5-Resumen - Mecanismos Genéticos Básicos I

Vista previa del material en texto

Mecanismos genéticos básicos: 
Parte I 
 
El genoma de cada individuo se encuentra contenido en las moléculas de ADN de sus 
cromosomas, en las cuales se encuentran las unidades de información denominadas genes. 
Los genes son porciones de ADN que dirigen la síntesis de las distintas especies de ARN en la 
célula. En cada división celular, la información genética de la célula madre pasa, sin 
modificaciones, a la célula hija, lo cual requiere de una replicación del ADN original. 
 
Replicación del ADN 
 
Cada una de las moléculas de ADN de la célula madre sirve de molde para la síntesis de una 
nueva hebra polinucleótida complementaria, permitiendo la formación de dos dobles 
hélices idénticas a la original, proceso conocido como replicación del ADN, el cual explica 
cómo se logra mantener invariable el patrimonio genético de cada organismo a lo largo de 
su vida. 
En el ADN que recibe la célula hija, una hebra es nueva y la otra 
procede de la célula progenitora, por lo cual se dice que la 
duplicación es semi-conservadora. 
Este proceso tiene lugar previo a la división mitótica, en un 
periodo del ciclo celular denominado fase S. 
Es un mecanismo similar tanto en eucariotas como en 
procariotas, pero cuenta de una mayor complejidad en los 
primeros. 
El paso inicial de la replicación es la separación de las cadenas, 
indispensable para que cada una actué como guía en el 
ensamble de una nueva hebra complementaria. 
La replicación comienza en un punto fijo, denominado sitio de origen, en el cual secuencias 
específicas de bases sirven de señales de reconocimiento para el complejo de enzimas y 
factores que inician la replicación (generalmente, este sitio de origen contiene secuencias 
ricas en pares A-T, al ser más fáciles de separar que las uniones G-C, debido a su menor 
número de enlaces pdh). 
Los cromosomas de procariotas tiene un solo sitio de origen, en cambio, las enormes 
moléculas lineales de los cromosomas de eucariotas empiezan a replicarse en múltiples 
sitios. La separación se inicia simultáneamente en todos los cromosomas y en muchos puntos 
de la molécula de ADN de cada uno de ellos, dando como resultado la formación en la doble 
hélice de “burbujas” en las zonas de replicación. 
En el núcleo de la célula humana pueden 
formarse miles de burbujas de 
replicación, dando como resultado que 
el desenrollamiento se complete con 
mayor rapidez que si se efectuara 
progresivamente de un extremo a otro 
de la doble hélice de cada cromosoma. 
El sitio en el cual las dos cadenas se 
separan es denominado horquilla de 
replicación, produciéndose dos 
horquillas en cada burbuja que avanzan 
en sentidos opuestos, alejándose del 
punto de origen. 
La bidireccionalidad del proceso trae como beneficio el hecho de que este se realice de 
manera mucho más rápida que en el caso de que fuera unidireccional, uniéndose las 
horquillas de replicación con sus burbujas vecinas hasta separar completamente a las hebras. 
 
Enzimas y factores del proceso de replicación 
 
En el lugar de origen de la replicación se une la enzima desenrollante helicasa, que cataliza 
la separación de las cadenas, precisando del aporte de energía por hidrolisis de ATP. 
A medida que las hebras de la doble hélice se separan, se unen a ellas proteínas fijadoras del 
ADN monocatenario, en las eucariotas esta proteína es denominada proteína A de 
replicación (RPA), la cual estabiliza las monohebras e impide su reasociación, sin perturbar 
el proceso de copia para la formación de una cadena complementaria. 
Tanto helicasa como proteínas de fijación se extienden a lo largo de la doble hélice dejando 
tras de sí las dos cadenas separadas, listas para la síntesis de nuevas hebras 
complementarias, la cual inicia simultáneamente en todos los sitios de desenrollamiento 
antes de que la doble hélice original termine de separarse totalmente. 
 
