3.replicacion reparacion dna
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Replicación del DNA
Replicacion del DNA
Es un proceso complejo, mediante el cual a partir de una molecula de DNA progenitora o parental se sintetiza una nueva, originandose dos moleculas de DNA hijas, de secuencia identica a la del DNA original
Relación :
Estado Replicación Progresión del ciclo
• Inicia Replicación DNA Célula inicia división celular
• Cuando inicia debe No hay división celular hasta
terminar que se complete la replicación
• El final de la replicación Posible señal División
La replicacion de los cromosomas eucarioticosocurre una vez por ciclo celular
Caracteristicas principales del proceso:
Caracter semiconservador
Realizacion simultanea (en ambas hebras)
De forma secuencial
Con caracter bidireccional
Origen monofocal (procariotas) o multifocal (eucariotas)
La replicacion se produce de forma coordinada con la la division celular, en fase “S”, previas a la mitosis y Meiosis I.
Es el mecanismo por el cual se copia la información codificada en una molécula de ADN
ATATTAGCTACGATCG
AATGTCAC
TTACAGTG
ATATTAGCTACGATCG
ATATTAGCTACGATCG
Mol original Separación Mol. Nuevas (vieja-nueva)
Replicación del DNA
Mecanismos de Replicación:
Replicación del DNA
Experimento de Meselson y Stahl
Replicación del DNA
Experimento de Meselson y Stahl
CARACTERÍSTICAS REPLICACIÓN:
b) Síntesis simultánea
en ambas hebrasSíntesis no comienza al azar:
• “Orígenes de replicación”
• c/u apertura local de la doble hélice
• Comienza síntesis simultánea de 2 nuevas hebras
• Simultáneo ≠ contínuo
c) Secuencial 2 hebras nuevas se van alargando progresivamente
Adición secuencial de Nucleótidos
d) Bidireccional Separación 2 hebras progenitoras (comienza en cada origen)
Progresa en ambas direcciones
P P P P PP P
PP
P
OH
PP
P
PP
P
PP
OH
PP + H2OP P P P
PP
P P
OH
PP
P
PP
PPP
P
OH
P
PP
5’ 3’
1. Desenrollar la doble hélice y Liberar la tensión de torsión
2. Separar las dos hebras
3. Mantener la hebras desenrolladas
4. Sintetizar las nuevas cadenas
1. Topoisomerasas
2. Helicasas
3. RPA-ReplicationProtein A
4. Primasas y Polimerasas
Tipo I – nick o muesca en una cadena
Tipo II – ruptura de doble banda
La misma enzima une los extremos rotos de ADN (ligación)
Macrofotografía electrónica del ADN viral de SV40
De acuerdo al análisis de secuencias las DNA polimerasas se clasifican en 7 Familias (Hogg et al 2005) : ◦ A, B, C, D, X, Y, RT ◦ Tres subdominios: Fingers: interactúa con la hebra molde
Palm: Sitio de catálisis y de unión con metales
Thumb: contacto con dsADN
Tipos de DNA polimersas
Se añade un nucleótido a la vez en la parte 3’-0H de la cadena
El sentido de la nueva cadena es 5’-3’◦ Alta fidelidad: ~ 10-8/ 10-10 .
◦ Tipo de polimerasa y secuencia
Tipos de Cebadores
RNA◦ retrovirus
ADN ◦ parvovirus
Proteína-nucleótidos◦ Adenovirus
Primasa: Sintetiza fragmentos cortos de 40-400 nt de RNA
La DNA polimerasa también tiene corrección de prueba
La DNA polimerasas se encuentran en todos los
organismos
Characteristic Polymerase I Polymerase II Polymerase III
gene polA polB polC
MW 103,000 90,000 130,000
Number/cell 400 100 10
5’-3’ elogation yes yes yes
3‘-5’ exonuclease yes yes yes*
5‘-3’ exonuclease yes no no
biological functionDNA repair, RNA primer excision
SOS DNA repair (?)
replicative chain growth
*3' exonuclease function carried out by the DnaQ protein, a subunit of the core enzyme
E. Coli tiene tres DNA polimerasas
Polymerase LocationSize of Catalytic Subunit
Enzimatic Activity3’-5’ exonuclease
Biological Function
Alpha (I) nucleus160-185 kD
NOlagging strand replication
beta nucleus 40 kD No DNA repair
gamma mitochondrion 125 kD Yesmitochondrial DNA replication
Delta (III) nucleus 125 kD Yesleading strand replication
epsilon (II) nucleus210-230 or 125-140 kD
Yesreplication (?)
