuevo.
En mamíferos son: α, β, γ, δ, ε
Topoisomerasa (girasa)
Al finalizar la síntesis de una
dúplex circular, el resultado es de
dos cadenas concatenadas, es
decir, un anillo dentro de otro
anillo.
La topoisomerasa juega un papel
importante de nuevo al abrir parte
de la cadena, originando una
mella por la que la otra cadena
puede liberarse y así separar
físicamente los cromosomas para
permitir que cada uno de ellos
pase a cada una de las dos
células hijas.
Hay tanto en eucariotas como en
procariotas.
Varios tipos dependiendo ligando
y tupo de corte.
5
II. Elongación.
Replicación en Procariotas y Eucariotas
Formación del complejo de síntesis de cadenas hijas o Replisoma.
Una de las cadenas es replicada discontinuamente: Fragmentos Okazaki
(Cadena retrasada)
(Cadena líder)
La replicación es bidireccional y ocurre simultáneamente en ambas cadenas, por
lo que la horquilla o burbuja de iniciación se va haciendo más larga conforme
avanza la replicación al sintetizar nuevo DNA.
Cada extremo de la horquilla representa una cuña creciente (growing fork) donde
ambas cadenas se sintetizan, no obstante una cadena es sintetizada de forma
continua a partir de un solo cebador de RNA. La cadena que va en dirección 5’ –
3’ crece en la misma dirección en la que crece la horquilla y por ello se le
denomina la cadena líder.
Una de las cadenas es replicada discontinuamente: Fragmentos Okazaki
III
II
<15 nucleótidos
fragmentos resultantes RNA-DNA
(1000-2000 nucleótidos)
La síntesis de la otra
cadena se complica
mucho ya que la dirección
global de su crecimiento
debe ser en dirección
contraria a la que trabaja
la DNA polimerasa.
Este requerimiento
incompatible con las
funciones de la enzima
que polimeriza el DNA es
solucionado mediante un
proceso que involucra un
copiado discontinuo de la
cadena retrasada
mediante el uso de
muchos cebadores de
RNA.
DNA polimerasa III: Síntesis de la cadena líder y la cadena retrasada.
DNA polimerasa III es
una proteína bastante
grande (>600 kDa) y
altamente compleja,
formada por 10
polipéptidos diferentes.
Posee una estructura de
dímero asimétrico y
contiene dos copias de la
mayoría de las
subunidades y dos sitios
catalíticos para la adición
de nucleótidos.
La DNA polimerasa III procesa hasta 500,000 nucleótidos sin desprenderse,
actividad indispensable para el crecimiento de la cadena líder.
El “núcleo” o interior del complejo esta formado por las subunidades α, ε, θ contiene
los sitios activos para la adición de nucleótidos.
La habilidad de la DNA polimerasa para comportarse como un centro
procesador se lo da la subunidad β que forma una estructura cerrada
alrededor de la doble hélice y posteriormente asociarse y anclar el centro
activo al final del cebador.
Las subunidades restantes tienen como función convertir la parte activa en un centro
procesador (processive enzyme). Sin éstas subunidades la enzima es mas bien
distributiva, es decir, se desprende después de sintetizar entre 10 y 50 nucleótidos.
Carga-abrazadera
Portador de
Abrazadera:
γ, δ, δ',χ, ψ
(complejo γ)
abrazadera
Abrazadera:
β
Centros catalíticos:
Centro catalítico
α, ε, θ
Velocidad natural: 500-1000 nucleótidos por segundo
6
De las 6 subunidades restantes, 5 (γ,δ,δ’,χ,ψ) conforman el llamado complejo γ, que
controla la transferencia de la subunidad β al sustrato (DNA-cebador), mientras que
la subunidad τ dimeriza el complejo activo al interior de la polimerasa.
Síntesis cadena
LIDER
Síntesis cadena
RETRASADA
Abrazadera:
β
Estudios bioquímicos han mostrado que el
centro activo de la polimerasa libera un
fragmento Okazaki completo pero no se
disocia de la cuña de crecimiento.
