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6. Replicación del ADN II: inicio, parada y control - Biología

6. Replicación del ADN II: inicio, parada y control - Biología


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La regulación se ejerce en gran medida al inicio de la replicación, y se cubrirán los métodos para encontrar los orígenes y las terminaciones de la replicación. Las proteínas implicadas en el control del inicio de la replicación en MI. coli y la levadura se discutirá. Se describirá una solución al problema de completar la síntesis de ADN lineales en eucariotas: la de producir telómeros. Algunos de los factores que controlan la tasa de inicio de la replicación se discutirán brevemente.

Referencias

  1. Jacob, F., Brenner, S. y Cuzin, F. (1963) Sobre la regulación de la replicación del ADN en bacterias. Simposio de Cold Spring Harbor sobre biología cuantitativa 28:329-348.
  2. Danna y Nathans, D. (1972) (Proc. Natl. Acad. Sci., EE. UU. 69:3097-3100.
  3. Brewer y Fangman (1987) Cell 51:463-471.
  4. Dutta A y Bell SP (1997) Iniciación de la replicación del ADN en células eucariotas. Annu Rev Cell Dev Biol 13 (): 293-332
  5. Cimbora, Daniel M. y Groudine, Mark (2001) El control de la replicación del ADN de los mamíferos: una breve historia del espacio y el tiempo. Celda 104: 643-646.
  6. Diffley, John F.X. (1995) Una vez y solo una vez: especificando y regulando los orígenes de la replicación del ADN en células eucariotas. Genes & Development 10: 2819-2830.

¿Qué es el & # 8220 dogma central & # 8221? El dogma central de la biología molecular es básicamente la idea que explica cómo se fabrican las proteínas, desde la transcripción del ADN hasta la traducción del ARNm. El dogma central incluye los siguientes procesos esenciales: Transcripción de ADN, replicación de ADN, traducción de ARNm, transcripción inversa y síntesis de proteínas.

Central Dogma incluye la transcripción de ADN Fuente: Wikimedia Commons Media

Molécula detiene la replicación del ADN en sus pistas

Cuando una célula en división duplica su material genético, una máquina molecular llamada pinza deslizante viaja a lo largo de la doble hélice del ADN, atando las proteínas que realizan la replicación. Investigadores del laboratorio de la Universidad Rockefeller y rsquos Michael O'Donnell, investigador del Instituto Médico Howard Hughes, han descubierto una pequeña molécula que detiene la abrazadera deslizante en seco.

El hallazgo permitirá a los científicos estudiar mejor las proteínas que duplican el ADN y, en última instancia, puede proporcionar una plataforma para desarrollar antibióticos mejorados.

El proceso es similar a abrir una cremallera: la abrazadera deslizante se abre paso a lo largo de la doble hélice del ADN mientras una red de proteínas trabajan juntas para desenrollar las dos hebras. Las proteínas conocidas como polimerasas luego agregan, en forma de línea de ensamblaje, bases de nucleótidos y mdash los bloques de construcción que componen el ADN y mdash para convertir las plantillas ahora monocatenarias en dos nuevas moléculas de ADN dúplex. Las bacterias tienen cinco ADN conocidos

polimerasas (los organismos superiores como los humanos tienen más), solo una de las cuales, la polimerasa III (pol III) es responsable de replicar el cromosoma, mientras que las otras parecen estar involucradas en la reparación del ADN.

Para comprender mejor las funciones de las otras polimerasas, O & rsquoDonnell y sus colegas de Rockefeller utilizaron una combinación de técnicas bioquímicas para identificar una molécula pequeña que inhibiría la unión de las polimerasas a la abrazadera deslizante beta. Con la ayuda de investigadores del Centro de Recursos de Detección de Alto Rendimiento de Rockefeller & rsquos, las coautoras Roxana E. Georgescu y Olga Yurieva, asociadas de investigación en el laboratorio de O & rsquoDonnell & rsquos, analizaron unos 30.000 compuestos utilizando una técnica llamada anisotropía de fluorescencia. Georgescu y Yurieva buscaron compuestos que interrumpieran la interacción de un péptido marcado con fluoróforo con el bolsillo de unión al péptido de la abrazadera deslizante. Debido a que el péptido es pequeño y la pinza es grande, la señal generada por el fluoróforo es muy diferente.

Georgescu y Yurieva identificaron un compuesto, llamado RU7, que inhibía diferencialmente las polimerasas II, III y IV. RU7 no inhibió la pol IV en absoluto, mientras que la pol III fue la más inhibida.

Luego, los investigadores utilizaron cristalografía de rayos X para comparar cómo RU7 y las polimerasas II, III y IV se unen a la pinza. Descubrieron que si bien las tres polimerasas y RU7 se unen al mismo sitio de unión de péptidos de la pinza, lo hacen de diferentes maneras. La polimerasa IV, por ejemplo, forma contactos adicionales con la pinza fuera del sitio de unión del péptido, lo que puede explicar su resistencia a la rotura por RU7.

"El papel de la polimerasa III en la replicación ha sido muy bien estudiado, pero los papeles de las otras polimerasas no se comprenden bien", dice O & rsquoDonnell. & ldquoRU7 puede ser una herramienta importante como sonda química para comprender mejor las funciones de las polimerasas II y IV en el crecimiento celular normal y en respuesta al daño del ADN. & rdquo

Debido a que RU7 detiene la replicación del ADN bacteriano al interrumpir la polimerasa III y mdash, pero no afecta la replicación del ADN en la levadura, que utiliza la misma maquinaria molecular que los humanos, la investigación de Mdash O & rsquoDonnell & rsquos sugiere que RU7 podría proporcionar un punto de partida para el diseño de antibióticos. Un ajuste adicional, por ejemplo, agregando átomos que permitan que el compuesto encaje en un segundo sitio de unión, podría incluso aumentar la potencia de RU7 & rsquos.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad Rockefeller. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.


Contenido

Codones estándar Editar

En el código genético estándar, hay tres codones de terminación diferentes:

Codón Código estándar
(Tabla de traducción 1)
Nombre
ADN ARN
ETIQUETA UAG PARAR = Ter (*) "ámbar"
TAA UAA PARAR = Ter (*) "ocre"
TGA UGA PARAR = Ter (*) "ópalo" (o "umber")

Códigos de parada alternativos Editar

Tabla de codones de parada alternativos y comparación con el código genético estándar
Codigo genetico Traducción
mesa
Codón Traducción
con este código
Traducción estándar
ADN ARN
Mitocondrial de vertebrados 2 AGA AGA PARAR = Ter (*) Arg (R)
AGG AGG PARAR = Ter (*) Arg (R)
Scenedesmus obliquus mitocondrial 22 TCA UCA PARAR = Ter (*) Ser (S)
Thraustochytrium mitocondrial 23 TTA UUA PARAR = Ter (*) Leu (L)
Propiedades bioquímicas de los aminoácidos No polar Polar Básico Ácido Terminación: codón de parada

Códigos de parada reasignados Editar

El código genético nuclear es flexible, como lo ilustran los códigos genéticos variantes que reasignan codones de parada estándar a los aminoácidos. [5]

Tabla de codones de terminación condicionales y comparación con el código genético estándar
Codigo genetico Traducción
mesa
Codón Condicional
traducción
Traducción estándar
ADN ARN
Cariorrelicto nuclear 27 TGA UGA Ter (*) o Trp (W) Ter (*)
Condilostoma nuclear 28 TAA UAA Ter (*) o Gln (Q) Ter (*)
ETIQUETA UAG Ter (*) o Gln (Q) Ter (*)
TGA UGA Ter (*) o Trp (W) Ter (*)
Blastocritidia nuclear 31 TAA UAA Ter (*) o Glu (MI) Ter (*)
ETIQUETA UAG Ter (*) o Glu (MI) Ter (*)

Traducción Editar

En 2007, el codón UGA se identificó como el codón que codifica la selenocisteína (Sec) y se encontró en 25 selenoproteínas ubicadas en el sitio activo de la proteína. La traducción de este codón está habilitada por la proximidad del elemento SECIS (Secuencia de Incorporación de SElenoCisteína). [6]

El codón UAG puede traducirse en pirrolisina (Pyl) de manera similar.

Distribución genómica Editar

La distribución de codones de parada dentro del genoma de un organismo no es aleatoria y puede correlacionarse con el contenido de GC. [7] [8] Por ejemplo, el E. coli El genoma K-12 contiene 2705 TAA (63%), 1257 TGA (29%) y 326 TAG (8%) codones de parada (contenido de GC 50,8%). [9] Además, los sustratos para los codones de terminación del factor de liberación 1 o el factor de liberación 2 están fuertemente correlacionados con la abundancia de codones de terminación. [8] Un estudio a gran escala de bacterias con una amplia gama de contenidos de GC muestra que, si bien la frecuencia de aparición de TAA está correlacionada negativamente con el contenido de GC y la frecuencia de aparición de TGA está correlacionada positivamente con el contenido de GC, el La frecuencia de aparición del codón de terminación TAG, que a menudo es el codón de terminación mínimamente utilizado en un genoma, no está influenciada por el contenido de GC. [10]

Reconocimiento Editar

El reconocimiento de codones de terminación en bacterias se ha asociado con el llamado "anticodón tripéptido", [11] un motivo de aminoácidos altamente conservado en RF1 (PxT) y RF2 (SPF). Aunque esto está respaldado por estudios estructurales, se demostró que la hipótesis del anticodón tripéptido es una simplificación excesiva. [12]

Históricamente, los codones de parada recibieron muchos nombres diferentes, ya que cada uno correspondía a una clase distinta de mutantes que se comportaban todos de manera similar. Estos mutantes se aislaron por primera vez dentro de los bacteriófagos (T4 y lambda), virus que infectan a las bacterias. Escherichia coli. Las mutaciones en los genes virales debilitaron su capacidad infecciosa, a veces creando virus que podían infectar y crecer solo dentro de ciertas variedades de E. coli.

Ámbar mutacionesUAG) Editar

Fueron el primer conjunto de mutaciones sin sentido que se descubrieron, aisladas por Richard H. Epstein y Charles Steinberg y nombradas en honor a su amigo y estudiante graduado de Caltech Harris Bernstein, cuyo apellido significa "ámbar" en alemán (cf. Bernstein). [13] [14]

Los virus con mutaciones de ámbar se caracterizan por su capacidad para infectar solo ciertas cepas de bacterias, conocidas como supresores de ámbar. Estas bacterias portan su propia mutación que permite una recuperación de la función en los virus mutantes. Por ejemplo, una mutación en el ARNt que reconoce el codón de parada ámbar permite que la traducción "lea a través" del codón y produzca una proteína de longitud completa, recuperando así la forma normal de la proteína y "suprimiendo" la mutación ámbar. [15] Por lo tanto, los mutantes ámbar son una clase completa de mutantes de virus que pueden crecer en bacterias que contienen mutaciones supresoras de ámbar. También se conocen supresores similares para los codones de parada ocres y ópalos.

Se han diseñado moléculas de ARNt que transportan aminoácidos no naturales para reconocer el codón de parada ámbar en el ARN bacteriano. Esta tecnología permite la incorporación de aminoácidos ortogonales (como p-azidofenilalanina) en ubicaciones específicas de la proteína diana.

