Capítulo 16_Las bases moleculares de la herencia PDF

Escuela de Ciencias, Tecnología y Ambiente Capítulo 16: Bases moleculares de la herencia Campbell Reece, J, Urry, L., Cain, M., Wasserman, S., Minorsky, P. and Jackson, R. (2011). Biology (9th ed.). Pearson/Benjamin Cummings....

Escuela de Ciencias, Tecnología y Ambiente Capítulo 16: Bases moleculares de la herencia Campbell Reece, J, Urry, L., Cain, M., Wasserman, S., Minorsky, P. and Jackson, R. (2011). Biology (9th ed.). Pearson/Benjamin Cummings. PP. 305-320 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings BIOL 203 – Biología General I Prof. Cheryl Batista, MS Panorama general: Instrucciones para el funcionamiento de la vida En 1953, James Watson y Francis Crick presentan un sofisticado modelo doble helicoidal para la estructura del ácido desoxirribonucleico, o ADN hereditario. Figura 16.1 La información hereditaria está codificada en el ADN y se reproduce en todas las células del cuerpo. El ADN dirige el desarrollo de rasgos bioquímicos, anatómicos, fisiológicos y (hasta cierto punto) El ADN es el material genético El ADN se copia durante la replicación y las células pueden reparar su ADN. A principios de siglo XX, la identificación de las moléculas de la herencia fue un gran reto para los biólogos. El ADN es el material genético Se conocía que el ADN es un polímero de nucleótidos que consiste en: a. base nitrogenada (puede ser adenina, guanina, citosina o timina), b. azúcar pentosa (desoxirribosa), c. y un grupo fosfato.  Dos hallazgos se convirtieron en las Reglas de Chargaff. 1. 1950 – Chargaff reportó que la composición de bases nitrogenadas en el ADN varía entre especies cuerpo humano - el 30% de los nucleótidos del cuerpo humano es tiene la base nitrogenada adenina, Bacteria E. coli - tiene solo el 26.0% de adenina. 2. En cualquier especie el número de A y T es igual, y el número de G y C es aproximadamente igual. DNA del cuerpo humano – A=30.3%, T=30.3%, G=19.5%, C=19.9%, Modelo Estructural del ADN: Investigación Científica Maurice Wilkins y Rosalind Franklin utilizaron la técnica de cristalografía de rayos X para estudiar la estructura molecular del ADN. Franklin produjo una foto del ADN usando esta técnica.  Las imágenes de Rayoz X permitieron a Watson deducir: que el ADN era helicoidal. el ancho de la hélice y la separación de las bases nitrogenadas. El patrón en la foto sugiere que la molécula de ADN estaba formada por dos hebras, formando una doble hélice. Un grupo fosfato se encuentra enlazado a el carbono 5 Un grupo hidroxilo (OH-) se encuentra enlazado a el carbono 3  Watson y Crick construyeron modelos de una doble hélice conforme a la estructura de rayos X y la química del ADN. Franklin concluyó que eran dos cadenas externas de azúcar-fosfato con las bases nitrogenadas pareadas en el interior. Watson construyó un modelo en el que las hebras del ADN eran anti-paralelas (subunidades corren en direcciones opuestas).  Al inicio, Watson y Crick pensaban que las bases iguales se pareaban (A con A, y así sucesivamente), pero tales pareos daban lugar a un ancho uniforme. En cambio, la unión de una purina con una pirimidina daba lugar a un ancho uniforme y consistente con los datos de rayos-X.  Watson y Crick razonaron que el pareo era más específico, dictado por la estructura de las bases. Determinaron que: adenina (A) solo parea con timina (T), guanina (G) parea solo con citosina (C).  El modelo de Watson-Crick explica las reglas de Chargaff’s: En cualquier organismo la cantidad de A = T y la cantidad de G = C Muchas proteínas colaboran en la reparación y replicación del ADN La relación entre estructura y función se muestra en la doble hélice del ADN. Watson y Crick observaron que el pareo específico de bases sugiere un posible mecanismo para copiar el material genético. Principio básico: pareo de bases a una cadena molde Las dos hebras de ADN son complementarias. Cada hebra actúa como una plantilla o molde para la construcción de una nueva hebra durante la replicación. Antes de la duplicación del