Dra. M. Carolina Ceriani

Los ácidos nucleicos están compuestos por una reducida variedad de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos.

Los nucleótidos están constituidos por:

1- un azúcar de 5 carbonos: la ribosa o desoxirribosa

2 - Una base nitrogenada, que puede ser una purina o pirimidina.

3- Un compuesto de fósforo, el ácido fosfórico.

COMPOSICION QUIMICA

Repasemos lo que es el ADN y el ARN

Siempre es un azúcar de 5 carbonos. Dependiendo del grupo que tenga en posición 2’ puede ser desoxirribosa o ribosa. Por lo tanto hay dos tipos de ácidos nucleicos según tengan una u otra azúcar:

Los ácidos ribonucleicos o ARN: que tienen como azúcar a la ribosa.

Los ácidos desoxirribonucleicos o ADN: tienen como azúcar a la desoxirribosa.

El AZUCAR

Son compuestos organicos ciclicos que tienen 2 o mas N. Se asocian al carbono en posición 1 del azúcar.Presentan uno o dos anillos de C y N, y puede actuar como una base aceptando iones de H.Las bases con un solo anillo son laspirimidinas y las que tienen dos anillos purinas.

BASE NITROGENADA

Nucleosido y Nucleotido

La unión del azúcar con una base constituye un nucleósido.

La unión entre el nucleósido y el ácido fosfórico, da lugar al nucleótido

Los 4 nucleotidos que componen elADN:

Deoxy –TTP(deoxythymidine Triphosphate)

Las cadenas de nucleótidos que lo forman se enrollanformando, una en torno a otra, una estructura especial que se conoce comodoble hélice ( α-hélice ). Soncadenas complementariascon dirección opuesta antiparalela.

Como es la relacion entre las bases?

citocina

timina

guanina

adenina

ESQUEMA DE UNA DOBLE HEBRA DE DNA

Las uniones entre las bases se dan siempre:

A=T

C Ξ G Son uniones relativamente débiles, de tipo puente de H

La molecula de ADN esta formada por dos hebras de nucleotidosantiparalelas que forman una doble helice, que se mantienen unidas por puentes de hidrogeno.

En cambio, las uniones entre el grupo fosfato de un nucleótido, y el OH del nucleótido siguiente, son de tipo COVALENTE, uniones fuertes, que se pueden romperúnicamente por métodos bioquímicos.

Veamos rapidamente el ciclo celular

Fase G1: Fase de crecimientocelular.

Fase G2: la celula ya duplicó su material genetico, y se prepara para la mitosis.

Fase M: fase de divisiónpropiamente dicha.

Fase S: fase de síntesis.

Duplicacion del ADN

Cuando hablamos de replicación del ADN, semencionan tres características:

Semiconservativa

Bidireccional

Discontinua o Asimetrica

Significa que como resultado de la Duplicacion, se obtienen dos moléculas de ADN-dos dobles hélices- ambas compuestas por una hebra parental, y una recientemente sintetizada.

La replicacion es Semiconservativa

Origenes de replicacion

Como la molecula de ADN es muy larga, existen multiples Origenes de replicacion para hacer la duplicacion mas rapida( si lo hiciera a partir de un extremo, tardaría 30 días!!!!)

Bidireccional

Por que? Si yo miro el resultado de la duplicación, me encuentro con dos hebras perfectamente formadas,y sin ningun “hueco”.

Pero, si analizo el proceso en forma más detallada, ypaso a paso, veré que la duplicación no es tan sencillacomo parece.

El problema surge a partir del modo de acción de la enzimaEncargada de agregar los nucleotidos a la cadena en crecimientoLa ADN polimerasa δ es la encargada de copiar la doble hebraa partir del ORI, en una de las cadenas.

Discontinua o Asimetrica

ESQUEMA DE LA DNA POLIMERASA

La ADN polimerasa δ solamente puede agregar nucleótidos a un cadena polinucleotidica que ya esta apareada con una cadena complementaria, o, mejor aún: necesita un extremo 3´libre para poder comenzar a polimerizar.No puede INICIAR la sintesis de una cadena “de novo”.

Quien le va a dar ese extremo 3´libre? Otra enzima que recibe el nombre de PRIMASA o ADN primasa. Sintetiza una pequena porcion de ARN que recibe el nombre de cebador o primer, de unos 10 nucleotidos de longitud.

¿ Como hace la ADN polimerasa para sintetizar las cadenas en ambos sentidos?

La DNA polimerasa solamente es capaz de agregar nucleótidos a partir de un extremo 3´libre, y haciendo crecer la cadena en sentido 5´-3´.

NUNCA lo hace en sentido opuesto.

5´ 3´ 5´ 3´

5´ 3´

¿Cómo se logra que ambas se cadenas se copien?En esa hebra “problema”, otra ADN polimerasa (la ADN polimerasa α), se adelanta un poco, y sintetiza un fragmento pequeño. A medida que la burbuja crece, este ciclo se repite nuevamente.

Estos fragmentos reciben el nombre de FRAGMENTOS DE OKAZAKI, en honor a su descubridor.

