DNA polimerasa

Estructura y Replicación
de DNA
Curso
Propedéutico
Junio 2012
James Watson y Francis Crick
 
En Abril de 1953 James
Watson y Francis Crick
sacudieron al mundo
científico con un elegante
modelo helicoidal de
doble hélice para la
estructura del ácido
desoxirribonucleico, o el
DNA
Watson y a Crick admirando
su modelo del DNA
Experimento de Transformación de
Bacteria
 
La cepa S de Streptococcus pneumoniae causa neumonía; la cepa R
no es patógena, o sea, no causa infección
 
Griffith descubrió que si se mezclan células de la cepa S, pero ya
muertas con calor, y células de la cepa R el ratón muere y dentro del
ratón se encuentran células vivas de la cepa S
 
Griffith concluyó que moléculas de las células S muertas, transforman
genéticamente a las células R y a células S vivas
 
 
 
Estructura del Genoma
El genoma de la cepa S. pneumoniae D39 usada en el experimento de
Griffith tiene aproximadamente 2 millones de pares de bases y codifica
para aproximadamente1914 proteinas.
Lanie, J., Ng, W., Kazmierczak, K., Andrzejewski, T., Davidsen, T.,
Wayne, K., Tettelin, H., Glass, J., Winkler, M. "Genome sequence of
Avery's virulent serotype 2 strain D39 of Streptococcus pneumoniae and
comparison with that of unencapsulated laboratory strain R6". Journal of
Bacteriology. 2007. Volume 189. p. 38-51.
Célula bacterial
 
Los fagos T2
inyectan su material
genético a la célula
por medio de su
cola
Material Genético
(Experimento de Hershey-Chase)
 
Para probar que el material genético era el DNA, y no
las proteínas, se marcaron fagos con fósforo radioactivo
para marcar el DNA y azufre radioactivo para marcar las
proteínas.
 
Luego que se mezclaron los fagos con las bacterias el
material que se encontraba dentro de las bacterias era
el fósforo radioactivo, lo que indica que el material que
entra a la bacteria es el DNA y no las proteínas
Material Genético
(Experimento de Hershey-Chase)
Conceptos básicos del DNA
 
Los ácidos nucleicos son únicos en
su habilidad de dirigir su propia
replicación
 
El parecido que tiene la progenie a
sus padres tiene su base en la
replicación del DNA y su transmisión
de genes de generación en
generación
 
La información hereditaria esta
codificada en el lenguaje químico de
DNA y reproducido en todas las
células de nuestro cuerpo
 
El DNA programa el desarrollo de
nuestras características bioquímicas,
anatómicas, psicológicas, y de
comportamiento
Estructura de DNA
 
Se compone de unidades
llamadas nucleótidos
 
Estos están compuestos de:
 
Una azúcar (pentosa 5C):
Ribosa o desoxiribosa
 
Un base nitrogenada: purinas o
pirimidinas unidas al carbono 1
del azúcar
 
Un grupo fosfato unido al
carbono 5 del azúcar
Estructura de DNA
 
Las bases nitrogenadas de
la doble hélice del DNA
están pareadas
específicamente:
  Adenina
(A) con Timina (T)
  Guanina
(G) con Citosina
(C)
Conceptos básicos del DNA
 
Cada base tiene sitios
químicos donde pueden
formar puentes de
hidrógenos con su respectiva
pareja:
  Adenina
puede formar dos
puentes de hidrogeno con
timina solamente
  Guanina
forma tres puentes
de hidrogeno con citosina
solamente
Doble hélice del DNA
 
Las cintas azules en este
diagrama representan el
enlace del azúcar y el fosfato
de las dos hebras del DNA
 
Las dos hélices se atraen
mediante puentes de
hidrógeno entre las bases
nitrogenadas en el centro de
la doble hélice
Replicación y reparación del DNA
 
Las dos bandas de DNA son complementarias
 
Una brinda la información necesaria para reconstruir
su banda complementaria
Modelo semiconservativo
 