Eucariotes tiene cinco DNA polimerasas
Todas tienen actividad 5’-3’ de elongación
Otras Enzimas
• Helicasas
Separan lashebras de ADN– Proteina SSB
DNA Helicasa: Proteínas hexaméricas en forma de anillo, que catalizan la separación de las dos cadenas de DNA.Se mueve a lo largo del DNA en una dirección
fija (POLARIDAD). Requiere la energía suministrada por la hidrólisis del ATP.
Proteínas SSBs
- Estabilizan las cadenas separadas.
- Interacciones electrostáticas con la columna de fosfato.
- Interacciones de apilamiento con las bases del DNA.
- Presentan unión cooperativa.
• Ligasas
Unen dos fragmentos de ADN
Ligasas
Enzimas de replicacionProteina SSB = single strand binding protein
DNA girasa
Primasa
El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
1963 François Jacobs, Sydney Brenner y Jacques Cuzin→ Modelo que explica proceso de replicación en bacterias:
Origen de replicación → Replicón Uno en procariotes (monofocal):Comienza siempre en un punto determinado ORIGENProgresa formando 2 horquillas de replicación
Múltiples en Eucariotes (multifocal):C/crs existen múltiples orígenes de replicación (centenares –
miles)Progresan dando lugar a un número doble de horquillas
Componentes que controlan la iniciación de la replicación
◦ Replicador → grupo de secuencias suficientes para dirigir la
iniciación de la replicación del DNA ≠ Origen de replicación
Proteína Iniciadora → Reconoce específicamente una secuencia de
DNA (iniciador) → activa la iniciación de la replicación
Modelo del replicón del inicio de la replicación
Las secuencias replicadoras, presentan dos características comunes◦ Sitios de unión → Maquinaria de replicación
◦ Regiones ricas en AT → Fácil desenrollamiento
245 pb
13 13 13 9 9 9 9
OriC (E. coli)
SV40
EP EP P P P P
65 pb
Múltiples origenes de replicación en
eucariotes
+
Proteína Iniciadora:◦ Unión a sitio especifico don el Iniciador
◦ Desenrrollamiento del sitio adyacente al sitio de unión.
◦ Interacción con otras proteínas → Reclutamiento
Eucariotes → Iniciador → Complejo proteico → Complejo de reconocimiento del origen (ORC)
Iniciador unido a Replicador → Inicio de la replicacion → Interacciones proteina-proteina y proteina-DNA → Esamble de dos orquillas de replicacion (Burbuja de replicacion)
REQUERIMIENTOS DE LA REACCIÓN DE SÍNTESIS:
Cebador: Fragmento de ADN
Sustratos: dNTPS
Cofactores: Mg2+
Molde o plantilla
Mecanismo de la reacción
Dirección de la síntesis
Enzimas
FASES:
Iniciación: topoisomerasa, helicasa, proteínas unidas
a hebra sencilla, primasa y cebador
Elongación: DNA polimerasa, horquilla de replicación
Terminación, maduración y unión de los fragmentos
de Okazaki
A partir de los puntos de iniciación se originan las denominadas burbujas de
replicación, las cuales presentan dos zonas con forma de Y llamadas
horquillas de replicación que se van abriendo gradualmente a medida que se
sintetiza nuevas hebras complementarias de ADN
FASE DE INICIACIÓN
5´
3´5´
3´
Burbujas de
replicación
Horquillas de
replicación
-CADENA CONTINUA: Se sintetiza de forma continua.
-CADENA RESAGADA: Se sintetiza por medio de
fragmentos de OKAZAKI
CADENA RESAGADA
CADENA ADELANTADA
Fragmentos de Okazaki
3`
5`
Aumentan la procesividad de la DNA polimerasa.
Compuesta por múltiples subunidades idénticas que se
ensamblan en forma de dona, y contiene moléculas de
agua entre el DNA y la proteína.
Para iniciar la replicación se requieren primers de RNA, que son sintetizados por una RNA polimerasa PRIMASA.
-Cadena continua:
Necesita un solo primer.
- Cadena rezagada:
Necesita varios primers.
Los primers RNA son removidos por la RNAasa H, que remueve todo el primer excepto el último ribonucleótido unido directamente al extremo terminal del DNA.
Cataliza la abertura y ubicación de la
abrazadera deslizante sobre el DNA.
El proceso es acoplado a la unión de ATP y a
la hidrólisis.
Procariotes Complejo
Eucariotes Factor de replicación (RFC).
FASE DE ELONGACIÓN
• Es la fase en la que tiene lugar la síntesis de nuevas hebras de
ADN complementarias a cada una de las dos hebras de ADN
originales.