Ocre mutacionesUAA) Editar

Fue la segunda mutación del codón de parada que se descubrió. Con reminiscencias del color amarillo-naranja-marrón habitual asociado con el ámbar, este segundo codón de parada recibió el nombre de "ocre", un pigmento mineral marrón rojizo anaranjado. [14]

Los virus mutantes ocre tenían una propiedad similar a los mutantes ámbar en el sentido de que recuperaron la capacidad infecciosa dentro de ciertas cepas supresoras de bacterias. El conjunto de supresores ocre era distinto de los supresores ámbar, por lo que se infirió que los mutantes ocre correspondían a un triplete de nucleótidos diferente. A través de una serie de experimentos de mutación comparando estos mutantes entre sí y con otros codones de aminoácidos conocidos, Sydney Brenner concluyó que las mutaciones ámbar y ocre correspondían a los tripletes de nucleótidos "UAG" y "UAA". [dieciséis]

Ópalo o ocre oscuro mutacionesUGA) Editar

El tercer y último codón de parada en el código genético estándar se descubrió poco después y corresponde al triplete de nucleótidos "UGA". [17]

Para seguir coincidiendo con el tema de los minerales coloreados, el tercer codón sin sentido llegó a conocerse como "ópalo", que es un tipo de sílice que muestra una variedad de colores. [14] Las mutaciones sin sentido que crearon este codón de parada prematuro se denominaron más tarde mutaciones ópalo o mutaciones sombrías.

Tonterías Editar

Las mutaciones sin sentido son cambios en la secuencia de ADN que introducen un codón de parada prematuro, lo que hace que cualquier proteína resultante se acorte de forma anormal. Esto a menudo causa una pérdida de función en la proteína, ya que las partes críticas de la cadena de aminoácidos ya no están ensambladas. Debido a esta terminología, los codones de terminación también se han denominado codones sin sentido.

Edición sin escalas

A mutación ininterrumpida es una mutación puntual que ocurre dentro de un codón de terminación. Las mutaciones continuas provocan la traducción continua de una cadena de ARNm en lo que debería ser una región no traducida. La mayoría de los polipéptidos resultantes de un gen con una mutación ininterrumpida no son funcionales debido a su longitud extrema.

Las mutaciones continuas se diferencian de las mutaciones sin sentido en que no crean un codón de terminación, sino que eliminan uno. Las mutaciones continuas también difieren de las mutaciones sin sentido, que son mutaciones puntuales en las que se cambia un solo nucleótido para provocar el reemplazo por un aminoácido diferente.

Paradas ocultas son codones directos que se leerían como codones de parada si tuvieran un desplazamiento de marco +1 o -1. Estos terminan prematuramente la traducción si el correspondiente cambio de marco (por ejemplo, debido a un deslizamiento de ARN ribosómico) ocurre antes de la parada oculta. Se plantea la hipótesis de que esto reduce el desperdicio de recursos en proteínas no funcionales y la producción de citotoxinas potenciales. Investigadores de la Universidad Estatal de Luisiana proponen el hipótesis de emboscada, para las que se seleccionan las paradas ocultas. Los codones que pueden formar paradas ocultas se utilizan en los genomas con más frecuencia en comparación con los codones sinónimos que, de otro modo, codificarían el mismo aminoácido. El ARNr inestable en un organismo se correlaciona con una mayor frecuencia de paradas ocultas. [22] Sin embargo, esta hipótesis no se pudo validar con un conjunto de datos más grande. [23]

Los codones de parada y las paradas ocultas se denominan colectivamente señales de parada. Investigadores de la Universidad de Memphis encontraron que las proporciones de las señales de parada en los tres marcos de lectura de un genoma (conocido como proporción de señales de parada de traducción o TSSR) de bacterias genéticamente relacionadas, a pesar de sus grandes diferencias en el contenido de genes, son muy parecidas . Este valor genómico-TSSR casi idéntico de bacterias genéticamente relacionadas puede sugerir que la expansión del genoma bacteriano está limitada por su sesgo único de señales de parada de esa especie bacteriana. [24]

Detener la supresión del codón o lectura traslacional ocurre cuando en la traducción un codón de terminación se interpreta como un codón de sentido, es decir, cuando un aminoácido (estándar) está "codificado" por el codón de terminación. Los ARNt mutados pueden ser la causa de la lectura, pero también ciertos motivos de nucleótidos cercanos al codón de terminación. La lectura traslacional es muy común en virus y bacterias, y también se ha encontrado como un principio regulador de genes en humanos, levaduras, bacterias y drosophila. [25] [26] Este tipo de lectura traslacional endógena constituye una variación del código genético, porque un codón de parada codifica un aminoácido. En el caso de la malato deshidrogenasa humana, el codón de terminación se lee con una frecuencia de aproximadamente el 4%. [27] El aminoácido insertado en el codón de terminación depende de la identidad del codón de terminación en sí: se han encontrado Gln, Tyr y Lys para los codones UAA y UAG, mientras que Cys, Trp y Arg para el codón UGA se han encontrado identificado por espectrometría de masas. [28]

En 2010, cuando Craig Venter dio a conocer la primera célula reproductora totalmente funcional controlada por ADN sintético, describió cómo su equipo usaba codones de parada frecuentes para crear marcas de agua en el ARN y el ADN para ayudar a confirmar que los resultados eran realmente sintéticos (y no contaminados o de otro tipo), utilizando para codificar los nombres de los autores y las direcciones de sitios web. [29]


Replicación del ADN (Edexcel Int. A-level Biology)

Profesor de ciencias de oficio, ¡también se me ha encontrado enseñando matemáticas y educación física! Sin embargo, por extraño que parezca, mi verdadero amor es diseñar recursos que puedan ser utilizados por otros profesores para maximizar la experiencia de los estudiantes. Pienso constantemente en nuevas formas de involucrar a un estudiante con un tema y trato de implementarlo en el diseño de las lecciones.

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Esta lección con todos los recursos describe el proceso de replicación del ADN e incluye detalles clave del papel de la ADN polimerasa. El PowerPoint detallado y los recursos que lo acompañan se han diseñado para cubrir el punto 2.10 (i) de la especificación de Biología de nivel A de Edexcel International y también incluye descripciones de las funciones de la ADN helicasa y la ADN ligasa y una introducción de este tipo de replicación como semi-conservadora. .

Como el enfoque principal de esta lección son las funciones de las enzimas, los estudiantes comprenderán cómo la helicasa de ADN rompe los enlaces de hidrógeno entre las bases de nucleótidos, la polimerasa de ADN forma las cadenas de nucleótidos en crecimiento y la ligasa de ADN se une a los fragmentos de ácido nucleico. La especificación menciona específicamente la ADN polimerasa y, en consonancia con esto, se toma un tiempo adicional para explicar detalles clave, como el ensamblaje de hebras en la dirección 5 'a 3' por esta enzima, de modo que la manera continua en la que el líder La hebra sintetizada se puede comparar con la hebra rezagada. Los estudiantes enfrentan el desafío constante de establecer vínculos con temas anteriores, como la estructura del ADN y las reacciones de hidrólisis, a través de una variedad de preguntas y respuestas del examen que se muestran para que se aborden rápidamente cualquier concepto erróneo. La tarea principal de la lección pide a los estudiantes que usen la información proporcionada en la lección para ordenar la secuencia de eventos en la replicación del ADN antes de discutir cómo la presencia de una hebra conservada y una hebra recién construida en cada nueva molécula de ADN muestra que es semi -conservador.

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Un paquete es un paquete de recursos agrupados para enseñar un tema en particular, o una serie de lecciones, en un solo lugar.

ADN, ARN, genética y herencia (Edexcel Int. A-level Biology)

Este paquete de lecciones contiene 16 lecciones que han sido diseñadas para cubrir los puntos de especificación de Biología de nivel A de Edexcel International que se enfocan en la estructura del ADN y el ARN, sus roles en la replicación y síntesis de proteínas, y la genética y la herencia. Los PowerPoints de las lecciones son muy detallados y, junto con las hojas de trabajo que los acompañan, se han planificado en detalle para contener una amplia gama de tareas interesantes que cubren el siguiente contenido de biología de nivel A que se encuentra en los temas 2, 3 y 6 del curso: 2.9 (i): Conocer la estructura básica de los mononucleótidos (desoxirribosa o ribosa unida a un fosfato y una base, incluyendo timina, uracilo, adenina, citosina o guanina) y las estructuras de ADN y ARN (polinucleótidos compuestos de mononucleótidos unidos por reacciones de condensación a formar enlaces fosfodiéster) 2.9 (ii): Saber cómo el apareamiento de bases complementarias y el enlace de hidrógeno entre dos hebras complementarias están involucrados en la formación de la doble hélice del ADN 2.10 (i): Comprender el proceso de replicación del ADN, incluido el papel de la ADN polimerasa 2.11: Comprender la naturaleza del código genético 2.12: Saber que un gen es una secuencia de bases en una molécula de ADN que codifica una secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica 2.13 (i): comprender el proceso de síntesis de proteínas (transcripción y traducción), incluida la función de la ARN polimerasa, la traducción, el ARN mensajero, el ARN de transferencia, los ribosomas y la función de los codones de inicio y parada 2.13 (ii): Comprender las funciones de la plantilla de ADN (antisentido ) hebra en la transcripción, codones en el ARN mensajero y anticodones en el ARN de transferencia 2.14 (i): Comprender cómo los errores en la replicación del ADN pueden dar lugar a mutaciones (sustitución, inserción y deleción de bases) 2.14 (ii): Saber que algunas mutaciones darán derivan en cáncer o trastornos genéticos, pero que muchas mutaciones no tendrán ningún efecto observable 2.15 (i): Conocer el significado de los términos: gen, alelo, genotipo, fenotipo, recesivo, dominante, codominancia, homocigoto y heterocigoto 2.15 (ii): Comprender los patrones de herencia, incluida la interpretación de los diagramas genealógicos genéticos, en el contexto de la herencia monohíbrida 2.15 (iii): Comprender el vínculo sexual en el cromosoma X, incluida la ceguera al color rojo-verde en humanos. s 2.16: Comprender cómo la expresión de una mutación genética en personas con fibrosis quística altera el funcionamiento de los sistemas de intercambio gaseoso, digestivo y reproductivo 2.17 (i): Comprender los usos del cribado genético, incluida la identificación de portadores, preimplantación genética diagnóstico (DGP) y pruebas prenatales, incluida la amniocentesis y el muestreo de vellosidades coriónicas 2.17 (ii): Comprender las implicaciones del cribado genético prenatal 3.9 (i): Saber que un locus es la ubicación de genes en un cromosoma 3.9 (ii): Comprender la enlace de genes en un cromosoma 3.18: Comprender cómo las células se especializan a través de la expresión genética diferencial, produciendo ARNm activo, lo que lleva a la síntesis de proteínas que, a su vez, controlan los procesos celulares o determinan la estructura celular en animales y plantas 3.19: Comprender cómo un gen puede dar lugar a más de una proteína a través de cambios postranscripcionales en el ARN mensajero (ARNm).3.20 (i): El fenotipo es una interacción entre el genotipo y el medio ambiente 3.21: Comprender cómo algunos fenotipos se ven afectados por múltiples alelos para el mismo gen en muchos loci (herencia poligénica), así como el medio ambiente y cómo esto puede dar lugar a fenotipos que mostrar variación continua 6.17: Sepa cómo se puede amplificar el ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

Edexcel Int. Tema 2 de biología de nivel A: Membranas, proteínas, ADN y expresión génica

