Genética Molecular: replicación, transcripción del ADN y mutaciones

Genética Molecular

Dogma Central de la Biología Celular

Propuesta inicial de Crick (1970)

Replicación Transcripción Traducción DNA RNA Proteína

Modificaciones posteriores

Replicación Replicación Replicación Transcripción Traducción DNA RNA Proteína Transcripción inversa

DNA AT GAC GGT A CA G CC G CA A TA C GA A TT G G C G TTT A A GG C GA AA GC T GG A GG AG GG CG CTCATA A

Transcription mRNA AUGA CG GUACA GCC G CA A U A C GA A U UG G C GU U U A A GG C G A A A G C UG GA ACC G G G CG CUC AUA A STOP

Translation Protein Met Thr Asp Gir Pro Gin Ty Glu Let Ala Phe Lys Ala Lys Ala Gly Th Gly Arg Ser

La información genética fluye del ADN al ARN y de este a la proteína

Célula Humana

Núcleo ADN Transcripción Procesamiento ARNm Polipéptido Traducción Traducción ARNm Ribosoma Citosol Ribosoma

Bacteria

Transcripción ADN Polipéptido Citosol

El Material Genético en Procariotas y Eucariotas

En procariotas prácticamente todo el ADN se utiliza para codificar proteínas. En eucariotas: Sólo un 10 % del ADN codifica proteínas. · El ADN es altamente repetitivo. Exon Intron Gen Exon " Las secuencias que codifican proteínas no suelen ser continuas, sino que existen secuencias no codificadoras intercaladas. Los fragmentos codificadores se denominan exones, mientras que los no codificadores son los intrones. Ejemplo: el gen del citocromo c tiene 4 intrones. Parece ser que los intrones son una ventaja evolutiva ya que favorecen la recombinación meiotica (cuanto más evolucionada es una especie más intrones presenta). Aumentan la variabilidad genética.

Replicación del ADN

El ADN debe transmitirse fielmente a las células hijas. Por tanto debe formar copias exactas de sí mismo. Este proceso se conoce como Replicación o Duplicación del ADN

Procedimientos de Replicación

? HIPÓTESIS: CONSERVATIVA La cadena original se mantiene y se sintetiza otra nueva. SEMICONSERVATIVA DISPERSIVA Watson y Crick. Cada célula hija conserva una hebra original de la célula madre y una hebra nueva recién sintetizada. Las células hijas reciben fragmentos nuevos y antiguos

Experimentos de Meselson y Stahl (1957)

1) Meselson y Stahl cultivaron bacterias E. coli en un medio con 15N (nitrógeno pesado) durante cierto tiempo para que todo el ADN estuviese formado por dos hebras de 15N (15N- 15N) más pesadas. Si se centrifuga, este ADN más pesado migra hacia el fondo del tubo y se obtiene el resultado que se observa en la figura.

3 2 1 15 N- 15N

2) A continuación se cultivan las bacterias en nitrógeno 14 (14N) más ligero durante 30 minutos, lo que dura un ciclo de replicación. Si la hipótesis de la síntesis conservativa fuese la correcta se debería obtener lo que se observa en la figura, una banda de ADN pesado 15N-15N) y otra con ADN ligero (14N-14N) pero ...

X 3 2 1 15N-15N 14AI 14KI

3) ... lo que se obtiene en realidad es lo que se observa en la figura: una sola banda en posición intermedia pues está formada por ADN mixto (15N-14N). Esto es, todas las células hijas tienen un ADN con una hebra con 15N y otra con 14N .

3 1 La hipótesis semi- conservativa era la correcta.