• En esta fase intervienen varios tipos de ADN polimerasas que se
nombran como I, II y III.
• La actividad de estos enzimas es por una parte polimerasa, es
decir que seleccionan y unen entre sí los nucleótidos que
corresponden a los complementarios de la hebra molde a medida
que la van recorriendo.
• Actividad exonucleasa, por la cual se eliminan nucleótidos
erróneos o mal apareados y fragmentos de ARN colocados
provisionalmente.
En la horquilla de replicación se sintetizan a lavez las cadenas adelantada y retrazada.
Procariotes Complejo multimérico =Holoenzima DNA Pol III
Terminacion
Final de elongacion
Replicacion de los telomeros
Acortami-ento de 50 – 200 pb porcadadivision celular
Están localizados en los extremos de los cromosomas
Sin los telómeros, los cromosomas son inestables y pueden combinarse con otros cromosomas para formar cr. dicéntricos o anillos
Protegen al cromosoma de la degradación Permiten la replicación completa de cada
cromosoma Posicionan a los cromosomas dentro del núcleo Sus secuencias tienen estructura y función
propias Tienen unas 6-10 kilobases, y consisten de
unas 250 – 1500 repeticiones de una secuencia rica en G, en los vertebrados es TTAGGG
Replicacion en procariotes
Mecanismos de replicación es mas simple:
Hay una sola unidad de replicación
Genoma bacteriano es un replicón circular unico de 4200 kb
La velocidad de replicación es aproximadamente = 50,000 pb/mn
Tamaño de los fragmentos de Okasaki = 1 a 2 kb
Concierna un unico origen de replicación, a partir de la cual progresan dos orquillas de replicación en direcciones opuestas.
... Replicacion en procariotes
•Intervienen las topoisomerasas :
Topoisomerasa I que produce una roturatransitoria a nivel de una de las dos hebras deDNA, a una pequeña distancia de la horquilla, loque permite el relajamiento de la molecula.
Toposisomerasa II provoca una roturatransitoria en los dos cadenas de DNA de una delas dos moléculas hijas, liberando asi lasmoleculas, de una del otro.
There are two types of plasmid integration into a host bacteria: Non-integrating plasmids replicate as with the top instance; whereas episomes, the lower example, integrate into the host chromosome.
Replicacion de genoma bacteriano
Replicacion de genoma mitocondrial
Modelo circulo rodante
Replicacion en Eucariotes
•Origen de replicación en :
levadura : 500 replicones
Plantas superiores: 35,000 replicones
Mamiferos: 100,000 replicones
•Longitud de los replicones: varia entre 40 a 300 kb
•Velocidad de replicación en eucariotes es más lento que en procariotes:
Sapo: 500 pb/mn
Drosophila: 2600 pb/mn
Levadura: 3600 pb/mn
1 L de cultivo = 4.1010 células 400 000 km de DNA sintetizado (distancia Tierra - Luna)
Levaduras 14 Mbp (1 cm) 3 kb/min 20 min 330 S duraría 80 horas con 1 ori
2.1013 km de DNA sintetizado ( 2 años luz ) durante el tiempo de vida ( 1016 divisiones celulares )
Humanos 3 Gbp (2 m) 3 kb/min 7 h >10 000 ? S duraría 1 año con 1 ori
GenomaVelocidad de
la horquillaFase S Origenes Comentario
E. coli 4.6 Mbp 30 kb/min 40 min 1 S mayor al doubling time
Velocidad de síntesis de DNA (múltiples orígenes)
Organismo
... Replicacion en Eucariotes
•Los fragmentos de okasaki (FO) son más chiquitos que en los procariotes, son aproximadamente de 100 a 200 bases
•La replicación de secuencias de DNA localizadas en los terminales de los cromosomas, trae mecanismos particulares.
Otros mecanismos de replicación
a.DNA de mitocondrias
La replicación en mitocondrias es diferente a lo de DNA circular bacteriana.
Al inicio una sola hebra de las dos hebras parentales, llamado la hebra “H” es utilizado como matriz para la sintesis de nuevo hebra. La hebra que no sirve de matriz, llamada la hebra “L”, forma una orquilla, conocido como orquilla de desplazamiento, orquilla “D”. La hebra “L” es igualmente desplazada.
... Mitocondrias
Hay dos origenes de replicación en el DNA mitocondrial de los mamiferos; uno sobre la hebra “H” y la otra sobre la hebra “L”.
Sin embargo ciertos DNA mitocondrial pueden tener varios orquillas de desplazamiento, lo que atestigua tantos números de origen de replicacion.