 
Las ADN polimerasas crean una cadena hija a partir de la inserción de nucleótidos en el 
extremo 3´ de la cadena, debido al antiparalelismo de la doble hélice, una de ellas se 
encuentra orientada en sentido 3´- 5´ y otra 
en sentido 5´- 3´, por lo que la ADN 
polimerasa no podría crear una hebra nueva 
a partir de esta última, ya que debería 
sintetizar en sentido 3´- 5´y nunca ADN 
polimerasa puede hacer esto. 
Es así que la síntesis de la cadena que utiliza 
como molde la hebra 5´-3´ se fabrica de 
forma discontinua. Las ADN polimerasas 
construyen pequeños tramos de ADN, 
llamados fragmentos de Okazaki, los cuales 
se ligan entre sí conforme se van formando. 
Es debido a este proceso que la cadena 
sintetizada en forma discontinua recibe el nombre de retrasada, y aquella sintetizada 
normalmente se le llama adelantada. Esta diferencia en la síntesis le adquiere a la replicación 
la característica de semidiscontinua. 
 
Replicación de la cadena adelantada 
 
Para iniciar la síntesis de la nueva hebra, la ADN polimerasa necesita, además de un molde 
en sentido 3´- 5´, un extremo 3´ donde colocar el primer dexosirribonucleótido. Este extremo 
será provisto por una pequeña pieza de ARN de unos 10 nucleótidos llamada cebador. 
La formación del cebador es catalizada por una ARN 
polimerasa especificada denominada ADN primasa, 
diferenciada de las ARN polimerasas porque crea un 
ARN corto que queda unido al ADN copiado. 
Una vez formado el cebador la síntesis del ADN se 
produce por la acción de la ADN polimerasa alfa y la 
provisión de desoxirribonucleótidos, presentes en el 
núcleo como desoxirribonucleósidos trifosfato 
(dATP, dTTP, dGTP y dCTP) y se agregan 
secuencialmente en el extremo 3´ de la cadena en 
crecimiento, siguiendo el orden marcado por la hebra molde. 
La energía requerida para la replicación es tomada de los propios desoxirribonucleósidos 
trifosfato, que liberan dos fosfatos al unirse entre sí. 
Cuando una horquilla de replicación alcanza la horquilla vecina, será la acción de la ADN 
ligasa la que unirá el extremo 3´de la primera con el extremo 5´ de la segunda. 
El cebador será posteriormente removido por una nucleasa reparadora y reemplazado por 
una pieza equivalente de ADN generada con la ayuda de la ADN polimerasa delta. 
Finalmente, esta pieza se conectará con el resto de la cadena continua con la ayuda de la 
ADN ligasa. 
 
Replicación de la cadena retrasada 
 
A diferencia de la cadena adelanta, la cadena discontinua requerirá que la ADN primasa 
genere múltiples cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. 
La enzima responsable de la síntesis de los fragmentos de Okazaki es la ADN polimerasa alfa. 
De manera similar a lo que sucede en la cadena continua, la ADN polimerasa alfa coloca el 
primer dexosirribonucleótido en el extremo 3´ del cebador, siguiendo la estructura marcada 
por el molde. 
De igual manera que en la cadena continua, una nucleasa reparadora será la que remueva 
a estos cebadores, los cuales serán reemplazados por fragmentos de ADN gracias a la ADN 
polimerasa delta, y posteriormente unidos a la cadena mediante la acción de la ADN ligasa. 
 
ADN polimerasa 
 
Encargada del proceso de síntesis a partir de la hebra molde, este puede indicarse mediante 
la siguiente ecuación: 
 
 
Las ADN polimerasas presentan a su vez una actividad exonucleasa 3´- 5´, la cual les permite 
el volver atrás y eliminar la última base insertada si esta no está correctamente apareada. 
Dentro de los procariotas E. coli se han distinguido tres tipos de polimerasas: 
o ADN polimerasa I: encargada de eliminar cebadores y rellenar el espacio que dejan 
o ADN polimerasa II: reparación de los quiebres producidos en el ADN 
o ADN polimerasa III: principal encargada de la prolongación del ADN 
 
Por otro lado, en eucariotas encontramos cinco tipos de ADN polimerasas, denominadas por 
letras griegas: alfa, beta, gamma, delta y épsilon. 
 
Primosoma 
 
Ambos ADN moldes, tanto el continuo como el discontinuo, se encuentran asociadosa 
múltiples unidades de una proteína llamada SSB, cuya función es mantener a estas cadenas 
rectas para evitar el reapareamiento de sus bases complementarias. 
La separación de las dos cadenas desde un punto produce superenrollamientos en otras 
regiones de la doble hélice. Es esta la razón por la cual actúan las topoisomerasas. Estas 
enzimas resuelven las torsiones efectuando cortes transitorios de la cadena en zonas 
hipertorsionadas, permitiéndoles una rotación libre y volviéndolas a unir, reestableciendo la 
continuidad de la doble hélice en estado relajado. 
Se conoce como primosoma al conjunto de todas las enzimas comprometidas en la 
duplicación del ADN, incluyendo las anteriormente mencionadas así como a helicasa, 
polimerasa, primasa y ligasa. 
 