Se han dedicado horas y horas de planificación a todas y cada una de las lecciones que se incluyen en este paquete para garantizar que los estudiantes estén comprometidos y motivados mientras se cubre el contenido detallado del tema 2 de la especificación de biología de nivel A de Edexcel International. Las membranas, las proteínas, el ADN y la expresión génica representan algunas de las estructuras, moléculas y procesos más importantes involucrados en este tema y una comprensión profunda de su papel en los organismos vivos es importante para el éxito de un estudiante. Los PowerPoints de las 20 lecciones y los recursos que los acompañan contienen una amplia gama de actividades que cubren los siguientes puntos de especificación del tema 2: * Conocer las propiedades de las superficies de intercambio de gases en organismos vivos * Comprender cómo se puede calcular la tasa de difusión usando la Ley de Difusión de Fick * Comprender cómo se adapta la estructura del pulmón de los mamíferos para el intercambio rápido de gases * La estructura y propiedades de las membranas celulares * El movimiento de las moléculas de agua libres por ósmosis * El movimiento a través de las membranas por transporte pasivo y activo * El papel de las proteínas transportadoras y de canal en la membrana transporte * La estructura básica de un aminoácido * La formación de polipéptidos y proteínas * La estructura de proteínas * El mecanismo de acción y especificidad de las enzimas * Las enzimas son catalizadores biológicos * Enzimas intracelulares y extracelulares * La estructura básica de los mononucleótidos * La estructura de ADN y ARN * El proceso de replicación del ADN * La naturaleza del código genético * Un gen e como una secuencia de bases en el ADN que codifica una secuencia de aminoácidos * El proceso de transcripción y traducción * Los errores en la replicación del ADN dan lugar a mutaciones * Las mutaciones dan lugar a trastornos pero muchas mutaciones no tienen ningún efecto observable * El significado de la clave términos genéticos * Comprender el patrón de herencia monohíbrido * Vinculación sexual en el cromosoma X * Comprender cómo la expresión de una mutación genética en personas con fibrosis quística altera el funcionamiento del intercambio gaseoso, los sistemas digestivo y reproductivo * Los usos e implicaciones del cribado genético y pruebas prenatales Debido a los detalles incluidos en todas estas lecciones, se estima que se necesitarán más de 2 meses de tiempo de enseñanza de nivel A asignado para completar la enseñanza del paquete Si desea probar la calidad de estas lecciones, luego descargue las lecciones de intercambio rápido de gases, ósmosis, ADN y ARN amp, código genético, términos genéticos y fibrosis quística, ya que se han cargado para f ree.


Traducción

Si la información en una secuencia de ARNm se decodifica para formar una proteína. En este proceso, un triplete de nucleótidos (un codón) en el ARN tiene la información de un solo aminoácido. La traducción ocurre en un gran complejo de ARN-proteína llamado ribosoma. Una molécula de ARN de transferencia intermedia (ARNt) se une covalentemente a un solo aminoácido mediante la enzima ARNt-acil sintetasa. Este ARNt cargado se une a través de una región anticodón complementaria al codón triplete en el ARNt. El complejo de ribosoma / tRNA desciende por el mRNA permitiendo que un nuevo complejo de tRNA "cargado" se una a un sitio adyacente. Los dos aminoácidos adyacentes forman un enlace peptídico en un proceso impulsado por la escisión de ATP. Este proceso se repite hasta que aparece un codón & quotstop & quot en la secuencia de ARNm. El código genético muestra la relación entre el codón triplete del ARNm y el aminoácido que le corresponde en la cadena de péptidos en crecimiento.

Figura: Interacciones de codón: Anticodón entre ARNm y ARNt

Figura: Diferencias del dogma central en eucariotas y procariotas

Como se mencionó en el Capítulo de proteínas (sección de aminoácidos), otros dos aminoácidos aparecen ocasionalmente en las proteínas (excluyendo los aminoácidos alterados por modificación postraduccional. Uno es la selenocisteína, que se encuentra en Arachea, eubacterias y animales. El otro es solo Recientemente se ha encontrado pirrolisina, que se encuentra en Arachea. Estos nuevos aminoácidos derivan de la modificación de Ser-tRNA y probablemente Lys-tRNA después de que el tRNA se cargue con el aminoácido normal, para producir selenocys-tRNA y pyrrolys-tRNA, respectivamente. -tRNA reconoce el codón de mRNA UAG, que suele ser un codón de parada, mientras que selenocys-tRNA reconoce UGA, también un condón de parada. Claramente, este complejo habitual de tRNA reconocería solo una pequeña fracción de los codones de parada en las secuencias de mRNA. ¿Qué determina ese reconocimiento? no esta claro.


Ciclo celular: introducción, fases y fases de control

En este artículo discutiremos sobre el ciclo celular: - 1. Introducción a la celda 2. Fases del ciclo celular 3. Actividades regulatorias 4. Enzimas que controlan 5. Modo de acción de la quinasa de fase M 6. La transición de G1 a la fase S y G2 a la fase M.

  1. Introducción a Cell
  2. Fases del ciclo celular
  3. Actividades reguladoras del ciclo celular
  4. Enzimas que controlan el ciclo celular
  5. Modo de acción de la quinasa de fase M
  6. La transición de la fase G1 a la fase S y de la fase G2 a la fase M

1. Introducción a Cell:

Todos los organismos vivos del mundo biológico comienzan su vida como una sola célula, es decir, cigoto unicelular, producto de la unión de gametos: un espermatozoide y un óvulo. Por supuesto, los organismos unicelulares viven toda su vida como una sola célula. Pero en un organismo multicelular y tímido, el cigoto unicelular sufre incontables divisiones y produce muchas células.

En última instancia, estas células construyen el organismo a un nivel de complejidad y organización celular. El proceso por el cual cualquier célula produce su propia réplica se conoce como división celular. Por lo tanto, simplemente por división celular, un cigoto permite que un organismo crezca. Durante este período de crecimiento, muchas células se someten a un curso de especialización que las compromete a realizar funciones específicas.

Algunas células funcionan en la división celular: o se dividen para producir gametos para la reproducción sexual o se dividen para producir nuevas células para el crecimiento o para reemplazar células viejas y dañadas. Por tanto, la división celular está en el centro de la vida misma. Ayuda a los organismos a crecer, reproducirse y reparar los tejidos dañados y desgastados, tres actividades fundamentales de la vida.

Las nuevas células se originan solo a partir de otras células vivas. En 1850, Virchow enunció que cada célula se origina a través de la división de células preexistentes. La célula que se divide se denomina célula madre, mientras que las células derivadas de la división de una célula madre se conocen como células hijas.

No hay ninguna razón para utilizar estos términos familiares. La célula madre transmite copias de su material hereditario en forma de ADN o cromosoma a sus células hijas, la siguiente generación celular de células.

Para que la información hereditaria se transmita de generación en generación, el ADN debe replicarse antes de que las células se dividan para que cada nueva célula hija reciba una copia completa de la instrucción hereditaria. Dado que el ADN es parte de una célula eucariota y el cromosoma # 8217s, los cromosomas y timmosomas también se duplican.

Después de la duplicación cromosómica, el resto de las actividades de división proceden de una manera que garantiza que cada célula hija reciba la misma porción de información genética, así como una proporción casi igual de citoplasma y orgánulos de la célula. Por lo tanto, para dividirse, una célula debe duplicar su masa y aumentar de forma y tamaño. Las células generalmente se dividen cuando alcanzan el tamaño máximo.

2. Fases del ciclo celular:

La mayoría de las células se dividen una o más veces durante su vida. Cuando lo hacen, pasan por una secuencia ordenada de eventos que forman colectivamente el ciclo celular. La duración del ciclo celular varía mucho de una célula a otra.

El ciclo celular más corto ocurre en el embrión temprano y puede durar tan solo 8 minutos. El ciclo celular de las células eucariotas en crecimiento dura de 90 minutos a más de 24 horas, y su duración varía considerablemente dentro de una población de células.

El ciclo celular de la célula eucariota se divide en dos partes fundamentales:

ii. Mitosis (incluida la citocinesis)

La interfase es el período de división no aparente, mientras que la mitosis es el período de división. En realidad, durante muchos años los biólogos celulares se preocuparon por el período de división en el que se podían observar los cambios visibles con el microscopio compuesto, mientras que durante la interfase no se observaron cambios visibles con el microscopio compuesto.

Incluso los cromosomas no eran visibles en la interfase porque el índice de refracción de la savia nuclear y el del cromosoma presente en estado re-condensado, hidratado y degradado se vuelven idénticos. Todo el núcleo parece inactivo. Entonces, la interfase se consideró erróneamente como etapa de reposo.

Durante la interfase del núcleo se producen varios cambios a nivel molecular que no son visibles microscópicamente. La interfase es un período de intensa actividad biosintética en el que la célula duplica su tamaño y duplica con precisión su complemento cromosómico. Entonces, esta fase también se conoce como fase metabólica y el núcleo se conoce como núcleo metabólico.

(i) Interfase:

El tiempo desde el final de una mitosis hasta el inicio de la siguiente mitosis se llama interfase. Es la fase entre el final de la última telofase y la profase posterior. Este es el período más largo de la división celular. La tinción de Feulgen del núcleo metabólico seguida de un ensayo cuantitativo citofotométrico sugirió en primer lugar que la duplicación del ADN tiene lugar durante la interfase.

Los estudios autoradiográficos con timina marcada demostraron que la duplicación del ADN, es decir, la replicación o síntesis del ADN, no tuvo lugar durante toda la interfase. Ocurre solo en una porción restringida de la interfase, la llamada fase S, es decir, período sintético. Este período está precedido y seguido por dos períodos de intervalo de interfase (G1 y G2) en el que no hay síntesis de ADN. Así, la interfase se puede subdividir en tres subfases sucesivas G1, S y G2 y normalmente comprende el 90% o más del ciclo celular total (Fig. 14.1).

El período entre el final de la telofase y justo antes de la fase de entrada S se llama G1 fase. El período de G1 suele ser mayor y está sujeto a una mayor variación. En general, la S y la G1 y los períodos mitóticos son relativamente constantes en las células del mismo organismo. Pero el G1 el período es el más variable en duración.

Puede constituir el 25-50% de la duración total de la interfase. En algunas celdas G1 puede ser muy corto o ausente. Dependiendo de la condición fisiológica de la célula, puede retener en G1 fase durante días, meses o años. Las células que han dejado de crecer también se detienen en un punto específico de G1 (por ejemplo, células hepáticas, linfocitos, etc.) y las células contienen la cantidad de ADN presente en G1 período.

Se puede inducir a las células detenidas a que se dividan de nuevo. Por ejemplo, las células del hígado normalmente no crecen ni se dividen, pero el daño hepático las induce rápidamente a dividirse. La síntesis celular intensiva toma & # 8217 lugar durante G1 fase. Se producen mitocondrias, cloroplastos, retículo endoplásmico, lisosomas, aparato de Golgi y tímido, vacuolas y vesículas.

En las células que se preparan para la división celular hay una síntesis marcada de ARNm, ARNt y proteínas durante G1 pero no hay síntesis de ADN (Fig. 14.2). Las enzimas y sustratos necesarios para la síntesis de ADN durante la fase S también se sintetizan durante esta fase.