El modelo de Watson y Crick dice que al replicarse la
doble hélice del DNA, cada una de las dos bandas hijas
tendrán una banda parental y otra banda nueva
Experimento de Matthew Meselson y
Franklin Stahl
(Modelo semiconservativo)
Orígenes de replicación
 
La replicación de la
molécula de DNA
comienza en sitios
llamados orígenes de
replicación
 
Las proteínas que inician
la replicación reconocen
esa secuencia del origen
de replicación
 
Proteínas se pegan al
DNA formando la burbuja
de replicación
Orígenes de replicación
 
La replicación del
DNA prosigue en
ambas direcciones
hasta que la molécula
se copie
completamente
 
En ambos terminales
de la burbuja de
reaplicación esta el
tenedor de
replicación
Alargamiento de la banda de DNA
 
La DNA polimerasa es la
enzima que alarga el nuevo
DNA en el tenedor de
replicación
 
Los nucleótidos se alinean con
sus bases complementarias a
lo largo de la banda templada
de DNA, y se pegan una por
una al terminal de la banda de
DNA en proceso
 
Los nucleótidos que sirven de
sustrato de DNA polimerasa
son nucleósidos trifosfatos
Alargamiento de la banda de DNA
 
La única diferencia entre el ATP del metabolismo de
energía y el nucleósido trifosfato que suple adenina para
el DNA es el componente azúcar
 
Cada monómero se pega al terminal de la banda en
proceso del DNA perdiendo dos grupos fosfatos como una
molécula de pirofosfato (PPi)
 
La hidrólisis del pirofosfato hacia dos moléculas de fosfato
inorgánico (Pi) es la reacción exergónica que dirige la
reacción de polimerización
ATP
Arreglo antiparalelo de las bandas
de DNA
 
Las dos bandas del DNA son
antiparalelas, lo que significa
que una banda corre en
dirección opuesta de la otra
 
Un grupo OH - esta en el
terminal 3’
 
Un Grupo PO4 - esta en el
terminal 5’
Arreglo antiparalelo de las bandas
de DNA
 
 
La DNA polimerasa
adhiere nucleótidos solo
del terminal 3’ al terminal
5’
El alargamiento de la
nueva banda de DNA
solo puede ocurrir en
dirección 5’→ 3’
Banda continua o lider de DNA
(“leading DNA strand”)
 
Esta banda es
sintetizada
continuamente por la
DNA polimerasa en el
tenedor de replicación
Banda rezagada de DNA (“lagging
DNA strand”)
 
Es la nueva banda que sintetiza la
DNA polimerasa en dirección
opuesta al tenedor de replicación
 
Al abrirse la burbuja de replicación
se sintetizan fragmentos cortos de
DNA fuera del tenedor de
replicación
 
Los fragmentos de Okazaki son
segmentos cortos de DNA
adheridos a la banda regazada.
 
La ligasa de DNA es la enzima
que une los fragmentos de Okazaki
Síntesis de DNA con RNA
 
La DNA polimerasa solo
adhiere nucleótidos a una
cadena ya existente
apareada a la banda
templada
 
Ella solamente puede
añadir el terminal 3’ a una
hebra ya comenzada
 
El cebo o “primer” es un
segmento corto de RNA
que marca el comienzo de
la nueva cadena de DNA.
Síntesis de DNA con RNA
 
La primasa es una enzima que adhiere los
nucleótidos de RNA para hacer el cebo o “primer”
 
Mas tarde otra DNA polimerasa reemplaza los
nucleótidos de RNA del primer con nucleótidos
de DNA
 
Se requiere un solo primer para que la DNA
polimerasa sintetice la banda continua (“leading
strand”) de DNA
Otras proteínas envueltas en
replicación de DNA
 
Helicasa: enzima que
abre la doble hélice en el
tenedor de replicación
separando las dos
bandas
 
Proteína que se enlaza
a una sola hebra
(“single binding
protein”): luego de que
la helicasa separa las
bandas, esta proteína
mantiene estabilizadas
las bandas
Lectura de prueba (“Proofreading”) y
reparación durante la replicación del
DNA
 
