Módulo III: Vías de la información genética 2019 Intro ...
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Dr. Claudio Martínez DebatVersión Original: Dra Mónica Marín
Sección Bioquímica
Módulo III:Vías de la información
genética2019Intro
Replicación
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Módulo III:Vías de la información genética
• Estudio Bioquímico de:• Replicación• Transcripción• Traducción• Procesamiento• Regulación
• Biología Molecular• Ingeniería Genética
Bibliografía:Mathews, Van Holde, Ahern, Bioquimica, 3er EdLehningerWatson, 5ta Ed (2005)
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Principales procesos:
Replicación
ADN
Transcripción Traducción
ARN Polipéptido
4 “letras” 4 “letras” 20 “letras”
Particularidad: necesidad de un moldeEspecificidad de la reacción: enzima + molde
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Replicación del ADN
Sencillo, conceptualmenteComplejo, el mecanismo
Modelo de Watson-Crick
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Mapa genético de E. Coli: genes que intervienen en el metabolismodel ADN
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Modelos de replicación
conservativo semi-conservativo
o dispersivo
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Experimento de Meselson-Stahl (1958)
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Algunas preguntas...
• ¿Cómo se separan las hebras y se rompen los puentes que estabilizan la doble hélice?
• ¿Cómo se reconoce el origen de la replicación?• ¿Cómo se regula la síntesis del ADN?
• ¿Cómo se coordina la replicación del ADN con la división celular?
• ¿Qué mecanismos aseguran la elevada fidelidad de la replicación? mayor a la estimada por Watson y Crick?
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Generalidades
• Semiconservativa
• Ordenada y secuencial
• Discontinua (fragmentos de Okazaki)
• Utiliza sustratos activados: dNTPs
• Es el proceso enzimático más exacto que se conoce
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Dirección de la replicación:
¿ unidireccional / bidireccional ?
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Unidireccional
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Replicación de ADN mitocondrial: unidireccional
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Replicación Bidireccional
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La reacción catalizada por la ADN polimerasa:reacción de elongación
Ataque nucleofílico sobre fosfato alfa del dNTP entrante
5’ 3’
Requiere un extremo 3’OH libre
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(dNMP) n + dNTP (dNMP) n+1 + PPi
∆G = - 3.5 kcal / mol
Hidrólisis del PPi por la pirofosfatasafavorece la síntesis
PPi 2 Pi
(dNMP) n + dNTP (dNMP) n+1 + 2Pi∆G = -7 kcal / mol
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Sitio activo de la ADN pol : 2 cationes (Mg++) participan en la reacción
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Replicación in vivo
•Etapas:
• Iniciación• Elongación• Terminación
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sobre el origen de replicación....
• ¿cómo es la señal en el ADN que marca el origen?
• ¿qué proteínas reconocen esa señal? • ¿cómo se regula el inicio de la síntesis de
ADN a partir del origen?
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¿Qué particularidad tiene el ADN en el sitio de inicio de la replicación?
3 secuencias repetidas,
directas, de 13 pb, ricas en AT
5 repetidos inversos, de 9 pb
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Modelo de la iniciación de la replicación en oriC, en E. coli
HUIHF
DnaA (ATP, sensa lípidos)DnaB (helicasa ATP dep.)
DnaCDnaG (primasa, ARN pol.)SSB (single strand binding
Prot., 4x 19 kDa.)
Proteínas que interactúan con el ADN en el sitio de inicio de la replicación ► •Iniciación
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Fragmentos de Okazaki
La síntesis es un proceso discontinuo
•Elongación
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Horquilla de replicación
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ADN polimerasa III de E. coli
D. R. Herendeen and T. J. Kelly, Cell (1996) 84:5-8.
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Estructura de la holoenzima ADN pol III de E. coli
(Abrazadera deslizante)
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Síntesis del ADN por la holoE ADNpol III
Una enzima sintetiza la hebra continua y dos sintetizan la hebra rezagada, en forma alternada
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Animación modelo del trombon. (del CD de Biología Molecular del Gen, Watson)
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ADNpol I:Reacción de corrimiento del corte, desplazamiento de la mella, o de “nick translation”
◄
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Reacción catalizada por la ADN ligasa
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Terminación
►
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Modelo de acción de las helicasas
G. Waksman from S. Korolev et al., Cell (1997) 90:635-647.
Helicasas: catalizan el desenrollamiento de la doble hélice, rompen los puentes de hidrógeno
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ADN superenrollado.
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Las topoisomerasas
• Descubiertas en los años 70• Enzimas que catalizan la interconversión de
topoisómeros• Eliminan el estrés torsional generado por el
avance de la replicación
El avance de la replicación a 100 000 pb / min genera problemas topológicos en el ADN
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Topoisomerasas de tipo I : cortan 1 sola hebra
La enzima se une covalentemente al extremo 5’ del corte formando un enlace fosfodiester con el OH- de la Tyr en el sitio activo.