Nucleolus produce rRNA y se sintetizan ribosomas. Esto es necesario para la entrada de las células en la mitosis, ya que la inhibición de su producción retrasa la entrada de la célula en la mitosis. En general, la tasa metabólica celular es muy alta en G1. Como resultado, se produce el crecimiento celular.

El compromiso con la replicación del cromosoma o del ADN en la fase S ocurre en G1 fase. Si se cumplen las condiciones para pasar el punto de compromiso, después de un retraso, una celda entrará en la fase S. Las condiciones significan el estado nutricional del medio, la masa de la célula, etc. El punto de compromiso se observa claramente en la célula de levadura donde se llama inicio. La característica comparable de la célula animal se llama punto de restricción.

Algunas células no se dividen en absoluto. A menudo se considera que estas células se han extraído indefinidamente del ciclo celular a otro estado, parecido a G1 pero distinto de él porque no pueden pasar a la fase S, es decir, las células se detienen a un estado de no ciclación.

Este estado no cíclico se denomina estado Go o estado de reposo y las células se denominan células en reposo. Algunas células, como las neuronas, han abandonado el ciclo celular de forma irreversible y no pueden volver a dividirse. Pero se puede estimular a ciertos tipos de células para que abandonen Go y vuelvan a entrar en un ciclo celular. Por ejemplo, las células del hígado normalmente no crecen ni se dividen, pero el daño hepático las induce rápidamente a dividirse.

La retirada indefinida del ciclo celular o su reactivación en el mismo se produce de forma eficaz en una parte temprana G1 fase. La ausencia de nutrientes o factores de crecimiento hace que las células entren en un estado de reposo. Las células de levadura privadas de nutrientes o las células de mamíferos privadas de factores de crecimiento se detienen temprano en G1 en la etapa G0.

GRAMO0 Las células suelen contener menos ribosomas y menos ARN que el correspondiente ciclo G1 células y sintetizan proteínas menos de la mitad de la G1índice. Cuando un G0 La célula es estimulada para crecer por el factor de crecimiento o proporcionando nutrientes, los cambios en la tasa de síntesis de proteínas generalmente van de la mano con el efecto sobre el ciclo cromosómico.

El acoplamiento entre la síntesis de proteínas y el ciclo cromosómico no siempre es rígido. Con una combinación adecuada de inhibidores de la síntesis de proteínas y factores de crecimiento, es posible deprimir la síntesis de proteínas en células cultivadas sin retrasar el progreso a través del ciclo celular o, a la inversa, estimular la síntesis de proteínas sin estimular la división celular.

La comparación del tamaño de una neurona de mamífero y un linfocito revela que ambos contienen la misma cantidad de ADN, pero una neurona crece progresivamente durante su desarrollo mientras permanece en estado Go. Durante este tiempo, la proporción de citoplasma a ADN aumenta enormemente. Por otro lado, el linfocito mantiene su tamaño celular constante y la proporción citoplasmática definida por medio de la división celular.

La fase S es la fase intermedia entre G1 y G2 etapas. Cuando G1 finaliza la fase, comienza la fase S. Es una fase de interfase altamente especializada y la palabra S significa síntesis. En realidad, la síntesis de ADN tiene lugar en esta fase. Antes de que una célula pueda dividirse, debe producir una nueva copia de sus cromosomas.

Para hacer una nueva copia del cromosoma, se necesita tanto la replicación de la molécula de ADN larga en cada cromosoma como el ensamblaje de un nuevo conjunto de proteínas cromosómicas en el ADN para formar cromatina o cromátida.

Al final, cada cromosoma se ha copiado en dos cromátidas completas que permanecen unidas en sus centrómeros hasta la fase M que sigue.

El período desde el final de la fase S hasta la mitosis se llama G2 fase. GRAMO2 La fase suele ser la parte más corta de la interfase. En esta fase se produce una síntesis celular tímida y tensa. Las mitocondrias y los cloroplastos se dividen. Aumentan las reservas de energía.

Comienza a formarse el huso mitótico. En la interfase hay dos puntos de control como G1/ S y G2/ M en el que la celda toma una decisión sobre si continuar o no con el siguiente paso. Dos puntos de control también se denominan puntos de control.

Esto brinda una oportunidad para que las células se aseguren:

una. ¿Todas las condiciones son favorables para la replicación del ADN o no?

B. Si la masa citoplasmática ha aumentado o no a un nivel adecuado para la división.

C. Si la replicación se ha completado y, por lo tanto, el ADN no está dañado.

Si los puntos de control no dieron ninguna señal verde, las celdas pueden detenerse en G1/ S o G2/METRO. Algunos ciclos embrionarios eluden algunos de estos controles en algunas etapas de la embriogénesis. Por tanto, el control del ciclo celular se puede acoplar según sea necesario al tiempo, la tasa de crecimiento, la masa y la finalización de la replicación.

3. Actividades reguladoras del ciclo celular:

La presencia de diferentes reguladores en diferentes etapas del ciclo celular puede determinarse mediante fusión celular en diferentes etapas del ciclo. La fusión celular produce una célula híbrida. Las células híbridas son heterocariones que contienen dos núcleos diferentes y tímidos en un citoplasma común. La fusión celular puede inducirse en presencia de agentes químicos o usando virus sendai inactivado.

Núcleos en interfase durante G1, S y G2 y la célula mitótica (fase M) se pueden fusionar mediante varias combinaciones:

(i) Cuando la celda de la fase S se fusiona con una celda en G1, revela que ambos núcleos del heterocarión replican el ADN. Esto sugirió que el citoplasma de la célula en fase S contiene un activador o regulador de la replicación del ADN.

El regulador identificado por esta fusión se llama activador de fase S (Fig. 14.3). Se desconoce la naturaleza del activador de la fase S. Podría ser un regulador cuya activación se decide cuando las células en G1 están listos para entrar en un ciclo de replicación.

(ii) Cuando una celda en fase S se fusiona con G2 célula, el núcleo de la fase S continúa replicándose pero el G2 los núcleos no se replican. Esto sugiere que el ADN que se ha replicado una vez se vuelve recalcitrante a los efectos del activador de la fase S.

Significa que el activador de la fase S no logra inducir la replicación del ADN del G2 célula donde la replicación del ADN ya se ha completado una vez. Pero en este experimento de fusión, el núcleo de la fase S entra en la fase M antes de lo que lo habría hecho en su citoplasma anterior, pero el G2 la célula no entra en la mitosis. Esto se puede explicar porque algunos reguladores en la célula de la fase S, posiblemente el activador de la fase S en sí mismo inhibe el inicio de la mitosis.

(iii) Cuando una célula en fase mitótica o fase M se fusiona con una célula en G1 o G2 etapa de interfase, provoca que el núcleo de la interfase entre en una pseudomitosis que se caracteriza por una condensación cromosómica prematura en los núcleos de interfase. Esto sugiere que está presente un inductor de la fase mitótica en las células en división. La existencia de inductor puede probarse por el hecho de que la fusión entre G1 y G2 las células no inducen replicación o mitosis en ninguno de los núcleos del heterocarion.

(iv) Cuando los núcleos de la fase S se fusionan con las células mitóticas, se encuentra un patrón más complejo en el que los cromosomas de la fase S tienen una apariencia fragmentada o una configuración pulverizada.

También se ha observado que el bloqueo de la replicación del ADN con inhibidores como la hidroxiurea evita que las células somáticas se procesen a través de la fase S en G2 y fase M. Por tanto, una característica común en el ciclo celular de todas las células eucariotas somáticas es que la finalización de la replicación del ADN es un requisito previo para la división celular.

4. Enzimas que controlan el ciclo celular:

Se ha observado a partir de los experimentos con huevos de rana que cuando un ovocito inmaduro detenido (equivalente a una célula somática G2) se inyecta con citoplasma extraído de huevos detenidos (equivalente a células somáticas de fase M), el ovocito comienza a dividirse.Este experimento sugiere que el extracto contiene un componente activo que induce al ovocito inmaduro a entrar en la fase M.

El componente activo del extracto se llama, por lo tanto, factor de promoción de la maduración (MPF) porque MPF hace que las células entren en la fase M. Ahora se entiende que MPF significa factor promotor de fase M. De hecho, se ve que el MPF tiene una actividad enzimática y tiene la capacidad de fosforilar la proteína diana, por lo que también se conoce como quinasa de fase M.

Consiste en dos subunidades de proteína, P 34 y P 45 (los números indican el peso molecular P 34 = 34,000 Dalton & # 8217s).

Las dos subunidades tienen una función diferente:

I. La secuencia de P 34 es una subunidad catalítica que fosforila los residuos de serina y treonina de la proteína diana.

ii. La otra subunidad, es decir, P 54 es una subunidad reguladora que tiene actividad quinasa con el sustrato apropiado. Esta subunidad también se denomina ciclina.

Las ciclinas se pueden clasificar en dos tipos generales, a saber, A y B. Aproximadamente el 30% de identidad general se encuentra entre A y B. En mamíferos y ranas, las ciclinas B se pueden dividir en los subtipos B1 y B2.

La subunidad P 34 se activa mediante modificación al comienzo de la fase M. La otra subunidad, es decir, P 45, o ciclina, se destruye gradualmente durante la mitosis. Su destrucción es responsable de inactivar la quinasa de fase M (P 34) y liberar las células hijas para que salgan de la mitosis.

La celda en G2 La fase no entra en la mitosis (fase M) hasta que ya menos que se active la quinasa de la fase M. Durante G2 las dos subunidades de fase, es decir, P 34 y ciclina, se unen entre sí para formar un dímero de P 34 -ciclina inactivo. A partir de entonces, P 34 sufre fosforilación en tres sitios mediante dos pasos. P 34 es una molécula de proteína de cadena larga que contiene varios aminoácidos.

En el primer paso, la treonina en la posición 14 (Thr 14) y la tirosina en la posición 15 (Tyr 15) de la cadena de aminoácidos de P 34 se fosforilan. En el segundo paso, se produce otra fosforilación en la treonina 167 (Thr 161) de P 34.

Después de la fosforilación, Thr 14 y Tyr 15 se desfosforilan y, al mismo tiempo, la ciclina se fosforila. La fosforilación y timidez y desfosforilación de P 34 y ciclina, respectivamente, son actividades principales que inducen a la célula a entrar en la mitosis (fase M). El fosfato en Thr 167 de P 34 es necesario para su actividad durante la fase M.

La ciclina fosforilada y timilada es destruida por proteólisis durante la mitosis. La destrucción de la subunidad de ciclina provoca la desfosforilación de P 34 y P 34 se vuelve inactivo. De hecho, este proceso es necesario para que la célula salga de la mitosis y la célula regrese a una interfase donde tiene lugar una síntesis adicional de ciclina para iniciar un nuevo ciclo celular. La figura 14.4 resume todo el proceso.

5. Modo de acción de la quinasa de fase M:

La quinasa de fase M actúa directa o indirectamente sobre los diversos sustratos potenciales y proporciona un medio para controlar el paso de la mitosis.

Se han propuesto dos modelos generales para explicar el modo de acción de la quinasa de fase M:

I. La quinasa de fase M fosforila las pro y timiteínas que, a su vez, actúan para regular otras funciones necesarias. Entonces esta es una acción indirecta.

ii. La quinasa de la fase M fosforila directamente los sustratos cruciales que se necesitan para regular la fase M.

La acción de la quinasa de fase M es siempre reversible. La quinasa de la fase M desencadena directa o indirectamente varias actividades que provocan el inicio de la fase M.