En contraste, la subunidad β y la primasa se
disocian del la cuña de crecimiento y se
reasocian más adelante en la cadena
retrasada. Por tanto la subunidad β y primasa
actúan de manera distributiva sobre la
cadena retrasada.
Líder
Retrasada
Portador de Abrazadera:
γ, δ, δ',χ, ψ
(complejo γ)
Centros catalíticos:
α, ε, θ
τ mantiene el
complejo
dimerizado
Estabilizador del Dímero:
τ
Replisoma asímetrico
ó modelo de trombón
DNA polimerasas: Procariotas - Eucariotas
Video Replicación del DNA
http://www.mcb.harvard.edu/Losick/images/TromboneFINALd.swf
Todos estos eventos deben estar
estrechamente correlacionados y coordinados
para que la cuña de crecimiento avance a una
velocidad comprobada de 500-1000
nucleótidos por segundo al momento de que
ambas cadenas están siendo replicadas.
Las DNA polimerasas I, II y III de E. coli, corresponden en función a las α, β, γ de eucariotas.
Las DNA polimerasa III y su equivalente γ son las que llevan el peso de la labor de síntesis en las
bacterias y en las mitocondrias, mientras las otras son más bien parte del sistema de reparación.
Por su parte, la DNA polimerasa δ y la DNA polimerasa α se encargan en eucariotas de la síntesis de
la hebra líder y de la hebra retardada, respectivamente, durante la replicación.
III. Terminación
Una vez que el ARN ha sido removido y
reemplazado, los fragmentos de Okazaki deben
ser enlazados.
El extremo 3'-OH de un fragmento es adyacente al
extremo 5'-fosfato del fragmento previo.
LA DNA ligasa es la responsable de unir ambos
fragmentos.
Las ligasas están presentes tanto en procariotas
como en eucariotas.
La reacción se lleva en dos pasos e implica la
formación de un complejo enzima-AMP.
*****Péptido de terminación: tus-Prot
TER son sitios específicos de terminación de la síntesis en los que se ancla
tus-Prot. Esta proteína previene que la helicasa desdoble el dúplex de DNA
interrumpiendo la cuña de replicación.
El AMP del complejo enzimático se enlaza al 5fosfato de la mella formando un enlace
fosfodiester en la extremidad 3´-0H liberando la
enzima y el AMP.
7
Reparación del DNA
Cambios en la secuencia de DNA pueden ser inducidos por:
• Efectos ambientales tales como la radiación, químicos mutagénicos y descomposición térmica de
los nucleósidos.
• Errores de lectura de la polimerasa al momento de la replicación del DNA.
Si estos errores no fueran corregidos, al menos en su mayor parte, las células somáticas
acumularían tantas alteraciones en su secuencia que no podrían realizar sus funciones. Asimismo
las células germinales portarían demasiadas diferencias y por tanto la progenie no podría formarse o
llegaría un momento en que no seria viable.
Mecanismo de reparación de la molécula que transfiere los caracteres hereditarios de generación en
generación es indispensable para la vida.
No obstante, y en el contexto evolutivo, salta a la vista que los errores o cambios en las secuencias
no son removidos en su totalidad.
Si existiera un mecanismo perfecto en el que ninguna alteración o cambio pudiera ser transferido a
la siguiente generación, todos los organismos serían prácticamente idénticos. Si bien la reproducción
sexual introduce variación en el acervo genético de las poblaciones, si la secuencia de ambos
progenitores fuera idéntica, la recombinación durante la meiosis y por tanto los gametos formados de
esta manera portaría exactamente la misma información.
Los cambios aparecen, el sistema de reparación intracelular trata de corregir los daños, los cambios
no corregidos pasan a la siguiente generación, si estos daños no permiten el correcto
funcionamiento el organismo no pasa las “pruebas de selección natural” y los nuevos cambios
desaparecen del acervo genético. Si los cambios no alteran la sobrevivencia del organismo, este
podrá reproducirse y los cambios se acumularán en su progenie y en la progenie de su progenie.
Las bases enzimáticas por las que se corrige una secuencia de bases no están
plenamente conocidas en E. coli.