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Topoisomerasas de tipo IIcatalizan el corte de las 2 hebras
ADN girasa, la mas importante en la replicación de E. coli, adelante y atrás de la horquilla. Es un tetrámero.
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Inhibidores específicos de topoisomerasas :son eficaces drogas antibacterianas
Ejemplos:
• El ácido nalidíxico- se une a la subunidad A
• Novobiocina : se une a la subunidad B
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Topoisomerasas participan en la terminación de la replicación de moléculas circulares.
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Fidelidad de la replicación (10-10)
Verificación del correcto apareamiento de bases se da a diferentes niveles:
• 1) durante la polimerización (10-5-10-6)• 2) prueba de lectura : exonucleasa 3’• 3) reparación de ADN nuevo, de bases mal
apareadas
Otros mecanismos reparan el ADN dañadoposteriormente (radiación uv, por ej.)
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•1) durante la polimerización
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2) prueba de lectura : exonucleasa 3’
►
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Replicación y ADN polimerasas en eucariotas
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Cantidad de ADN, pb/ cél. 3.9 106 109
Velocidad avance horquilla µm/min 30 3
Velocidad de replicación, nt/seg 850 60-90
Número de orígenes / célula 1 103-104
Tiempo 1 replicación genómica (hs) 0.67 8
Tiempo 1 división celular (hs) 0.33 24
E. coli | Cél humanas
Replicación en E. coli | Homo sapiens
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Un origen o varios orígenes de replicación ?ARS (secs. replicación autónoma, replicadores, levaduras)
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Inicio de la Replicación en Eucariotas
ORC: complejo de reconocimiento del origen, Proteínas vinculadas al ciclo celular
CDC6, CDT1(DnaC) complejo MCM (heterohexámero)(prots. Mantenimiento minicromosoma)Helicasa DnaB
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ADN polimerasas en células eucariotas
*~ primasa cebadores
* | ~ ADN pol IElongacion+ PCNA ~ sub β ADN pol III
Otras: RPA (prot. Repl. A) ~ SSB RFC (factor C de repl. ~ sub γ ADN pol III
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Métodos de análisis: basados en la síntesis enzimática de ADN in vitro
• Secuenciación del ADN• Amplificación por PCR
Requieren: - ADN molde, cadena simple - Cebador (primer) - Precursores (dNTPs) - Enzima: ADN polimerasa - solución tampón, Mg++
dNTPs + ddNTPs
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Desnaturalización del ADN(90-95ºC)
Hibridización de los cebadores(50-60 ºC)
Polimerización del ADN(37 ºC)
FragmentoKlenow de la
ADN polimerasa I de E.coli
Antaño:
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Amplificación de una secuencia específica por PCR
Reacción en Cadena de la Polimerasa
(USA, n. 1944, PN 1993)
Single Cycle
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Automatización del ciclado de las temperaturas de reacción
95
5572
1 min.
1 min.1 min.
30-35 ciclos
Tem
pera
tura
(ºC
)
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DiagnósticoBacteriasParásitosVirus a ADNTrazabilidad
HerenciaSNPDelecionesInserciones
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Análisis de un producto de PCR por electroforesis en gel de agarosa
Visualización: con Bromuro de etidio y luz UV (b/n)
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PCR
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Secuenciación enzimática del ADN
• Método de Sanger
• Se basa en la síntesis de ADN in vitroen donde la incorporación de los dNTPs compite con la incorporación de inhibidores ddNTPs (ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP).
. La secuencia de bases en el ADN se determina por el tamaño relativo de las cadenas sintetizadas, por electroforesis
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Secuenciación
Genómica
(Fred Sanger, n. 1918, PN 1958 y 1980)
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(Craig Venter, USA, n. 1946)
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68
Secuenciación en movimiento
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¿Cómo completar la replicación de genomas lineales?
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Replicación de los telómeros
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Los telómeros contienen una secuencia corta rica en Guanina repetida cientos de veces (por ej.emplo 5' TTGGGG 3' en el ciliado Tetrahymena). Además, los telómeros poseen extremos 3' monocatenarios que pueden autoaparearse y suministrar un extremo 3' para replicar los extremos.
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La Telomerasa añade secuencias (TTGGGG) a los extremos cromosómicos. La Telomerasa tiene una secuencia corta de ARN (por ej. AACCCC) que sirve de molde para sintetizar la secuencia repetida de los extremos (TTGGGG). Es una transcriptasa inversa, ya que tomando como molde ARN sintetiza ADN.
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Retrovirustranscriptasa reversa
Regulacion y control de la replicación del ADN
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AZT,
3'-Azido-2'3'-Dideoxitimidina
AZT 1ra droga aprobada en EEUU para el tratamiento del HIV. Este nucleósido se transforma en el correspondiente 5' trifosfato, el cual actúa como inhibidor de la transcriptasa reversa viral
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Otros inhibidores de la transcriptasa reversa.
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Dímeros de timidina
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Reparación del daño en el ADN por recombinación
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Bricolage: Recortar y pegar el ADN
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