I. Condensación de cromatina

ii. Disolución de la lámina nuclear y ruptura de la envoltura nuclear (excepto la levadura donde la envoltura nuclear no se descompone).

iii. Reconstrucción de microtúbulos en spin & shydle.

iv. Reconstrucción de filamentos de actina para cyy shytokinesis.

La lista de acción potencial de la quinasa de fase M se da en la Tabla 14.1 .:

Una de las funciones más importantes de la quinasa de fase M es la fosforilación de la proteína H1 del nucleosoma, un componente proteico principal de la cromatina. Podría estar relacionado con la condensación cromosómica en la fase M. La integridad nuclear se pierde cuando la lam & shyina subyacente de la membrana nuclear se disocia. Como resultado, la envoltura nuclear se rompe y las láminas se fosforilan durante la mitosis.

Esta fosforilación tiene lugar debido a la acción directa de la quinasa de fase M.

El gen responsable de codificar la quinasa de fase M se ha identificado en células de levadura. En la levadura de fisión Schizosaccharomyces prombe, P 34 está codificado por el gen cdc 2 del ciclo de división celular en la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae, P 34 está codificado por el gen homólogo CDC 28. Pueden reconocerse subunidades homólogas en (probablemente) todas las células eucariotas.

El ciclo mitótico de la levadura de fisión, S pombe y levadura de panadería # 8217s (S cerevisiae) se muestra en la Fig. 14.5 .:

S pombe tiene un ciclo celular convencional. La célula crece y se alarga al doble de tamaño y luego se divide. El ciclo celular de S. cerevisiae es inusual. Las células proceden casi directamente de la fase S a la división. S cerevisiae brotes durante una celda en la que G2 está ausente o es muy breve y la fase M comprende la mayor parte.

La levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe son células en forma de bastón que crecen por elongación y se dividen colocando una pared celular en el medio del bastón. La levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae tiene forma redonda y crece al brotar. Los cogollos se agrandan continuamente y, en última instancia, se separan de la célula madre.

El análisis genético de ambas levaduras durante el ciclo celular puede estudiarse mediante el aislamiento de mutantes. Los primeros mutantes condicionales del ciclo celular procedían de una gran colección de mutantes sensibles a la temperatura (ts) que podían crecer a 23 ° C pero no a 36 ° C. Los mutantes sensibles a la temperatura significan que el producto génico puede funcionar a una temperatura, llamada temperatura permisiva, pero no a una temperatura restrictiva más alta.

A la temperatura elevada (36 ° C), el ciclo celular se detiene en un punto específico, pero el ciclo celular continúa a 23 ° C.El fenotipo mutante permite que la célula continúe creciendo mientras el ciclo se detiene causando una aberración obvia en S pombe, las células se vuelven muy alargadas y S. cerevisiae no brotan.

Se han aislado y caracterizado una serie de mutantes cdc sensibles a la temperatura. Estas mutaciones definen al menos treinta genes no revestidos que están implicados en la síntesis de ADN, la división nuclear o la formación de placas celulares.

Un punto crucial en el ciclo celular lo define el comportamiento de la célula de levadura. Una célula de levadura haploide (Schizosaccharomyces pombe) decide en un punto temprano en Gi si pasar por un ciclo mitótico o aparearse con otra célula haploide para formar un diploide que puede sufrir meiosis para generar esporas haploides (fig. 14.6).

El inicio es el punto en G1en el que las células se comprometen con el ciclo celular mitótico. Las células que han completado este punto están comprometidas con el ciclo mitótico en curso y no pueden someterse a una vía de desarrollo alternativa como el apareamiento y la meiosis.

En la levadura de fisión, se han identificado dos genes cdc 2 y cdc 10 cuyas funciones son necesarias para el inicio, estos dos mutantes tienen la capacidad de aparearse después de la detención a la temperatura restrictiva.

El gen cdc 2 también participa antes de la fase M del ciclo celular. Por tanto, el producto del gen cdc 2 parece tener un papel central en la regulación del ciclo celular. Los otros dos genes cdc 20 y cdc 22 tienen su función en G1 después del inicio, ya que estos mutantes no pueden conjugarse desde sus puntos de detención. Es probable que sean necesarios para el inicio de la replicación del ADN.

El control que regula el inicio de la mitocondria en la fase G2 tardía se ha investigado utilizando mutantes. Los mutantes pequeños inician la mitosis y la división celular a un tamaño celular reducido. La evidencia genética indica que el gen pequeñito 1 usualmente está presente en las células y evita que las células inicien la mitosis hasta que su tamaño sea el adecuado. Por otro lado, el producto del gen cdc 2 también puede actuar como inductor de mitosis (fig. 14.7).

El gen cdc 25 ha sido identificado y caracterizado por medios experimentales. El resultado sugiere que las funciones de los genes cdc 25 y wee 1 son antagónicas e independientes en su regulación del inicio de la mitosis. El producto de cdc 25 es necesario para la activación de cdc 2.

Otro gen que controla el ciclo celular es Sue 1. El producto del gen Sue 1 actúa como un componente regulador de cdc 2.

El gen cdc 13 es uno de los genes cdc necesarios para la progresión de la mitosis. En S pombe, la ciclina de la quinasa de fase M está codificada por cdc 13.

El gen nim 1 se identificó por su capacidad para suprimir una mutación cdc 25. Este gen codifica una proteína quinasa que fosforila e inactiva a wee 1.

El gen mik 1 codifica un homólogo de wee 1 que también regula la fosforilación de cdc 2.

El análisis del mutante cdc en la levadura en gemación muestra que el ciclo celular en la levadura de fusión consta de tres ciclos que se separan después del inicio y se unen antes de que las células de citocinesis puedan desviarse hacia la vía de apareamiento antes del punto de inicio.

Los ciclos celulares de S. cerevisiae son:

El ciclo cromosómico consta de eventos necesarios para duplicar y separar los cromo y shysomes. Las mutaciones en el ciclo cromosómico no detienen el ciclo citoplasmático. El ciclo citoplasmático consiste en la emergencia de la yema y la migración nuclear hacia la yema, el ciclo del centrosoma consiste en los eventos asociados con la duplicación y luego la separación del cuerpo del polo del huso.

La finalización de un ciclo celular completo requiere que funcionen los tres ciclos constituyentes. La división nuclear necesita tanto el ciclo del cromosoma como el del centrosoma, y ​​la citocinesis requiere el ciclo citoplasmático.

El punto crucial del ciclo celular es el punto de partida. La decisión sobre si se debe iniciar un ciclo de división se toma antes del inicio del punto.

Si la célula no decide pasar al ciclo divisional, la célula puede entrar en la vía del tipo de apareamiento mediante factores de apareamiento y cdc 36, cdc 39, fus 3 y far 1 que parecen bloquear el ciclo celular antes del inicio.

Si la celda tiene que mover el ciclo divisional, debe pasar por el punto de inicio. El gen crucial en el inicio de pasada es cdc 2 en S pombe. La mayoría de los mutantes en cdc 28 se bloquean al inicio. Por lo tanto, se requiere cdc 28 para entrar en la mitosis.

6. La transición de G1 a la fase S y G2 a la fase M:

Las células en crecimiento tienen dos puntos de transición importantes en su ciclo celular.

Los puntos de transición son los siguientes:

I. GRAMO1 a la fase S que regula el inicio de la replicación del ADN. La transición llamada inicio es eucariotas unicelulares y el punto de restricción en las células animales.

ii. GRAMO2 a la fase M: cuando el huso mitótico comienza a formarse o comienza la duplicación del centro organizador de los microtúbulos.

Se ha observado que tanto en la levadura de fisión como en la de panadería, la misma subunidad catalítica de la quinasa de fase M, es decir, se requiere P 34 para la fase G1/ S y G2/ M transiciones. También se ha observado que la misma subunidad catalítica utiliza diferentes socios reguladores en cada transición. Las subunidades reguladoras utilizadas en dos etapas del ciclo Eire a veces llamadas G1 ciclinas y G2 ciclinas, respectivamente.

Se utiliza un único socio regulador para P 34 en la mitosis (G2/ M transición) en S pombe, el producto del gen cdc 13. En el caso de S. cerevisiae, existen múltiples patrones. Estos están codificados por los genes CLB 1-4 que producen ciclina similar a B.

Los genes pueden sobrevivir solo con CLB 2. Los mutantes que carecen de los cuatro de este grupo de productos similares a las ciclina de los genes CLB pro & shyceed a través del inicio, brote y sintetizan el ADN, pero no logran ensamblar un huso, es decir, G2/ M transición.

Pero el bloqueo del ciclo celular en G1 no fue previamente detectado por mutación. La ausencia de tales mutantes se explicó más tarde por el descubrimiento de tres genes independientes: CLN1, CLN2 y CLN3. Todos estos genes deben inactivarse para bloquear el paso a través del inicio de S. cerevisiae.

Por lo tanto, la triple mutación de los genes CLN no puede transmitir G1. Pero la mutación en uno o incluso dos de estos genes no logra bloquear el G1 por tanto, los genes CLN son funcionalmente redundantes. Por lo tanto, la activación o inactivación de los tres genes CLN es el paso principal para controlar la G1/ S transición.

Cuando los tres genes CLN se inactivan, una célula abandona el ciclo celular y puede entrar en la vía del tipo de apareamiento. Cuando se activan los tres genes CLN, la célula entra en el ciclo celular y pasa G1& # 8211 Aunque los genes CLN y CLB se identifican como ciclina por sus funciones y por sus secuencias, las proteínas no parecen tener las características de proteólisis cíclica por las que se identificaron originalmente las ciclinas.

En el caso de S pombe, la misma subunidad catalítica, es decir, P 34 más socio regulador, el producto del gen PUC 1, codifica un G1 ciclina. La sobreexpresión de dicho gen provoca un retraso en G2 y es letal en CDC 13 mutante.

En el caso de eucariotas superiores, es plausible que la subunidad catalítica P 34 sea necesaria solo para G2/ M transición o mitosis. La subunidad P 34 probablemente está codificada por genes que son homólogos a los genes cdc 2 de levadura. Sin embargo, G1/ S transición en la célula eucariota superior no se requiere la misma subunidad catalítica P 34.

La subunidad catalítica que tiene el potencial para la transición de G1La fase / S es el producto de algunos genes llamados quinasas dependientes de ciclina (CDK).

Dos de los genes CDK, CDK 2 y CKD 4, codifican proteínas que forman combinaciones por pares con potencial G1 ciclinas. El primer gen y mejor caracterizado es CDK 2. Codifica una proteína que inicialmente se llamó P 33 que es diferente de la actividad de P 34.

El producto de los genes CDK es necesario para la replicación del ADN, pero no para la entrada en la mitosis. Durante la transición de G2/ Fase S, P 34 se asocia con varios socios alternativos de ciclina A, B similar a la ciclina1 y B2. Tres nuevos tipos de G1 Se han identificado ciclina.

Estas son las ciclinas C, D y E. Están relacionadas lejanamente entre sí y con otras ciclinas. La ciclina E puede unirse al producto CDK 2 constituyendo un dímero. Hay ciclinas de tipo 3D como D1D2 y D3. Forman dímeros con el producto de CDK.2 y / o CDK4.