Se sabe que la DNA polimerasa introduce o “se equivoca” en una base cada
10,000 adiciones. Dado que el tamaño de los genes en esta bacteria es de 1000
pb, esto quiere decir que uno de cada 10 genes podría tener una mutación o bien
una tasa de 0.1 mutación por gen por generación. Sin embargo la tasa de
mutación experimentalmente medida es mucho menor (0.00001 o 0.000001).
El descubrimiento de la función de lectura de prueba descubierta inicialmente en
la DNA polimerasa I y posteriormente en la III.
Una cadena sintética de poli-dA fue usada como cebador y además contenía una
base mal apareada en el extremo 3’. Al introducir DNA polimerasa I aislada de E.
coli la base modificada era removida mediante actividad 3’-5’ exonucleásica.
La mayor parte de las polimerasas descritas en bacterias poseen la actividad
exonucleásica, sin embargo solo las DNA polimerasas d y e de los eucariotas
poseen dicha actividad. El que la actividad sea compartida por varios tipos de
polimerasas refleja la importancia de la actividad de lectura de prueba para evitar
daño genético excesivo, manteniendo la fidelidad del copiado.
Tipo de Lesión en la cadena de DNA
Ejemplo - Causa
Base faltante (Gap)
Remoción térmica de purinas por ácidos o calor
(10,000 purinas por dia por célula): A, G
Remoción de bases alteradas por las DNA
glucosilasas.
Base alterada
Radiación Iónica
etilmetano)
Base incorrecta
Mutaciones en la subunidad exonucleásica 3’-5’
Protuberancias por deleción o inserción
Agentes intercalantes (acridinas) introducen o
remueven nucleotidos durante la replicación o
recombinación.
Pirimidinas ligadas o asociadas
Dímeros ciclobutílicos, principalmente de Timina
causados por radiación UV.
Rupturas de cadena
Radiación Iónica o químicos que rompen los
enlaces fosfodiester (bleomicina)
Ligamiento cruzado de cadena
Ligamiento covalente de dos cadenas por
agentes bifuncionales alquilantes (mitomicina).
Fragmentos 3’ deoxiribosa
Disrupción de la estructura de la deoxiribosa por
radicales libres haciendo que se rompa la
cadena.
o
alquilación
(sulfato
de
Por su parte la DNA polimerasa III corrige conforme va avanzando la síntesis,
retardandola momentáneamente hasta reemplazar la base dañada.
Sistemas de reparación
• Algunas enzimas revierten directamente ciertos
tipos de daño al ADN.
• Existen rutas para cortar bases, reparar bases
faltantes y corregir errores mediante remoción y
reemplazo.
• Hay sistemas que funcionan mediante
recombinación para reconstituir la copia no
dañada utilizada para remplazar una secuencia
dañada.
• La ruta de los extremos no-homologos
reincorpora extremos de doble cadena rotos.
• Diversos tipos de DNA polimerasas pueden
estar implicados en la restitución de tramos de
ADN.
8
Sistemas de reparación por escisión en E. coli
El « volteado » de base es utilizada por metilases y glicosilasas
• El sistema UVR realiza incisiones a 12 bases de
separación de ambas partes del ADN dañado,
elimina el ADN entre ellos, y resintetza nuevo
ADN.
El sistema de reparación por escisión UVR
incluye tres genes, uvrA, B, C, que codifican para
los
componentes
de
una
reparación
endonucleasa.
La methylase invierte la citosina
completamente fuera de la hélice,
esta entra en una cavidad en la
enzima donde es modificada.
Luego, se devuelve a su posición
normal en la hélice.
Cuando se producen errores durante la
replicación en E. coli, es posible distinguir la
cadena original de ADN.
Inmediatamente después de la replicación del
ADN metilado, únicamente la cadena original
parental porta los grupos metilos.
En el período, mientras que la hebra recién
sintetizada espera la introducción del grupo
metilo, las dos cadenas se pueden distinguir.
Desajustes pueden ser reparados de forma
preferente para > 1 kb en torno a un sitio GATC.
El resultado es que la nueva cadena síntetizada
se ha corregido a partir de la hebra parental.
Los mutantes dam- de E. coli presentan un
aumento de la tasa de mutación espontánea.
9