La DNA polimerasa hace lectura de prueba o
“proofreading” en cada nucleótido
 
Si se encuentra algún nucleótido mal apareado, la DNA
polimerasa lo cambia por el correcto
 
Los nucleótidos que no estén apareados correctamente,
en ocasiones, no pasan por el proceso de “proofreading”
de la DNA polimerasa o se arregla luego de completarse
la replicación del DNA
Factores que pueden dañar el DNA
 
Los reactivos químicos, emisiones radiactivos,
rayos X y la luz UV pueden dañar el DNA
 
El DNA puede pasar por cambios espontáneos
bajo condiciones normales
 
Cada célula monitorea y repara constantemente
su material genético
Mecanismos de reparación
 
Nucleasa: enzima que corta
una porción alrededor de los
nucleótidos mal apareados.
 
Reparación de escisión
del nucleótido
(“nucleotide excision
repair”): los daños de luz
UV a la piel producen un
“dimer” de timina.
 
Daños al DNA → Nucleasa
→ DNA polimerasa → ligasa
Mecanismos para terminar la
replicación
 
La maquinaria de la
replicación no completa el
terminal 5’ de las bandas
nuevas de DNA
 
Como resultado se repiten
rondas de la replicación y
por consiguiente las
moléculas de DNA se van
haciendo mucho mas cortas
 
En células prokariotas no
sucede esto ya que su DNA
es circular
Telómeros
 
Son secuencias especiales
de nucleótidos al final del
DNA cromosomal eucariótico
 
Estos no contienen genes,
pero si secuencias cortas
repetidas de nucleótidos
(TTAGGG en humanos)
 
Protegen el genoma de
errores durante las rondas de
replicación
 
Previenen el envejecimiento
y muerte celular
Telómeros y telomerasas
Telomerasas
 
Los telomeros se van acortando
según van ocurriendo las
replicaciones DNA
 
Las telomeras son enzimas que
alargan los telómeros
 
Tienen una secuencia corta de RNA
unido a su proteína
 
La secuencia de RNA sirve como
molde (“template”) para extender el
telómero hasta el terminal 3’
 
No están activamente en las células
somáticas, pero si en células
embrionarias
 
Anormalmente están presentes en las
células cancerosas
Los punto anaranjados marcan los
telómeros en cromosomas de ratón
Replicación de DNA
Concepto Básico del Modelo de
Replicación
 
La molécula parental tiene
dos hebras
complementarias de DNA.
 
Cada base es apareada
con otra en específico.
 
T (timina) con A (adenina)
y G (guanina) con C
(citosina).
Concepto Básico del Modelo de
Replicación
 
El primer paso
durante la replicación
del DNA es la
separación de las dos
hebras
Concepto Básico del Modelo de
Replicación
 
Cada hebra parental
ahora sirve como
templado aunque
determina el orden de
nucleótidos a lo largo
de la nueva hebra
complementaria
Concepto Básico del Modelo de
Replicación
 
Los nucleótidos están
conectados para formar
los enlaces entre los
fosfatos y azúcares de la
nueva hebra
 
Cada molécula “hija” de
DNA consiste de una
hebra parental y una
hebra nueva
Resumen de la replicación de DNA
 
La helicasa desenrolla la doble hélice del DNA
 
Las proteínas que se enlazan a una sola hebra o “single
binding proteins” estabilizan la hebra parental desenrollada
del DNA
 
La hebra continua o “leading strand” es sintetizada en
dirección de 5’a 3’ por la DNA polimerasa
Resumen de la replicación de DNA
 
La hebra discontinua o “lagging strand” es sintetizada por la
primasa que coloca pequeñas secuencias de RNA que son
extendidos por la DNA polimerasa formando fragmentos de
Okazaki
 
Otra DNA polimerasa reemplaza los cebos o “primers” de RNA
por DNA
 
La DNA ligasa une los fragmentos de Okazaki