ADN: se rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen las bases nitrogenadas unidas y la molécula parental se desenrolla, y dos hebras hijas nuevas se construyen basándose en las reglas de pareo de bases. Ejemplo: segmento corto de ADN, donde las barandillas corresponden a los esqueletos de azúcar-grupo fosfato en las dos cadenas de ADN y los peldaños son los pares de bases nitrogenadas Tiene 2 cadenas complementarias de DNA. Cada base Primer paso de la replicación es la Cada cadena parental sirve como un molde que se aparea mediante separación de las dos cadenas de DNA. determina el orden de los nucleótidos a lo largo un enlace de H con de una cadena complementaria nueva su compañera específica A-T y C-G Los nucleótidos están conectados para formar los esqueletos de azúcar-fosfato de las cadenas nuevas. cada molécula hija consta de una cadena parental y una cadena nueva.  Modelo semiconservativo de replicación de Watson y Crick - predice que cuando la doble cadena se replica, cada molécula hija tendrá una cadena vieja (derivada o “conservada” de la molécula parental) y una cadena nueva. Otros modelos: el modelo conservativo (las dos hebras parentales se reenlazaban) el modelo dispersivo (cada hebra es una mezcla de viejas y nuevas).  Los experimentos realizados por Matthew Meselson y Franklin Stahl apoyaban el modelo semiconservativo. Para el experimento ellos marcaron los nucleótidos de hebras parentales con isótopo pesado de nitrógeno (15N) mientras que los nucleótidos nuevos fueron marcados por isótopo liviano (14N).  La primera replicación produjo banda de ADN híbrido (15N + 14N), descartando el modelo conservativo. La segunda replicación produjo banda de ADN híbrido (15N + 14N) y ADN liviano (14N), descartando el modelo dispersivo. Replicación del ADN La replicación (duplicación) del ADN es notable en su rapidez y precisión. Una bacteria de E. coli tiene un cromosoma tiene aprox. 4.6 millones de pares de nucleótidos y puede copiar todo su DNA y dividirse para formar dos células hijas genéticamente iguales en menos de una hora. Cada una de las células de los seres humanos tiene 46 moléculas de DNA en su núcleo, una larga molécula de ADN helicoidal por cada cromosoma. En total representa alrededor de 6,000 millones de pares de bases o mas de mil veces el ADN de una célula bacteriana. Aún así la célula tarda solo pocas horas en copiar todo su ADN.  Más de una docena de enzimas y otras proteínas participan en la replicación del ADN. A continuación, se explicarán los pasos básicos de la replicación del ADN en el caso de E. coli, excepto cuando se afirme lo contrario. Orígenes de la replicación - Iniciación Origen de replicación el lugar específico donde comienza la replicación donde dos cadenas se separan y se abre una “burbuja” de replicación. El cromosoma bacterial, que es circular, solo tiene un origen de replicación  Un cromosoma 1. La eucariota puede replicación comienza en tener cientos o lugares hasta miles de específicos. La 3. orígenes de célula Eventualmente las burbujas de eucariota replicación. puede tener la replicación se fusionan y cientos/ miles se completa la de estos síntesis de las La replicación del orígenes. cadenas hijas ADN eucariota avanza en ambas 2. Se forman burbujas direcciones desde de replicación múltiples que se 1 3 En esta mitografía se cada origen, hasta extienden lateralmente observan 3 burbujas que la molécula a medida que la replicación progresa en 2 de replicación a lo largo del ADN de una completa es ambas direcciones célula cultivada de copiada. un hámster.  Al final de cada burbuja de replicación existe un tenedor (horquilla) de replicación región en forma de Y-donde las cadenas nuevas se alargan (ocurre elongación).  Distintas proteínas participan en desenrollar la cadena Helicasas - enzimas que desenroscan la doble cadena de ADN en el tenedor de replicación. Proteínas ligadoras de cadena sencilla - se ligan y estabilizan al ADN de cadena sencilla. Topoisomerasas - eliminan la tensión que se genera en tenedor de replicación rompiendo, girando y religando las cadenas.  