Replicación y reparación del ADN, UAX Universidad Alfonso X el Sabio

BIOLOGÍA MOLECULAR

REPLICACIÓN DEL ADN

hhmi
Biointeractive

INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA CELULAR (ALBERTS)
CAPÍTULO 6 "REPLICACIÓN, REPARACIÓN ... "
C 2023 UAXUAX
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Alfonso X el Sabio

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

FASE S

Replication
DNA
Transcription
RNA
Translation
Protein

Biología molecular de la célula, quinta edición (@ Garland Science 2008 y Ediciones Omega 2010)UAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

• La célula requiere de maquinarias proteicas que replican y reparan el
  ADN
• A pesar de que estos sistemas protegen la información genética, en
  ocasiones ocurren errores durante el proceso de copiado o por acción
  de agentes externos: MUTACIONES

CREAN DIVERSIDAD

• Beneficiar al organismo, como por ejemplo, mutaciones que
  hacen que una bacteria sea resistente a un determinado
  antibiótico o también estas mutaciones son las responsables de la
  variabilidad entre las distintas especies, que es debida a la
  acumulación de cambios en el ADN durante millones de años .
• Perjudicar al organismo, ya que son las responsables de muchas
  enfermedades hereditarias y de muchos tipos de cánceres.

En general la supervivencia de una célula depende de que los cambios
en su ADN se mantengan al mínimo
1UAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

En cada división celular, una célula debe copiar su genoma con
extraordinaria precisión.
Como ya hemos visto, cada cadena de la doble hélice de ADN contiene
una secuencia de nucleótidos que es complementaria a la de la otra
cadena. Por lo que, cada cadena puede actuar como molde para la
síntesis de una nueva cadena complementaria. De esta forma, la
información contenida en el ADN puede ser copiada con precisión.

Dirección de síntesis

Desoxinucleósidos
trifosfato
5'
3'
3'
5'
Cadena molde

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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

• Watson y Crick, tras publicar su teoría del ADN, publican un segundo artículo
  en el cual postulan como podría ser el proceso por el cual el ADN es
  replicado. Ellos proponen que las dos cadenas de la doble hélice, se
  desenrollarían y cada una serviría como molde para la síntesis de una cadena
  hija complementaria. En su modelo, por tanto, la nueva molécula de ADN
  estaría formada por una cadena parental original y una nueva recien
  sintetizada. A
  esta
  teoria le dan el nombre de HIPÓTESIS
  SEMICONSERVATIVA.
• Delbrück enuncia otro modelo en el cual propone que la replicación del ADN
  es DISPERSIVA; ocurre gracias a una serie de roturas y reuniones en las que
  el eje de ADN se rompe y las cadenas son copiadas en fragmentos cortos
  antes de volver a ser unidas. En este modelo, las copias resultantes serían
  una mezcla de ADN nuevo y ADN antiguo.
• Surge una tercera teoría en la que se dice que la replicación podría ser
  CONSERVADORA, es decir, la hélice parental podría de alguna manera,
  permanecer entera después del copiado y la molécula hija estaría formada
  por dos cadenas completamente nuevas.

?UAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

Posibles hipótesis de replicación del ADN

Semiconservative
replication
Conservative
replication
Dispersive
replication
Experimental
results
Parental
molecule
2000
Matches all
HH
First-
generation
daughter
molecules
LH
Matches
semiconservative
and dispersive
Second-
generation
daughter
molecules
LL
LH
Matches only
semiconservativeUAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

Demostración de la hipótesis semiconservativa: Experimento de Meselson y Stahl

CONDITION
RESULT
INTERPRETATION
centrifugal force
(A) bacteria grown in
light medium
light DNA
molecules
centrifugal force
(B) bacteria grown in
heavy medium
heavy DNA
molecules
1
TRANSFER TO
LIGHT MEDIUM
OR
centrifugal force
(C) bacteria grown an
additional 20 min in
light medium
DNA molecules of intermediate weight

Biología molecular de la célula, quinta edición (@ Garland Science 2008 y Ediciones Omega 2010)UAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

Demostración de la hipótesis semiconservativa: Experimento de Meselson y Stahl

E. coli grown in
15N-labeled medium
E. coli DNA becomes
uniformly labeled with
15N in nitrogenous bases
Generation 0
Generation I
Generation II
Generation III
15N-labeled
E. coli added
to AN medium
Cells
replicate
once in
14N
Cells< />replicate a
second time
in AN
Cells
replicate
a third time
in 14N
+
Gravitational force
DNA extracted and centrifuged in gradient
15N/15N
15N/14N
14N/14N 15N/14N
14N/14N 15N/14N
-
Conservative
Semiconservative
Dispersive
15N DNA
14N DNA
One DNA
density
Band
One DNA
density
band
G1
G2
G3UAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

Hipótesis semiconservativa (Watson & Crick, Mayo-1953)

template S strand
5'
3'
3
5'
new S' strand
5'
3'
3'
5'
new S strand
5'
3'
S' strand
parent DNA double helix
3'
5'
template S' strand