Sintesis de la cadena atrasada

Sintesis de la cadena adelantada

Crece la horquilla

de replicacion

Cadena de ADN recien sintetizada

Finalmente, esos cebadores de ARN son removidos o sacados Por una nucleasa reparadora, y el espacio que queda es Rellenado por una tercera ADN polimerasa especial, la ADN Polimerasa β

ENZIMA FUNCIÓN

ADN Pol αSíntesis Hélice retardada. Síntesis del cebador: 10 bases de

ADN y 25 de ARN.

ADN Pol δ Síntesis de la Hélice conductora.

ADN Pol βUnión de los fragmentos de Okazaki ( de aproximadamente

250 pb).

ADN Pol γ Síntesis ADN mitocondrial.

Polimerasas de mamiferos

3´

5´

3´

5´

5´

3´

Proteinas que ayudan a desestabilizar la doble helice

Topoisomerasas I y IIo Girasa y Topo II

Cual es la función de las topoisomerasas?

5´5´3´3´

Las dos hebras del ADN son complementarias y antiparalelas

Actualmente, los conocimientos acerca de la duplicación del ADN se han incrementado notablemente. Todo el

proceso se divide, para su estudio, en dos fases: fase de iniciación y fase de elongación

Para explicar el proceso , vamos a utilizar el siguiente esquema para representar al ADN.

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

©

FASE DE INICIACIÓN

Para que el proceso se lleve a cabo con la máxima celeridad, la duplicación comienza simultáneamente en muchos puntos de la doble cadena, puntos de iniciación (oriC) en los que abundan las secuencias GATC.

Los puntos de iniciación son reconocidos por proteínas específicas, entre las que caben citar a las helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, las girasas, las topoisomerasas, y las proteínas SSB (single Strand Binding-DNA) o proteínas estabilizadoras de las dos hebras de ADN cuando están separadas.

...ACGTGATCGGGCTA....ACCGATCACATCGG.....AGGCGATCTTACG...

...TGCACTAGCCCGAT....TGGCTAGTGTAGCC .... TCCGCTAGAATGC...

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 α, β y δ. 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, y actividad exonucleasa, por la cual se eliminan nucleótidos erróneos o mal apareados y fragmentos de ARN colocados provisionalmente, como se verá posteriormente.

Para entender el proceso, vamos a centrar la atención en una sóla horquilla de replicación, y para un mejor entendimiento se verá independientemente lo que sucede en cada hebra, sabiendo que el proceso transcurre casi simultáneamente en las dos hebras.

Se inicia con la enzima PRIMASA, que coloca en cada horquilla unas hebras cortas de ARN complementarias llamadas CEBADORES en el sentido 5´ a 3´. Posteriormente, la ADN polimerasa comienza la síntesis añadiendo nucleótidos en el extremo 3´

3´

5´

3´

5´

La hebra que vemos arriba crece de forma continua, mientras que la otra lo va a hacer de forma discontinua

CEBADOR

ADN COMPLEMENTARIO

PRIMASA

ADN polimerasa 3´

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

Vamos seguidamente a ver como a medida que la horquilla de replicación se va abriendo y se produce el avance en la síntesis de las nuevas hebras complementarias.

3´

5´

3´

5´

En la hebra que vemos arriba la ADN polimerasa sigue avanzando ininterrumpidamente, por ello se llama de crecimiento continuo

Hemos visto que las ADN polimerasas colocan desoxirribonucleótidos complementarios de la hebras moldes (3´a 5´) y que también sustituye los ribonucleótidos de las cadenas cortas de ARN (5´a 3´), pero no une los nucleotidos vecinos de la misma hebra.

ARN

Fragmento de OKAZAKI

Para que siga creciendo la otra hebra se ha de formar un nuevo cebador alejado del primero.

Seguidamente las ADN polimerasas continuan en esta hebra colocando desoxirribonucleótidos, llegando hasta sustituir al primer cebador. A esta hebra se le llama retardada o de crecimiento discontinuo.

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

Para que los nucleótidos de la hebra de crecimiento discontinuo tengan continuidad hace falta la acción de un enzima llamado LIGASA.

FASE DE ELONGACIÓN

Ligasa

5´3´

5´

3´

5´

3´

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

El proceso visto se repite en las dos horquillas de replicación de cada burbuja hasta que se llegan a encontrar las nuevas hebras que se han formado en horquillas vecinas y con sentido opuesto.

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

El avance en la hebra superior es continuo. En la inferior se forma otro nuevo cebador y un fragmento de ADN (OKAZAKI)

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

Ha desaparecido un cebador. Ahora queda que la ligasa una los desoxirribonucleótidos de la hebra de crecimiento discontinuo.

Ligasa

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

Ya hay continuidad en la hebra inferior.

Supongamos que sólo queda un fragmento de ADN por copiar.

©

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

5´3´

Aquí vemos que se ha colocado el último cebador en la cadena inferior y que la ADN polimerasa aún no ha terminado su trabajo sustituyendo al penúltimo cebador,

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

Ya ha sido sustituido el penúltimo cebador, pero falta unir los desoxirribonucleótidos mediante la ligasa.