puede iniciar una cadena de ARN desde cero y agrega nucleótidos de ARN uno a la vez utilizando el ADN parental como molde. eliminan la tensión que se genera en tenedor de replicación rompiendo, girando y religando las cadenas. son las enzimas que desenroscan y separan la doble cadena de ADN en el se ligan y estabilizan al ADN de tenedor de replicación. cadena sencilla (cadena parental).  Las secciones desenrolladas de las cadenas de ADN parentales sirven como plantillas para la síntesis de nuevas cadenas de ADN complementarias. Pero, las ADN polimerasas no pueden iniciar la síntesis de un polinucleótido; solo pueden añadir nucleótidos al terminal 3’ de una cadena en crecimiento. De esta manera una cadena de ADN nueva se puede alargar solo en la dirección de 5’ → 3’  La cadena de nucleótidos inicial que se produce durante la síntesis de ADN es en realidad un tramo corto de ARN, no de ADN. Esta cadena de ARN se denomina cebador (primer) y es sintetizada por la enzima RNA primasa Primasa 3 Topoisomerasa cebador de ARN o primer 3 5 5 3 Helicasa 5 Proteínas ligadores de cadena sencilla  Enzima RNA primasa puede iniciar una cadena de ARN desde cero agrega nucleótidos de ARN uno a la vez utilizando el ADN parental como molde. El cebador (primer) de ARN es corto (5–10 nucleótidos de largo), y el terminal 3’ sirve como el punto de partida para la cadena nueva del ADN. Sintetizando una nueva hebra de ADN ADN polimerasas catalizan la elongación (alargamiento) del nuevo ADN en el tenedor de replicación. Usualmente requieren un cebador (primer) y una hebra templada (plantilla o molde) de ADN. No pueden comenzar una cadena nueva. a medida que los nucleótidos individuales se alinean con nucleótidos complementarios a lo largo de la cadena molde de ADN, la ADN polimerasa los añade uno a uno al extremo de crecimiento de la nueva cadena.  La tasa de elongación es de 500 nucleótidos por segundos en bacterias y 50 por segundo en células humanas. En E. coli participan en su replicación dos ADN polimerasas diferentes (ADN polimerasa III y ADN polimerasa I) En eucariotas es mas complicado – hay al menos 11 ADN polimerasas diferentes pero el principio de replicación es el mismo.  Cada nucleótido que se añade a cadena de ADN creciente es un nucleósido trifosfato (dATP-desoxiadenosina trifosfato)(azúcar y una base, con tres grupos fosfatos). El dATP suministra adenina al ADN y es similar a los ATP del metabolismo energético. La diferencia está en sus azúcares: dATP tiene desoxirribosa, mientras que el ATP tiene ribosa. A medida que cada monómero de dATP se une a la hebra de ADN, ésta pierde dos grupos fosfato como una molécula de pirofosfato. nucleósido trifosfato (dATP)(azúcar y A medida que cada monómero de dATP se une a una base, con tres grupos fosfatos). la hebra de ADN, esta pierde dos grupos fosfato como una molécula de pirofosfato. Elongación antiparalela La estructura anti-paralela de la doble hélice afecta la replicación. Las ADN polimerasas no pueden iniciar la síntesis de un polinucleótido; solo pueden añadir nucleótidos al terminal 3’ existente (cada nueva en dirección 5’ → 3’). la ADN polimerasa III se acomoda simplemente en el tenedor de replicación sobre la cadena molde y agrega nucleótidos de forma continua a la cadena complementaria a medida que el tenedor progresa. Después de que se hace el cebador del RNA, ADN Pol III comienza a sintetizar la hebra adelantada. Una cadena nueva, la hebra adelantada, se puede alargar continuamente de 5’ → 3’ a medida que progresa la horquilla de replicación. Síntesis de la otra cadena nueva, o la cadena o hebra rezagada la ADN polimerasa debe trabajar en dirección opuesta al tenedor de replicación. La hebra rezagada se sintetiza como una serie de segmentos Fragmentos de Okazaki, los cuales son unidos entre sí por la ADN ligasa. Una vez una burbuja de replicación se abre lo suficiente, una molécula de ADN pol III se adhiere al molde de la hebra rezagada y se aleja del tenedor de replicación. Síntesis de una hebra retrasada 1. La RNA primasa une los nucleótidos del RNA formando un cebador Figure 16.16b-1 2. La ADN pol III añade nucleótidos al cebador (primer) y forma el primer fragmento de Okazaki  3. Después de alcanzar el cebador (primer) a la derecha, la DNA pol III se separa Figure 16.16b-3  4. Después de cebar el segundo fragmento, la ADN pol III agrega nucleótidos del ADN hasta que alcanza el fragmento del primer Figure 16.16b-4 cebador (primer 1).  