La ciclina A también juega una subunidad reguladora con la subunidad catalítica durante G1/ S transición. Por tanto, la ciclina A podría estar implicada en ambas etapas de las transiciones. Las posibles subunidades catalíticas y sus subunidades reguladoras se resumen en la figura 14.9.

Además de la mutación, los inhibidores de la replicación y timidez del ADN pueden detener el ciclo celular directamente y el ADN no replicado puede constituir un impedimento para el paso a G2. Sobre la base de datos experimentales in vitro, sugiere que el ADN no replicado en concentraciones equivalentes al porcentaje del genoma puede inhibir el progreso de la fase S a la mitosis.

Se ha observado otra relación interesante entre el ADN y el ciclo celular. La célula de levadura de tipo salvaje no puede pasar de G2 en M si están dañados por la irradiación X o debido a la mutación del gen cdc 9 (responsable de la síntesis de la ADN ligasa). Las células de levadura contienen el gen RAD 9 que previene la división nuclear en células que contienen ADN dañado.


Anafase

Durante la anafase, la "fase ascendente", las proteínas cohesinas se degradan y las cromátidas hermanas se separan en el centrómero. Cada cromátida, ahora llamada cromosoma, es empujada rápidamente hacia el centrosoma al que está unido su microtúbulo. La célula se alarga visiblemente (forma ovalada) a medida que los microtúbulos polares se deslizan entre sí en la placa de metafase donde se superponen.

Figura 10 Anafase. Crédito de la foto Kelvin13 Wikimedia.


69 Replicación del ADN en procariotas

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explicar el proceso de replicación del ADN en procariotas.
  • Discutir el papel de diferentes enzimas y proteínas en el apoyo de este proceso.

La replicación del ADN se ha estudiado bien en procariotas principalmente debido al pequeño tamaño del genoma y debido a la gran variedad de mutantes disponibles. E. coli tiene 4,6 millones de pares de bases en un solo cromosoma circular y todo se replica en aproximadamente 42 minutos, comenzando desde un solo sitio a lo largo del cromosoma y avanzando alrededor del círculo en ambas direcciones. Esto significa que se agregan aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo. Por lo tanto, el proceso es bastante rápido y se produce sin muchos errores.

La replicación del ADN emplea una gran cantidad de proteínas y enzimas estructurales, cada una de las cuales desempeña un papel fundamental durante el proceso. Uno de los jugadores clave es la enzima. ADN polimerasa, también conocido como ADN pol, que agrega nucleótidos uno por uno a la cadena de ADN en crecimiento que es complementaria a la hebra molde. La adición de nucleótidos requiere energía, esta energía se obtiene de los nucleósidos trifosfatos ATP, GTP, TTP y CTP. Como ATP, el otro NTP (nucleósidos trifosfatos) son moléculas de alta energía que pueden servir como fuente de nucleótidos de ADN y como fuente de energía para impulsar la polimerización. Cuando el enlace entre los fosfatos se "rompe", la energía liberada se utiliza para formar el enlace fosfodiéster entre el nucleótido entrante y la cadena en crecimiento. En los procariotas, se conocen tres tipos principales de polimerasas: ADN pol I, ADN pol II y ADN pol III. Ahora se sabe que el ADN pol III es la enzima necesaria para la síntesis de ADN. El ADN pol I es una enzima accesoria importante en la replicación del ADN y, junto con el ADN pol II, se requiere principalmente para la reparación.

¿Cómo sabe la maquinaria de replicación por dónde empezar? Resulta que hay secuencias de nucleótidos específicas llamadas orígenes de la replicación donde comienza la replicación. En E. coli, que tiene un solo origen de replicación en su único cromosoma (al igual que la mayoría de los procariotas), este origen de replicación tiene aproximadamente 245 pares de bases de largo y es rico en secuencias AT. El origen de la replicación es reconocido por ciertas proteínas que se unen a este sitio. Una enzima llamada helicasa desenrolla el ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases nitrogenadas. Se requiere hidrólisis de ATP para este proceso. A medida que el ADN se abre, las estructuras en forma de Y llamadas horquillas de replicación están formados. Se forman dos horquillas de replicación en el origen de la replicación y estas se extienden bidireccionalmente a medida que avanza la replicación. Las proteínas de unión de una sola hebra recubren las hebras simples de ADN cerca de la bifurcación de replicación para evitar que el ADN de una sola hebra vuelva a formar una doble hélice.

La ADN polimerasa tiene dos restricciones importantes: es capaz de agregar nucleótidos solo en la dirección 5 & # 8242 a 3 & # 8242 (una nueva hebra de ADN solo puede extenderse en esta dirección). También requiere un grupo 3 & # 8242-OH libre al que puede añadir nucleótidos formando un enlace fosfodiéster entre el extremo 3 & # 8242-OH y el fosfato 5 & # 8242 del siguiente nucleótido. Esto esencialmente significa que no puede agregar nucleótidos si un grupo 3 & # 8242-OH libre no está disponible. Entonces, ¿cómo agrega el primer nucleótido? El problema se resuelve con la ayuda de una imprimación que proporciona el extremo libre 3 & # 8242-OH. Otra enzima, la ARN primasa, sintetiza un segmento de ARN de entre cinco y diez nucleótidos de longitud y complementario al ADN molde.Debido a que esta secuencia ceba la síntesis de ADN, se le llama apropiadamente cebador. La ADN polimerasa ahora puede extender este cebador de ARN, agregando nucleótidos uno por uno que son complementarios a la hebra molde ((Figura)).


Pregunta: Aísla una cepa celular en la que se altera la unión de los fragmentos de Okazaki y sospecha que se ha producido una mutación en una enzima que se encuentra en la bifurcación de replicación. ¿Qué enzima es más probable que sufra una mutación?

La horquilla de replicación se mueve a una velocidad de 1000 nucleótidos por segundo. La topoisomerasa evita el enrollamiento excesivo de la doble hélice del ADN por delante de la horquilla de replicación a medida que el ADN se abre; lo hace provocando cortes temporales en la hélice del ADN y luego volviéndola a sellar. Debido a que la ADN polimerasa solo puede extenderse en la dirección 5 & # 8242 a 3 & # 8242, y porque la doble hélice del ADN es antiparalelo, hay un pequeño problema en la bifurcación de replicación. Las dos hebras de ADN molde tienen orientaciones opuestas: una hebra está en la dirección 5 & # 8242 a 3 & # 8242 y la otra está orientada en la dirección 3 & # 8242 a 5 & # 8242. Sólo una nueva cadena de ADN, la que es complementaria a la cadena de ADN parental 3 & # 8242 a 5 & # 8242, puede sintetizarse continuamente hacia la horquilla de replicación. Esta hebra sintetizada continuamente se conoce como la hebra principal. La otra hebra, complementaria del ADN parental 5 & # 8242 a 3 & # 8242, se extiende lejos de la horquilla de replicación, en pequeños fragmentos conocidos como fragmentos de Okazaki, cada uno de los cuales requiere un cebador para iniciar la síntesis. Los nuevos segmentos de imprimación se colocan en la dirección de la horquilla de replicación, pero cada uno apunta en dirección opuesta. (Los fragmentos de Okazaki llevan el nombre del científico japonés que los descubrió por primera vez. La hebra con los fragmentos de Okazaki se conoce como hebra rezagada).

La cadena principal se puede extender a partir de un solo cebador, mientras que la cadena rezagada necesita un nuevo cebador para cada uno de los fragmentos cortos de Okazaki. La dirección general de la hebra retrasada será 3 & # 8242 a 5 & # 8242, y la de la hebra principal 5 & # 8242 a 3 & # 8242. Una proteína llamada pinza deslizante mantiene la ADN polimerasa en su lugar mientras continúa agregando nucleótidos. La pinza deslizante es una proteína en forma de anillo que se une al ADN y mantiene la polimerasa en su lugar. A medida que avanza la síntesis, los cebadores de ARN son reemplazados por ADN. Los cebadores se eliminan mediante la actividad exonucleasa del ADN pol I, que utiliza el ADN detrás del ARN como su propio cebador y llena los huecos que quedan al eliminar los nucleótidos del ARN mediante la adición de nucleótidos del ADN. Las mellas que quedan entre el ADN recién sintetizado (que reemplazó al cebador de ARN) y el ADN sintetizado previamente están sellados por la enzima ADN ligasa, que cataliza la formación de enlaces fosfodiéster entre el extremo 3 & # 8242-OH de un nucleótido y el 5 & # 8242-OH # 8242 extremo fosfato del otro fragmento.

Una vez que el cromosoma se ha replicado por completo, las dos copias de ADN se mueven a dos células diferentes durante la división celular.

El proceso de replicación del ADN se puede resumir de la siguiente manera:

  1. El ADN se desenrolla en el origen de la replicación.
  2. La helicasa abre las horquillas de replicación que forman el ADN que se extienden bidireccionalmente.
  3. Las proteínas de unión de una sola hebra recubren el ADN alrededor de la horquilla de replicación para evitar el rebobinado del ADN.
  4. La topoisomerasa se une en la región por delante de la horquilla de replicación para evitar el superenrollamiento.
  5. La primasa sintetiza cebadores de ARN complementarios a la hebra de ADN.
  6. La ADN polimerasa III comienza a agregar nucleótidos al extremo 3 & # 8242-OH del cebador.
  7. Continúa el alargamiento tanto de la hebra retrasada como de la delantera.
  8. Los cebadores de ARN se eliminan mediante la actividad exonucleasa.
  9. Los huecos se rellenan con ADN pol I añadiendo dNTP.
  10. La brecha entre los dos fragmentos de ADN está sellada por ADN ligasa, que ayuda en la formación de enlaces fosfodiéster.

(Figura) resume las enzimas involucradas en la replicación del ADN procariótico y las funciones de cada una.

Replicación del ADN procariótico: enzimas y su función
Enzima / proteína Función específica
ADN pol I Elimina el cebador de ARN y lo reemplaza con ADN recién sintetizado
ADN pol III Enzima principal que agrega nucleótidos en la dirección 5 & # 8242-3 & # 8242
Helicasa Abre la hélice de ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
Ligase Sella los espacios entre los fragmentos de Okazaki para crear una hebra continua de ADN
Primase Sintetiza los cebadores de ARN necesarios para iniciar la replicación.
Pinza deslizante Ayuda a mantener la ADN polimerasa en su lugar cuando se agregan nucleótidos
Topoisomerasa Ayuda a aliviar la tensión en el ADN cuando se desenrolla al causar roturas y luego volver a sellar el ADN.
Proteínas de unión de una sola hebra (SSB) Se une al ADN monocatenario para evitar que el ADN se rebobine.

Revise el proceso completo de replicación del ADN aquí.

Resumen de la sección

La replicación en procariotas comienza a partir de una secuencia que se encuentra en el cromosoma llamada origen de replicación, el punto en el que se abre el ADN. La helicasa abre la doble hélice del ADN, lo que da como resultado la formación de la horquilla de replicación. Las proteínas de unión de una sola hebra se unen al ADN de una sola hebra cerca de la horquilla de replicación para mantener la horquilla abierta. Primase sintetiza un cebador de ARN para iniciar la síntesis por la ADN polimerasa, que puede agregar nucleótidos solo al extremo 3 & # 8242 de una cadena de cebador sintetizada previamente. Ambas nuevas hebras de ADN crecen de acuerdo con sus respectivas direcciones 5 & # 8242-3 & # 8242. Una hebra se sintetiza continuamente en la dirección de la bifurcación de replicación, esto se denomina hebra principal. La otra hebra se sintetiza en una dirección alejada de la horquilla de replicación, en tramos cortos de ADN conocidos como fragmentos de Okazaki. Esta hebra se conoce como hebra rezagada. Una vez que se completa la replicación, los cebadores de ARN se reemplazan por nucleótidos de ADN y el ADN se sella con ADN ligasa, que crea enlaces fosfodiéster entre el 3 & # 8242-OH de un extremo y el 5 & # 8242 fosfato de la otra hebra.