15N- 14N 15N.14N Hipótesis correcta: SEMICONSERVATIVA 2 Cada cadena de ADN sirve como molde para la síntesis de una molécula de ADN nueva

Descubrimiento de la Doble Hélice

El 30 de enero de 1953, el colega de Rosalind Franklin, Maurice Wilkins, entregó la famosa 'Fotografía 51' de Franklin a Watson sin su consentimiento o conocimiento. Este fue un momento eureka para el Watson, quien citaba en sus memorias: "En el instante en que vi la imagen, mi boca se abrió y mi pulso comenzó a acelerarse". La imagen reveló precisamente el patrón de doble hélice del ADN, y le abrió a Watson la perspectiva correcta para su modelado en tres dimensiones. 1962 PREMIO NOBEL

Replicación del ADN

Fase S del ciclo celular (Fase de Síntesis del ADN)

ADN Polimerasa 3' cadena adelantada 5° 5' Helicasa 3' cebador Lagging-strand template 5 fragmentos de Okazaki ADN Polimerasa

Fases del Mecanismo de Replicación

INICIACIÓN FORMACIÓN DE NUEVAS HEBRAS FINALIZACIÓN

Topoisomerasa

Replicación del ADN

Iniciación de la Replicación

3' 5' Topoisomerasa (relaja el superenrollamiento ocasionado por el desenrollamiento) INICIACIÓN Helicasa (separa las dos cadenas) ADNpol III (alarga el primer) ARN ARN (Primer) ADNpol I (degrada el primer llenando el hueco) ORIGEN DE REPLICACIÓN Cadena de síntesis continua SSB(proteínas estabilizadoras de cadena sencilla) BEbrICVCION 3 ADN 3 5' PRIMASA (ARNpol) ADN Ligasa (une los fragmentos Okazaki) HELICASA: rompe los puentes de hidrogeno de las bases y separa las dos hebras. · TOPOISOMERASA: ADN girasa: relaja la tensión que se va acumulando por la apertura de la horquilla. La enzima rompe la cadena de ADN, libera la tensión y sella de nuevo la cadena. Proteínas SSB: mantienen separadas las dos hebras. Estabilizan las cadenas separadas

Replicación del ADN

Formación de Nuevas Hebras

Síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las hebras originales del ADN, colocando bases complementarias ADN polimerasa III: · Necesita una hebra molde en sentido 3'- 5' · Une nucleótidos en sentido 5' 3', · Utiliza nucleótidos trifosfato, que al mismo tiempo proporcionan la energía necesaria para la unión de la cadena nucleotídica, al romper el enlace para quedarse monofosfato. · Necesita un fragmento con un extremo 3' libre para comenzar. No puede comenzar la síntesis por sí misma.

3 5' Topoisomerasa (relaja el superenrollamiento ocasionado por el desenrollamiento) Helicasa (separa las dos cadenas) ADNpol III (alarga el primer) ARN ARN (Primer) ADNpol I (degrada el primer llenando el hueco) Cadena de síntesis continua SSB(proteínas estabilizadoras de cadena sencilla) 3 ADN 3 in PRIMASA (ARNpol) ADN Ligasa (une los fragmentos Okazaki) ATP CAMP cadena corta de ARN (40-50 nucleótidos) CEBADOR o PRIMER Sintetizado por una Primasa (ARN-polimerasa)

Replicación del ADN

Orígenes de Replicación

Los orígenes de replicación son las zonas del ADN donde se inicia el proceso de replicación. En ellos se produce la apertura de la doble hélice, formándose una burbuja de replicación que va creciendo de forma BIDIRECCIONAL. En los dos extremos de la burbuja, donde las helicasas separan las cadenas, la molécula forma una estructura en forma de Y llamada "Horquilla de replicación" (por donde la ADN-pol III va avanzando) La replicación avanza en forma bidireccional, a partir del origen de replicación ambas horquillas se expanden en sentidos opuestos.

horquilla horquilla Dirección de apertura de las hebras Hebras molde A 5 3 5' Burbuja de replicación 3 5" 3 3 V Hebras molde Dirección d apertura de las hebras ORI Cadena continua Cadena discontinua

Replicación del ADN

Replicación en Procariotas y Eucariotas

En el cromosoma cerrado de procariotas existe un único origen

En las células procariotas burbuja de replicación origen de replicación horquillas de replicación

En cromosomas eucariotas que son abiertos y muy largos, existen múltiples orígenes, se pueden observar múltiples burbujas

Origen Origen Origen Origen + 4 Replicón Replicón Replicón Replicón Burbuja Burbujas Burbuja Burbuja Cada burbuja se expande hasta encontrarse con las burbujas adyacentes. Cuando todas las burbujas se han fusionado, se habrá completado el proceso.