DNA de cloroplastos
El DNA de cloroplastos de plantas superiores, se describe el mismo mecanismo que para las mitocondrias, con la presencia de dos orquillas de desplazamiento.
Las mutaciones pueden ser el resultado de:
• Una incorporación incorrecta de bases durante la replicación
• Producto de cambios químicos espontáneos
• Exposición de agentes químicos y/o radiaciones
REPARACIÓN DEL ADN
Daño
DNA
Replicación
Cáncer
Envejecimiento
celular
Mutación
Replicación errónea
Daño persistente DNA
Inestabilidad genómicaReparación
DNA
DNA
ReparadoDefecto
DNA no reparado
Daño DNA Daño DNA
Estabilidad
Genética
Inestabilidad
Genética
CA
Enfermedades
hereditarias
Divergencia
Genética
Se estima que la frecuencia de errores durante la replicación
corresponde a una base cada 109 a 1010 nucleótidos incorporados.
Este frecuencia es mucho más baja que la predecida en base a la
complementaridad de las bases.
Esto se debe a las propiedades de la DNA polimerasa.
La fidelidad en la replicación es crucial para la reproducción celular.
Tipos (nomenclatura) de mutaciones
Mutaciones puntuales: afectan a una sola base
Sustituciones: transiciones Purina por purina o pirimidina por pirimidina
transversiones Purina por pirimidina o viceversa
Inserciones o delecciones de una letra
Inserciones o deleciones de mayor tamaño
En secuencias codificantes
silenciosa
No produce cambio de aminoácido
missense
Produce un cambio sinónimo
Produce un cambio significativo
Nonsense
Produce un codon de stop
Frameshift
Cambia la fase de lectura (Inserción o delección no múltiplo de 3)
Ocurren mutaciones en condiciones
naturales por:
Errores de las polimerasas (proofreading, slippage)
Reacciones espontáneas del DNA
(tautomería, despurinización (10000/ciclo), desaminación de C o
5-meC)
Exposición a mutágenos naturales, estrés oxidativo
Exposición a radiación
Inserciones de trasposones/virus
Traslocacíones/recombinación
Etc.La mayoría se reparan, por suerte.
Tipos de Daño
Deaminación de Bases
● Remoción del grupo amino (citosina-uracilo) (adenina- hipoxantina)
(guanina-xantina)
● Problema de mal apareamiento, transmisión de una mutación
● Agentes que causan deaminación
• Calor (37ºC)
• Hidroxilamina (in vitro, citosina)
• Bisulfito (citosina simple cadena)
• Ácido Nitroso (aditivos alimenticios; adenina y guanina)
Can basepair with Thymine
Can base pair with Cytosine
Most frequent deamination
AGENTE ACCION EFECTO
Analogos de bases 5’ bromouracilo
se incorpora como T :
a veces aparea con G
A-T G-C
G-C A-T 2’ aminopurina se incorpora como A :
a veces aparea con C A-T G-C
G-C A-T
Reaccion con DNA acido nitroso
deamina A, C
A-T G-C
G-C A-T hidroxilamina reacciona con C G-C A-T
Agentes alquilantes etilmetanosulfonato
inserta metilo en G, induce
error de apareamiento
G-C A-T
mostazas nitrogenadas, NTG
entrecruzamiento de hebras, regiones de escicion
mutaciones puntuales y deleciones
acridinas, bromuro de
etidio
colorantes intercalantes cambio del marco de lectura
Radiaciones
u.v
formacion de dimeros de pirimidinas
reparacion c /s error o delecion
radiaciones ionizantes formacion de radicales libres
con ruptura de DNA
reparacion c /s error o delecion
MUTÁGENOS QUÍMICOS
La mayoría causan modificaciones de bases
Sustancias reactivasÉsteres de alquilo, agentes alquilantes) Etilmetanosulfonato
Agentes desaminantes, Ácido nitroso
Reaccionan con las bases y producen derivados con apareamiento anormal
Radicales libres, hidroxilamina
Análogos de bases5-Bromouracilo
2-Aminopurina
Se incorporan al DNA y producen apareamiento anormal
Agentes intercalantesSe insertan entre las bases, producen inserciones o delecciones
Análogos de bases
5-Bromouracilo, se incorpora como T
Produce transiciones T > C
Análogos de bases
2-Aminopurina, se incorpora como A
Produce transiciones A > G
Reparación Pre-replicativa:Reparación por Foto reactivaciónReparación por Essicion
Reparación Post replicativa:Reparación por actividad de la desoxinucleotidiltransferasa terminalReparación Por Precombinación génicaRespuesta SOS.
REPARACION POR
RECOMBINACION