5. La ADN pol I reemplaza el ARN con ADN y lo añade al 3’ del fragmento 2. Figure 16.16b-5  6. La ADN ligasa forma un enlace entre el ADN mas nuevo y el ADN adyacente del fragmento 1. Figure 16.16b-6 Resumen de la replicación de un DNA bacteriano El Complejo de Replicación del ADN Las proteínas que participan en el proceso de replicación del ADN forman complejo conocido como “maquinaria de replicación del ADN”. La maquinaria de replicación del ADN puede mantenerse estacionaria durante el proceso de replicación. Estudios recientes apoyan un modelo en el que las moléculas de ADN polimerasa “enrollan" el ADN parental y “substraen" moléculas de ADN hijas recién hechas. Modelo del Complejo de Replicación del ADN. Dos moléculas de ADN pol III trabajan a la misma vez en el complejo, cada una en la cadena templado (plantilla). El ADN de la plantilla de hebra retrasada atraviesa el complejo. Revisión y Reparación de ADN ADN polimerasas - corrigen ADN recién sintetizado, cotejan cada nucleótido y reemplazan cualquier nucleótido incorrecto. Reparación por incompatibilidad del ADN - enzimas reparan corrigen errores en pareo de bases. El ADN puede dañarse por la exposición a agentes químicos o físicos nocivos tales como humo de cigarrillo y rayos X; también pueden ocurrir cambios espontáneos. En la reparación por escisión de nucleótido, una nucleasa corta y reemplaza espacios dañados del ADN. Reparación por incompatibilidad corta y reemplaza espacios dañados del ADN Completa los nucleótidos que faltan Sella el extremo libre del ADN nuevo al viejo completando la cadena Importancia Evolutiva de Mutaciones en el DNA Errores luego de mecanismo de revisión por la ADN polimerasa son bajos, pero no cero. Cambios en la secuencia de ADN pueden ser permanentes y ser pasados a la próxima generación. Estos cambios o mutaciones son fuente de variación genética (selección natural). Replicación de los Terminales del ADN Limitaciones de la ADN polimerasa crean problemas en ADN lineal de los cromosomas eucariotas. Maquinaria de replicación no permite replicar terminal 5’; por ende, luego de varios ciclos de replicación las moléculas de ADN se van acortando y tienen terminales desiguales. Telómeros Son secuencias repetitivas de nucleótidos en los extremos de los cromosomas en los eucariotas. Protegen los extremos de los cromosomas para evitar que se desgasten los genes a los extremos terminales de la molecula del ADN. Se ha propuesto que acortamiento de telómeros está relacionado con el envejecimiento de cierto tejidos e incluso del organismo en totalidad.  Figura 16.21 1 m Los eucariotas tienen secuencias repetitivas, no codificantes, los telómeros, en los extremos de su ADN. Aquí se ven marcados por tinción anaranjada brillante en cromosomas de ratón.  Si los cromosomas de las células germinales se acortaran en cada ciclo celular, eventualmente desaparecerían genes esenciales de los gametos que estas células producen. Una enzima llamada telomerasa cataliza el alargamiento de los telómeros en las células germinales y restaura de este modo la longitud original compensando el acortamiento que se produce durante la replicación del ADN.  El acortamiento normal de los telómeros puede proteger a los organismos del cáncer, limitando el número de divisiones que pueden sufrir las células somáticas. Hay evidencia de actividad de la telomerasa en las células cancerosas, lo que puede permitir que las células cancerosas persistan. https://www.bing.com/videos/search?q=Proceso+De+Replicacion+Del+ADN&&view=detail& mid=21492C9D553E25000A7C21492C9D553E25000A7C&&FORM=VRDGAR