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S strandUAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

1. Origen de replicación

El proceso de replicación del ADN es comenzado por proteínas iniciadoras que se
unen al ADN y separan las dos cadenas, rompiendo los enlaces de H entre las
bases y separando de esta manera las cadenas de ADN.
Las posiciones en las que el ADN se abre primero se denominan orígenes de
replicación y suelen contener secuencias específicas (alto contenido en A/T).
secuencias en consenso de adn ricas en adenina y timina= donde comienza la desnaturalizacion
PORQUE CUESTA MENOS ROMPER LOS ENLACES DE PUENTES DE HIDROGENO
replication origin
double-
helical
DNA
- El genoma humano tiene
aproximadamente 10000 orígenes de
replicación, lo que permite que la
célula replique su ADN con relativa
rapidez.
5'
AA
++
3'
3'
AR
5'
double helix opened
with the aid of
initiator proteins
proteínas iniciadoras
-Por el contrario el genoma bacteriano,
al poseer la característica de estar
contenido en una única molécula
circular, posee únicamente un origen
de replicación.
5'
3'
3'
5'
single-stranded DNA templates
ready for DNA synthesis

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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

Eucariotas

Procariotas

replication origin
LOCAL OPENING
OF DNA HELIX
replication
begins
RNA PRIMER
SYNTHESIS
NEW DNA CHAIN
STARTS LEADING-
STRAND SYNTHESIS
RNA PRIMERS START
ADDITIONAL NEW
DNA CHAINS
replication
completed
lagging strand
of fork 1
leading strand
of fork 2
leading strand
of fork 1
-FORK 1
lagging strand
of fork 2
FORK 2-
2 circular daughter DNA molecules

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10.000 ORIGENES DE REPLICACION
replication origin
rUAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

2. APERTURA DE LA HÉLICE

La molécula de ADN, en el proceso de ser replicada, contiene unas estructuras que
se denominan horquillas de replicación. Es en los puntos de origen de replicación
donde aparecen estas estructuras, debido a que la maquinaria de replicación abre
o separa la doble hélice con el fin de mantener las cadenas separadas, para que
puedan usarse como molde para sintetizar las cadenas nuevas
origins of replication
1
direction of
fork movement
1
1.
2
replication forks
HORQUILLAS DE REPLICACIOM:
FROMA QUE ADQUIERE EL ADN EN
CADA ORIGEN DE REPLICACIÓN
0.1 um
3

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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

5'LI
3
DNA helicase
binds
V
ATP
ADP + P;
-ADN helicasa, una enzima que utiliza al
energía de la hidrólisis del ATP para
separar la doble hélice.
O COMPLEJOS PROTEICOS
Está formada por 6 subunidades que
forman un anillo hexamérico. Cada una
de estas sububnidades (idénticas entre
sí) se va a unir a ATP y lo va a hidrolizar
propulsando la enzima como una
máquina de rotación a lo largo de la
cadena sencilla de ADN.
CADA COMPLEJO PROTEICO TIENE ACTIVIDAD
ATPaSA
leading-strand
template
3'
3
5
if the DNA cannot rapidly
rotate, torsional stress
will build up
5'
lagging-strand
template
(A)
(B)
Para que la doble hélice sea
descomprimida se necesita la actuación
de dos tipos de proteínas:
ADN HELICASA
- GASTA 6 MOLECULAS DE ATP
- FUNCIÓN = DESNATURALIZACION DEL ADN
K
ATP
ADP + Pi
ATP
ADP + P;
+
-Topoisomerasas, que alivian la tensión
durante el "problema de
desenrollamiento". Realizan roturas
transitorias y reversibles en el esqueleto
fosfodiéster, permitiendo a las dos
secciones de ADN, adyacentes a la
muesca, girar libremente.
ELIMINAN LA TENSION QUE SE GENERA EN LOS EXTREMOS DE LA CADENA DE ADN
PARA QUE LA ADN HELICASA PUEDA SEGUIR DESNATURALIZANDO LA CADENA DE ADN

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EJEMPLO DE LA BUFANDAUAX
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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA

ADN helicasa
5'
3'
ATP
5'
3

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REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA
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SSBP

• Proteína de unión a ADN de cadena sencilla (SSPB). Estas proteínas se unen de
  modo cooperativo a cadenas de ADN abiertas sin obturar las bases de la cadena,
  las cuales quedan disponibles para actuar como patrón. Estas proteínas por sí solas
  no pueden abrir las dos cadenas de ADN, pero se unen a ellas y las estabilizan en
  su forma desenrollada, permitiendo así que se complete el proceso de replicación.
  DNA polymerase
  LAS PROTEINAS DE UNION AYUDAN A EVITAR QUE LAS CADENAS DE ADN YA
  SEPARADAS VUELVAN A UNIRSE, NO DESNATURALIZAN
  5'
  3'
  single-stranded region
  of DNA template
  with short regions
  of base-paired "hairpins"
  single-strand
  binding protein
  monomers
  5'
  3'
  cooperative protein binding straightens region of chain

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