Replicación del ADN

Síntesis de Hebras

La ADN-Pol III lee en sentido 3'- 5' y coloca desoxirribonucleicos en sentido 5'-3'

Hebra conductora 3' Hebras progenitoras 5' RNA cebador 3' 5' Horquilla de replicación Hebra retardada La cadena que crece en dirección 5'-3', se sintetiza continua como una sola unidad. Cadena ADELANTADA Hebra de DNA sintetizada de novo 5' 3' . 5' 5' Dirección del desplazamiento de la horquilla de replicación Cadena RETRASADA 3' TT 5' 3 3' La hebra que crece en dirección 3'-5', se sintetiza de manera discontinua, en fragmentos separados: "Fragmentos de Okazaki" Cada uno de los fragmentos se sintetiza en dirección 5'-3' (es decir, hacia atrás, en sentido contrario al avance de la horquilla) y requieren un cebador cada uno.

Replicación del ADN

Síntesis de ADN

La síntesis de ADN se produce siempre en sentido 5'-3'. En cada horquilla de replicación la síntesis de la cadena líder se produce de forma continua, mientras que la síntesis de la cadena retrasada se desarrolla de forma discontinua.

3' 5 5' Hebra de DNA sinteti zada de novo 3' 3' 3' 5 Dirección de desplazamiento de la horquilla de replicación Fragmentos de Okazaki 3 5 3 .5 6' 3' 5' 3' 5 3 3' 5 Fragmentos de Okazaki

Replicación del ADN

Finalización de la Replicación

- La enzima ADN-Pol I elimina los cebadores y rellena los huecos y - Las Ligasas unen los fragmentos. Cada hebra se vuelve a enrollar formando ahora dos nuevas cadenas.

3' Hebra parental ADN Polimerasa Topoisomerasa 5' 3' Primer de ARN 5' Ligasa 3' 31 3' 3' 5' 3' Helicasa 5' Hebra parental Fragmentos de Okazaki Animación: Replicación del ADN - YouTube https://youtu.be/uEwyWgSvLc0 5' SI

Replicación del ADN

Diferencias de Replicación en Eucariotas y Procariotas

H2A 1H2A H2B H2B DNA ~10 nm H3 8000000 H4 A( H4 Linker DNA NUCLEOSOMA En eucariotas - Deben sintetizarse también las histonas. - Los fragmentos de Okazaki son menores. - La velocidad de replicación es menor En procariotas - Intervienen 3 ADN-Polimerasas mientras que en eucariotas son 5. - La replicación tiene un único origen y en eucariotas hay múltiples puntos.

Replicación del ADN

Corrección de Errores

El ADN es la única molécula capaz de repararse a sí misma. La ADN-Pol III revisa el nucleotido que acaba de incorporar y, en el caso de equivocación lo retira gracias a la actividad exonucleasa en sentido 3'-5', lo reemplaza por el correcto y continua. Por lo que el número de errores es muy bajo (1 de cada 108 bases incorporadas) Aún así existe un PROCESO DE CORRECCIÓN POSTREPLICATIVO en el que actúan varias enzimas: - Endonucleasas, que detectan errores y cortan la cadena en esa zona. - Exonucleasas, que eliminan el fragmento incorrecto. - ADN Polimerasas que sintetizan la parte correspondiente al segmento eliminado (ADN Pol I). - ADN ligasas que unen el nuevo segmento al resto de la cadena A pesar de la corrección, la fidelidad en la replicación no es absoluta, esto es importante porque aporta variabilidad genética a los seres vivos , que es la base de la evolución biológica.