Preguntas de conexión visual

(Figura) Aísla una cepa celular en la que la unión de los fragmentos de Okazaki está alterada y sospecha que se ha producido una mutación en una enzima que se encuentra en la bifurcación de replicación. ¿Qué enzima es más probable que sufra una mutación?

(Figura) ADN ligasa, ya que esta enzima une los fragmentos de Okazaki.

Preguntas de revisión

¿Cuál de los siguientes componentes no está involucrado durante la formación de la bifurcación de replicación?

  1. proteínas de unión de una sola hebra
  2. helicasa
  3. origen de replicación
  4. ligasa

¿Cuál de las siguientes sintetiza la enzima primasa?

¿En qué dirección tiene lugar la replicación del ADN?

Un científico muta al azar el ADN de una bacteria. Luego secuencia las células hijas de la bacteria y descubre que las hijas tienen muchos errores en su ADN replicado. ¿La bacteria madre probablemente adquirió una mutación en qué enzima?

Preguntas de pensamiento crítico

La replicación del ADN es bidireccional y discontinua, explique su comprensión de esos conceptos.

En un origen de replicación, se forman dos horquillas de replicación que se extienden en dos direcciones. En la hebra rezagada, los fragmentos de Okazaki se forman de manera discontinua.

¿Qué son los fragmentos de Okazaki y cómo se forman?

Se forman fragmentos cortos de ADN en la hebra rezagada sintetizada en una dirección alejada de la horquilla de replicación. Estos son sintetizados por ADN pol.

Si la tasa de replicación en un procariota en particular es de 900 nucleótidos por segundo, ¿cuánto tiempo tomarían 1.2 millones de genomas de pares de bases para hacer dos copias?

1333 segundos o 22,2 minutos.

Explique los eventos que tienen lugar en la bifurcación de replicación. Si el gen de la helicasa está mutado, ¿qué parte de la replicación se verá afectada?

En la bifurcación de replicación, los eventos que tienen lugar son la acción de la helicasa, la unión de proteínas de unión de una sola hebra, la síntesis de cebadores y la síntesis de nuevas hebras. Si hay un gen de helicasa mutado, la bifurcación de replicación no se extenderá.

¿Cuál es el papel de un cebador en la replicación del ADN? ¿Qué pasaría si olvidara agregar un cebador en un tubo que contiene la mezcla de reacción para una reacción de secuenciación de ADN?

El cebador proporciona un grupo 3 & # 8242-OH para que el ADN pol comience a agregar nucleótidos. No habría reacción en el tubo sin un cebador y no se verían bandas en la electroforesis.

Los antibióticos quinolónicos tratan las infecciones bacterianas al bloquear la actividad de la topoisomerasa. ¿Por qué funciona este tratamiento? Explique lo que ocurre a nivel molecular.

Las bacterias tratadas con quinolonas ya no podrán replicar su ADN. La topoisomerasa alivia el exceso de superenrollamiento de ADN que se produce antes de la horquilla de replicación cuando el ADN se desenrolla para la replicación. Si se inhibe la topoisomerasa, la helicasa de ADN solo podrá desenrollar el ADN durante un breve tramo antes de que el superenrollamiento se vuelva demasiado enrollado para que continúe la replicación.

Glosario


11.2 Replicación del ADN

La elucidación de la estructura de la doble hélice por James Watson y Francis Crick en 1953 proporcionó una pista sobre cómo se copia el ADN durante el proceso de replicación. La separación de las hebras de la doble hélice proporcionaría dos plantillas para la síntesis de nuevas hebras complementarias, pero aún no estaba claro exactamente cómo se construían las nuevas moléculas de ADN. En un modelo, la replicación semiconservativa, las dos hebras de la doble hélice se separan durante la replicación del ADN, y cada hebra sirve como plantilla a partir de la cual se copia la nueva hebra complementaria después de la replicación, cada ADN de doble hebra incluye una hebra parental o "antigua" y una hebra "nueva". También se sugirieron dos modelos en competencia: conservador y dispersivo, que se muestran en la Figura 11.4.

Matthew Meselson (1930–) y Franklin Stahl (1929–) idearon un experimento en 1958 para probar cuál de estos modelos representa correctamente la replicación del ADN (Figura 11.5). Crecieron E. coli durante varias generaciones en un medio que contiene un isótopo "pesado" de nitrógeno (15 N) que se incorporó a las bases nitrogenadas y, finalmente, al ADN. Esto etiquetó el ADN de los padres. los E. coli A continuación, el cultivo se cambió a un medio que contenía 14 N y se dejó crecer durante una generación. Se recogieron las células y se aisló el ADN. El ADN se separó por ultracentrifugación, durante la cual el ADN formó bandas de acuerdo con su densidad. Se esperaría que el ADN cultivado en 15 N formara una banda en una posición de densidad más alta que la que creció en 14 N. Meselson y Stahl observaron que después de una generación de crecimiento en 14 N, la única banda observada tenía una posición intermedia entre el ADN de células cultivadas exclusivamente en 15 N o 14 N. Esto sugirió un modo de replicación semiconservativo o dispersivo. Se permitió que algunas células crecieran durante una generación más en 14 N y se centrifugaron de nuevo. El ADN recolectado de células cultivadas durante dos generaciones en 14 N formó dos bandas: una banda de ADN estaba en la posición intermedia entre 15 N y 14 N, y la otra correspondía a la banda de ADN 14 N. Estos resultados solo podrían explicarse si el ADN se replica de manera semiconservadora. Por tanto, se descartaron los otros dos modelos. Como resultado de este experimento, ahora sabemos que durante la replicación del ADN, cada una de las dos hebras que forman la doble hélice sirve como plantilla a partir de la cual se copian las nuevas hebras. La nueva hebra será complementaria a la hebra parental o "antigua". Las moléculas de ADN resultantes tienen la misma secuencia y se dividen por igual en las dos células hijas.

Verifica tu entendimiento

  • ¿Cuál habría sido la conclusión del experimento de Meselson y Stahl si, después de la primera generación, hubieran encontrado dos bandas de ADN?

Replicación del ADN en bacterias

La replicación del ADN se ha estudiado bien en bacterias principalmente debido al pequeño tamaño del genoma y a los mutantes disponibles. E. coli tiene 4,6 millones de pares de bases (Mbp) en un solo cromosoma circular y todo se replica en aproximadamente 42 minutos, comenzando desde un solo origen de replicación y avanzando alrededor del círculo bidireccionalmente (es decir, en ambas direcciones). Esto significa que se agregan aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo. El proceso es bastante rápido y se produce con pocos errores.

La replicación del ADN utiliza una gran cantidad de proteínas y enzimas (cuadro 11.1). Uno de los actores clave es la enzima ADN polimerasa, también conocida como ADN pol. En las bacterias, se conocen tres tipos principales de ADN polimerasas: ADN pol I, ADN pol II y ADN pol III. Ahora se sabe que el ADN pol III es la enzima necesaria para la síntesis de ADN. El ADN pol I y el ADN pol II se requieren principalmente para la reparación. El ADN pol III agrega desoxirribonucleótidos, cada uno de ellos complementario a un nucleótido en la hebra molde, uno por uno al grupo 3'-OH de la cadena de ADN en crecimiento. La adición de estos nucleótidos requiere energía. Esta energía está presente en los enlaces de tres grupos fosfato unidos a cada nucleótido (un nucleótido trifosfato), similar a cómo se almacena la energía en los enlaces fosfato del trifosfato de adenosina (ATP) (Figura 11.6). Cuando se rompe el enlace entre los fosfatos y se libera el difosfato, la energía liberada permite la formación de un enlace fosfodiéster covalente mediante la síntesis de deshidratación entre el nucleótido entrante y el grupo 3'-OH libre en la cadena de ADN en crecimiento.

Iniciación

El inicio de la replicación ocurre en una secuencia de nucleótidos específica llamada origen de replicación, donde varias proteínas se unen para comenzar el proceso de replicación. E. coli tiene un solo origen de replicación (como la mayoría de los procariotas), llamado oriC, en su único cromosoma. El origen de replicación tiene una longitud de aproximadamente 245 pares de bases y es rico en secuencias de adenina-timina (AT).

Algunas de las proteínas que se unen al origen de la replicación son importantes para hacer que las regiones de ADN monocatenarias sean accesibles para la replicación. El ADN cromosómico generalmente se envuelve alrededor de histonas (en eucariotas y arqueas) o proteínas similares a las histonas (en bacterias), y está superenrollado o extensamente envuelto y retorcido sobre sí mismo. Este empaquetado hace que la información de la molécula de ADN sea inaccesible. Sin embargo, unas enzimas llamadas topoisomerasas cambian la forma y el superenrollamiento del cromosoma. Para que comience la replicación del ADN bacteriano, la topoisomerasa II, también llamada ADN girasa, relaja el cromosoma superenrollado. Una enzima llamada helicasa luego separa las cadenas de ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases nitrogenadas. Recuerde que las secuencias AT tienen menos enlaces de hidrógeno y, por lo tanto, tienen interacciones más débiles que las secuencias guanina-citosina (GC). Estas enzimas requieren hidrólisis de ATP. A medida que el ADN se abre, se forman estructuras en forma de Y llamadas horquillas de replicación. Se forman dos horquillas de replicación en el origen de la replicación, lo que permite la replicación bidireccional y la formación de una estructura que parece una burbuja cuando se ve con un microscopio electrónico de transmisión, como resultado, esta estructura se denomina burbuja de replicación. El ADN cerca de cada horquilla de replicación está recubierto con proteínas de unión monocatenarias para evitar que el ADN monocatenario se rebobine en una doble hélice.

Una vez que se puede acceder al ADN monocatenario en el origen de la replicación, puede comenzar la replicación del ADN. Sin embargo, el ADN pol III puede agregar nucleótidos solo en la dirección 5 'a 3' (una nueva cadena de ADN solo puede extenderse en esta dirección). Esto se debe a que la ADN polimerasa requiere un grupo 3'-OH libre al que puede agregar nucleótidos formando un enlace fosfodiéster covalente entre el extremo 3'-OH y el fosfato 5 'del siguiente nucleótido. Esto también significa que no puede agregar nucleótidos si no hay disponible un grupo 3'-OH libre, que es el caso de una sola hebra de ADN. El problema se resuelve con la ayuda de una secuencia de ARN que proporciona el extremo libre 3'-OH. Debido a que esta secuencia permite el inicio de la síntesis de ADN, se le llama apropiadamente cebador. El cebador tiene una longitud de cinco a 10 nucleótidos y es complementario al ADN original o molde. Es sintetizado por la ARN primasa, que es una ARN polimerasa. A diferencia de las ADN polimerasas, las ARN polimerasas no necesitan un grupo 3'-OH libre para sintetizar una molécula de ARN. Ahora que el cebador proporciona el grupo 3'-OH libre, la ADN polimerasa III ahora puede extender este cebador de ARN, agregando nucleótidos de ADN uno por uno que son complementarios a la hebra molde (Figura 11.4).