Replicación de los telómeros 
 
Las regiones terminales de un cromosoma eucariótico reciben el nombre de telómeros. En 
cada división celular, con la eliminación del último cebador, se pierde un tramo de ADN 
telomérico, provocando su progresivo 
acortamiento, debido a que este no puede ser 
reemplazo ya que la ADN polimerasa no 
funciona sin primer, por lo que el cabo 3´ de 
cada cadena guía no podrá ser duplicado. 
Esto generaría una pérdida irreparable de 
información genética con cada división, pero 
esto se previene con la presencia de trozos de 
ADN que no contienen información en los 
extremos de los cromosomas. 
La inserción de segmentos adicionales al 
extremo 3´ del ADN telomérico preexistente 
es catalizada por telomerasas, enzimas que contienen en su estructura un trozo de ARN 
utilizado como molde para ensamblar las porciones con las cuales se elonga la cadena de 
Acción de ADN polimerasa y cebador 
ADN. Sobre esta cadena, una ADN polimerasa sintetizará la hebra complementaria para 
formar el ADN telomérico de la doble hélice. 
Las telomerasas se encuentran presentes en células con gran actividad mitótica, 
compensando el acortamiento producido por las múltiples divisiones. En células con escasa 
frecuencia de división no se encuentra actividad de telomerasa, los telómeros se acortan en 
cada división hasta agotar la reserva y morir. Células cancerosas con gran actividad 
telomerasa son inmortales, y continúan su reproducción indefinidamente porque los 
extremos del ADN son repuestos en cada división. 
Las telomerasas se diferencian de las ADN polimerasas en el hecho de que son capaces de 
extender una hebra a partir de un molde de ARN. 
 
Alteraciones en la secuencia de nucleótidos 
 
El proceso de replicación es increíblemente complejo y preciso, sin embargo, teniendo en 
cuenta el inmenso número de bases, es inevitable la aparición de algunos errores. 
Agentes químicos y físicos pueden alterar la estructura 
del ADN, como lo son, por ejemplo, la luz ultravioleta, 
radiaciones ionizantes (ej: rayos x) y ciertos virus. Sin 
embargo, las células cuentan con complejos mecanismos 
de reparación capaces de revertir o solucionar estos 
errores. 
Las alteraciones que se encuentran más frecuentemente 
en la cadena de ADN son la sustitución de un nucleótido 
por otro, la perdida de una o varios nucleótidos, los 
dímeros de timina, la desaminación, la despurinación, etc. 
Para cada tipo de alteración existe un mecanismo de 
reparación específico, el cual puede ser por excisión de 
base o excisión de nucleótidos. 
Si durante la replicación del ADN, la polimerasa inserta un 
nucleótido incorrectamente, percibe el error y detiene su 
actividad. El error es resuelto por la propia enzima 
mediante el ejercicio de una función denominada lectura 
de pruebas. Ante esto, la polimerasa retrocede, mediante 
su actividad exonucleasa, elimina el nucleótido y lo reemplaza por el correspondiente, 
continuando con la replicación. 
En caso de que esta lectura de pruebas falle, se pone en marcha un segundo sistema de 
reparación: el o los nucleótidos erróneos son removidos por una nucleasa reparadora, la 
misma que remueve los cebadores durante la síntesis de 
ADN. La reparación se completa cuando la polimerasa B 
sintetiza la pieza faltante y la ligasa la une al ADN cortado 
La aparición de uracilo en lugar de citosinas, por 
consecuencia de desaminaciones, en el ADN da lugar a una 
reparación que utiliza una ADN glicosidasa especifica. 
Esta reconoce y corta la conexión entre la base errónea y 
la desoxirribosa, dejando al nucleótido sin su base, 
originando un sitio AP. Esta desoxirribosa será removida 
por la AP endonucleasa y una fosfodiesterasa, que cortan 
los extremos y remueven el azúcar. Posteriormente la 
ADN polimerasa B y la ligasa terminan con la reparación. 
 