5´3´

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

Finalmente, vemos total continuidad en las dos hebras, pero observamos que en las copias hijas hay fragmentos de ARN.

5´3´

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´ 5´

3´

5´3´

5´3´

En ésta imagen vemos, nuevamente, al resultado de la duplicación todavía con las cadenas cortas de ARN o cebadores que le hicieron falta a la ADN polimerasa para llevar a cabo el proceso.

Para concluir la duplicación, esos dos cebadores colocados en los extremos han de ser eliminados mediante la actividad exonucleasa de el enzima ADN polimerasa I.

FASE DE ELONGACIÓN

5´3´

5´

3´

5´3´

5´3´

Apreciamos como el resultado final son dos moléculas de ADN a las que le falta en una de sus hebras un pequeño fragmento final.

CONCLUSIÓN

La replicación es un proceso clave en el ciclo celular y necesario para que se lleve a cabo la división celular.

Las ADN polimerasas necesitan siempre un fragmento corto de ARN, cebador, con un extremo hidroxilo 3´ libre para añadir nucleótidos. Las ADN polimerasas siempre recorren la hebra molde en el sentido 3´- 5´.

Como es fácil de adivinar, con las sucesivas divisiones celulares se irán acortando progresivamente las copias de las nuevas hebras que se sinteticen. Estos déficits son los causantes de los acortamientos de los TELÓMEROS. La pérdida de los telómeros trae consecuencias fatales para las células.

Las hebras que se sintetizan en cada división celular siempre son ligeramente más cortas que las parentales, debido al hueco dejado por los ARN cebadores.

Los telómeros son estructuras nucleoproteicas especializadas que constituyen las extremidades de los cromosomas.

Son regiones de ADN no codificante, altamente repetitivas, cuya funcion principal es brindar estabilidad estructural a los cromosomas de las células eucariotas durante: la división celular. en el tiempo de vida de las estirpes celulares.

Telomeros

Telomerasas• la enzima que sintetiza el ADN telomérico

y, por tanto, controla la síntesis de los telómeros, jugaría un papel importante en el proceso de inmortalización de las células. Es una transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de un molde de ARN. Se trata de una ribonucleoproteína que contiene en su molécula la secuencia AAUCCC capaz de crear e insertar los fragmentos TTAGGG que se pierden en cada división.

Telomerasas

• Cuando la DNA polimerasa llega al extremo de la cadena de DNA, se encuentra con otro problema más, ya que no tiene molde para copiar.

¿ Como lo solucionan las células?

Daños en el ADN

La reparación del ADN es un proceso constante en la célula, esencial para La SUPERVIVENCIA.

Se producen unas 500.000 lesiones/molecula/dia.

Cuando la célula no puede mantener la tasa de reparación

SENESCENCIAAPOPTOSISCARCINOGENESIS

La tasa es de 500.000 lesiones/molecula: aun así algunos factores pueden hacer que esta tasa sea mayor.

ORIGEN DE LOS DAÑOS

ENDOGENO

ATAQUE POR RADICALES REACTIVOS DEL OXIGENO.

EXOGENO

• RADIACION UV• RADIACION X Y RADIACION GAMMA• HIDRÓLISIS O RUPTURAS TERMICAS• PRODUCTOS QUIMICOS MUTAGENICOS

SINTETIZADOS POR EL HOMBRE• TRATAMIENTO DE QUIMIOTERAPIA Y

RADIOTERAPIA

Tipos de daño

OXIDACION DE BASES

ALQUILACION DE BASES (normalmente metilacion)

HIDRÓLISIS DE BASES (depurinacion y depirimidizacion.)

ERRORES EN EL APAREAMIENTO DE BASES.

MUTACIONES

Los errores en la molécula de DNA completa son muy pocos,de hecho encontramos 1 cada 109 bases.Sin embargo, durante el proceso de duplicación la tasa de errores bastante mas alta, 1 / 100.000 (1x105) bases puede estar mal.

Como se logra esto?

Hay diversos mecanismos, veremos los mas importantes.

Mecanismo de reparacion general:

La lleva a cabo la misma ADN polδ, con su act. Exonucleasa 3´-5´)Lectura de prueba

Sistema por nucleasa reparadora, ADN polimerasa β y ADN ligasa

Sistema de escicion- reparación

Se desenrolla la doble helice, y las dos hebras simple cadena se exponen como molde

(helicasas, SSBP y topoisomerasas I y II)Sintesis de la cadena

adelantada:

• Iniciacion: Primasa• Elongacion: DNA

polimerasa• Reemplazo del

iniciador o primer de RNA por DNA: DNA polimerasa

Sintesis de la cadena atrasada

• Iniciacion del fragmento de Okazaki: primasa

• Elongacion del fragmento:

DNA polimerasa • Reemplazo del iniciador

o primer de RNA por DNA: DNA polimerasa.

• Union de los fragmentos: ligasa