Dímeros de timina 
 
Las mutaciones causadas por agentes ambientales son 
generalmente reparadas por los mismos mecanismos 
encargados de la reparación de mutaciones espontaneas. 
Sin embargo, los dímeros de timina, producidos por luz UV, son removidos por enzimas 
especiales, que hidrolizan simultáneamente dos uniones fosfodiester, una a cada lado de la 
lesión. 
Realizan un corte de un segmento de 29 nucleótidos entre los cuales se encuentra el dímero, 
separándolo de la cadena normal por acción de helicasa, y dejando a la ADN polimerasa B y 
a la ligasa terminar el proceso. 
Si las alteraciones no son reparadas previas a la replicación pueden generar mutaciones e 
incluso la muerte celular. 
 
Mutaciones 
 
Las mutaciones causadas por errores en la replicación pueden ser clasificadas en génicas y 
aberraciones cromosómicas. 
Las mutaciones génicas son aquellas que involucran a uno o a unos pocos nucleótidos, en 
cambio, las aberraciones cromosómicas son de gran magnitud, afectando al cariotipo. 
Las mutaciones génicas generan un cambio en la información contenida en el gen, lo cual 
lleva a la producción de una proteína distinta a la esperada, o a la ausencia de su producción, 
pudiendo traducirse en malformaciones, alteraciones funcionales o trastornos metabólicos. 
Recombinación genética 
 
Durante la meiosis en las gametas, se produce recombinación del ADN de cromosomas 
homólogos, con intercambio de segmentos entre las dos dobles hélices. Esto resulta en una 
redistribución de los genes contenidos en los trozos intercambiados, contribuyendo a 
aumentar la variabilidad genética en organismos con reproducción sexuada. 
Existen diversos tipos de recombinación genética, la homóloga es aquella que ocurre durante 
la meiosis, y tiene lugar entre regiones de ADN cuyas secuencias son altamente similares pero 
no idénticas. 
También existe la recombinación no homóloga, que ocurre entre secuencias de ADN que no 
contiene secuencias homólogas entre sí; y la recombinación específica de sitio o de lugar, 
que tiene lugar por rotura y posterior unión de regiones de homología corta y especifica de 
dos ADN diferentes, o dentro de la misma molécula, caso que se encuentra presente en virus. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La recombinación general 
(también llamada recombinación homóloga) permite que grandes secciones de la doble 
hélice del ADN se muevan de un cromosoma a otro, y es responsable del entrecruzamiento 
de cromosomas que ocurre durante la meiosis en hongos, animales y plantas. La 
recombinación general es esencial para el mantenimiento de los cromosomas en todas las 
células y, por lo general, comienza con una rotura de doble cadena que se procesa para 
exponer un extremo de ADN de cadena sencilla. La sinapsis entre esta hebra simple y una 
región homóloga de doble hélice de ADN es catalizada por la proteína bacteriana RecA.y sus 
homólogos eucarióticos, y a menudo conduce a la formación de una estructura de cuatro 
hebras conocida como unión de Holliday . Según el patrón de los cortes de cadena realizados 
para resolver esta unión en dos hélices dobles separadas, los productos pueden ser una 
rotura de cadena doble reparada con precisión o dos cromosomas que se han cruzado. 
 
Debido a que la recombinación generalse basa en amplias interacciones de apareamiento 
de bases entre las hebras de las dos dobles hélices de ADN que se recombinan, solo ocurre 
entre moléculas de ADN homólogas. La conversión de genes, la transferencia no recíproca de 
información genética de un cromosoma a otro, resulta de los mecanismos de recombinación 
general, que involucran una cantidad limitada de síntesis de ADN asociada 
 
Recombinación Especifica 
Los genomas de casi todos los organismos contienen elementos genéticos móviles que 
pueden moverse de una posición en el genoma a otra mediante un proceso de 
recombinación de sitio específico conservativo o transposicional . En la mayoría de los casos, 
este movimiento es aleatorio y ocurre con una frecuencia muy baja. Los elementos genéticos 
móviles incluyen transposones, que se mueven solo dentro de una sola célula (y sus 
descendientes), y aquellos virus cuyos genomas pueden integrarse en el genoma de sus 
células huésped. 
 
Hay tres clases de transposones: los transposones solo de ADN, los retrotransposones de tipo 
retroviral y los retrotransposones no retrovirales. Todos menos el último tienen parientes 
cercanos entre los virus. Aunque los virus y los elementos transponibles pueden verse como 
parásitos, muchos de los nuevos arreglos de las secuencias de ADN que producen sus eventos 
de recombinación específicos del sitio han creado la variación genética crucial para la 
evolución de las células y los organismos.