Alargamiento

Durante el alargamiento en la replicación del ADN, la adición de nucleótidos ocurre a su velocidad máxima de aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo. La ADN polimerasa III solo puede extenderse en la dirección de 5 'a 3', lo que plantea un problema en la bifurcación de replicación. La doble hélice de ADN es antiparalela, es decir, una hebra está orientada en la dirección de 5 'a 3' y la otra está orientada en la dirección de 3 'a 5' (ver Estructura y función del ADN). Durante la replicación, una hebra, que es complementaria a la hebra de ADN parental de 3 'a 5', se sintetiza continuamente hacia la horquilla de replicación porque la polimerasa puede agregar nucleótidos en esta dirección. Esta hebra sintetizada continuamente se conoce como la hebra principal. La otra hebra, complementaria al ADN parental 5 'a 3', crece lejos de la horquilla de replicación, por lo que la polimerasa debe retroceder hacia la horquilla de replicación para comenzar a agregar bases a un nuevo cebador, nuevamente en la dirección que se aleja de la horquilla de replicación. . Lo hace hasta que choca con la hebra sintetizada previamente y luego se mueve hacia atrás nuevamente (Figura 11.7). Estos pasos producen pequeños fragmentos de secuencia de ADN conocidos como fragmentos de Okazaki, cada uno separado por un cebador de ARN. Los fragmentos de Okazaki llevan el nombre del equipo de investigación japonés y la pareja casada Reiji y Tsuneko Okazaki, quienes los descubrieron por primera vez en 1966. La hebra con los fragmentos de Okazaki se conoce como hebra rezagada y se dice que su síntesis es discontinua.

La cadena principal se puede extender a partir de un cebador solo, mientras que la cadena rezagada necesita un nuevo cebador para cada uno de los fragmentos cortos de Okazaki. La dirección general de la hebra rezagada será de 3 'a 5', y la de la hebra principal de 5 'a 3'. Una proteína llamada pinza deslizante mantiene la ADN polimerasa en su lugar mientras continúa agregando nucleótidos. La pinza deslizante es una proteína en forma de anillo que se une al ADN y mantiene la polimerasa en su lugar. Más allá de su papel en la iniciación, la topoisomerasa también previene el sobreenrollamiento de la doble hélice del ADN delante de la bifurcación de replicación cuando el ADN se abre, lo hace causando mellas temporales en la hélice del ADN y luego volviéndola a sellar. A medida que avanza la síntesis, los cebadores de ARN son reemplazados por ADN. Los cebadores se eliminan por la actividad exonucleasa de la ADN polimerasa I, y los espacios se rellenan. Las muescas que quedan entre el ADN recién sintetizado (que reemplazó al cebador de ARN) y el ADN sintetizado previamente están sellados por la enzima ADN ligasa que cataliza la formación de un enlace fosfodiéster covalente entre el extremo 3'-OH de un fragmento de ADN y el extremo 5 'fosfato del otro fragmento, estabilizando el esqueleto de azúcar-fosfato de la molécula de ADN.

Terminación

Una vez que se ha replicado el cromosoma completo, debe ocurrir la terminación de la replicación del ADN.Aunque se sabe mucho sobre el inicio de la replicación, se sabe menos sobre el proceso de terminación. Después de la replicación, los genomas circulares completos resultantes de procariotas se concatenan, lo que significa que los cromosomas circulares de ADN están entrelazados y deben separarse entre sí. Esto se logra mediante la actividad de la topoisomerasa IV bacteriana, que introduce roturas de doble hebra en las moléculas de ADN, lo que les permite separarse entre sí y luego vuelve a sellar los cromosomas circulares. La resolución de los concatémeros es un problema exclusivo de la replicación del ADN procariótico debido a sus cromosomas circulares. Debido a que tanto la ADN girasa bacteriana como la topoisomerasa IV son distintas de sus contrapartes eucariotas, estas enzimas sirven como dianas para una clase de fármacos antimicrobianos llamados quinolonas.

La maquinaria molecular involucrada en la replicación del ADN bacteriano
Enzima o factor Función
ADN pol I La actividad exonucleasa elimina el cebador de ARN y lo reemplaza con ADN recién sintetizado
ADN pol III Enzima principal que agrega nucleótidos en la dirección de 5 'a 3'
Helicasa Abre la hélice de ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
Ligase Sella los espacios entre los fragmentos de Okazaki en la hebra rezagada para crear una hebra de ADN continua
Primase Sintetiza los cebadores de ARN necesarios para iniciar la replicación.
Proteínas de unión monocatenarias Se unen al ADN de una sola hebra para evitar los enlaces de hidrógeno entre las hebras de ADN, reformando el ADN de doble hebra.
Pinza deslizante Ayuda a mantener el ADN pol III en su lugar cuando se agregan nucleótidos
Topoisomerasa II (ADN girasa) Relaja el cromosoma superenrollado para hacer que el ADN sea más accesible para el inicio de la replicación ayuda a aliviar el estrés en el ADN cuando se desenrolla, al causar roturas y luego volver a sellar el ADN
Topoisomerasa IV Introduce la ruptura de una sola hebra en cromosomas concatenados para liberarlos entre sí y luego vuelve a sellar el ADN.

Verifica tu entendimiento

  • ¿Qué enzima rompe los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las dos hebras de ADN para que pueda ocurrir la replicación?
  • ¿Es la hebra rezagada o la hebra principal la que se sintetiza en la dirección hacia la apertura de la horquilla de replicación?
  • ¿Qué enzima es responsable de eliminar los cebadores de ARN en el ADN bacteriano recién replicado?

Replicación del ADN en eucariotas

Los genomas eucariotas son mucho más complejos y más grandes que los genomas procariotas y por lo general se componen de múltiples cromosomas lineales (cuadro 11.2). El genoma humano, por ejemplo, tiene 3 mil millones de pares de bases por conjunto haploide de cromosomas, y se insertan 6 mil millones de pares de bases durante la replicación. Existen múltiples orígenes de replicación en cada cromosoma eucariota (Figura 11.8); el genoma humano tiene entre 30.000 y 50.000 orígenes de replicación. La tasa de replicación es de aproximadamente 100 nucleótidos por segundo, 10 veces más lenta que la replicación procariota.

Los pasos esenciales de replicación en eucariotas son los mismos que en procariotas. Antes de que pueda comenzar la replicación, el ADN debe estar disponible como plantilla. El ADN eucariota está altamente superenrollado y empaquetado, lo que es facilitado por muchas proteínas, incluidas las histonas (consulte Estructura y función de los genomas celulares). En el origen de la replicación, un complejo de prerreplicación compuesto por varias proteínas, incluida la helicasa, forma y recluta otras enzimas involucradas en el inicio de la replicación, incluida la topoisomerasa para relajar el superenrollamiento, la proteína de unión monocatenaria, la ARN primasa y la ADN polimerasa. Tras el inicio de la replicación, en un proceso similar al que se encuentra en los procariotas, las ADN polimerasas eucariotas facilitan el alargamiento. La cadena principal es sintetizada continuamente por la enzima polimerasa eucariota pol δ, mientras que la cadena rezagada es sintetizada por pol ε. Una proteína de abrazadera deslizante mantiene la ADN polimerasa en su lugar para que no se caiga del ADN. La enzima ribonucleasa H (RNasa H), en lugar de una ADN polimerasa como en las bacterias, elimina el cebador de ARN, que luego se reemplaza con nucleótidos de ADN. Los huecos que quedan están sellados por ADN ligasa.

Dado que los cromosomas eucariotas son lineales, cabría esperar que su replicación fuera más sencilla. Al igual que en los procariotas, la ADN polimerasa eucariota puede agregar nucleótidos solo en la dirección 5 'a 3'. En la cadena principal, la síntesis continúa hasta que alcanza el final del cromosoma u otra horquilla de replicación que progresa en la dirección opuesta. En la hebra rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos, cada uno de los cuales es iniciado por un cebador separado. Cuando la horquilla de replicación llega al final del cromosoma lineal, no hay lugar para hacer un cebador para copiar el fragmento de ADN al final del cromosoma. Por lo tanto, estos extremos permanecen sin aparear y, con el tiempo, pueden acortarse progresivamente a medida que las células continúan dividiéndose.

Los extremos de los cromosomas lineales se conocen como telómeros y consisten en secuencias repetitivas no codificantes. Los telómeros evitan que las secuencias codificantes se pierdan a medida que las células continúan dividiéndose. En los seres humanos, una secuencia de seis pares de bases, TTAGGG, se repite de 100 a 1000 veces para formar el telómero. El descubrimiento de la enzima telomerasa (figura 11.9) aclaró nuestra comprensión de cómo se mantienen los extremos de los cromosomas. La telomerasa contiene una parte catalítica y una plantilla de ARN incorporada. Se adhiere al final del cromosoma y se agregan bases complementarias a la plantilla de ARN en el extremo 3 'de la cadena de ADN. Una vez que el extremo 3 'de la plantilla de la hebra rezagada está lo suficientemente alargado, la ADN polimerasa puede agregar los nucleótidos complementarios a los extremos de los cromosomas. De esta forma, se replican los extremos de los cromosomas. En los seres humanos, la telomerasa es típicamente activa en células germinales y células madre adultas; no es activa en células somáticas adultas y puede estar asociada con el envejecimiento de estas células. Los microbios eucariotas, incluidos los hongos y los protozoos, también producen telomerasa para mantener la integridad cromosómica. Por su descubrimiento de la telomerasa y su acción, Elizabeth Blackburn (1948–) recibió el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 2009.

Comparación de la replicación bacteriana y eucariota
Propiedad Bacterias Eucariotas
Estructura del genoma Cromosoma circular único Múltiples cromosomas lineales
Número de orígenes por cromosoma Soltero Múltiple
Tasa de replicación 1000 nucleótidos por segundo 100 nucleótidos por segundo
Telomerasa No presente Regalo
Eliminación de cebadores de ARN ADN pol I ARNasa H
Elongación de la hebra ADN pol III pol δ, pol ε

Enlace al aprendizaje

Esta animación compara el proceso de replicación del ADN procariota y eucariota.

Verifica tu entendimiento

  • ¿En qué se diferencia el origen de la replicación entre eucariotas y procariotas?
  • ¿Qué enzimas polimerasas son responsables de la síntesis de ADN durante la replicación eucariota?
  • ¿Qué se encuentra en los extremos de los cromosomas en eucariotas y por qué?

Replicación del ADN de elementos extracromosómicos: plásmidos y virus

Para copiar sus ácidos nucleicos, los plásmidos y los virus utilizan con frecuencia variaciones en el patrón de replicación del ADN descrito para los genomas procariotas. Para obtener más información sobre la amplia gama de estrategias de replicación viral, consulte El ciclo de vida viral.

Replicación del círculo rodante

Mientras que muchos plásmidos bacterianos (consulte Características únicas de las células procariotas) se replican mediante un proceso similar al utilizado para copiar el cromosoma bacteriano, otros plásmidos, varios bacteriófagos y algunos virus de eucariotas utilizan la replicación en círculo rodante (Figura 11.10). La naturaleza circular de los plásmidos y la circularización de algunos genomas virales en la infección lo hacen posible. La replicación del círculo rodante comienza con el corte enzimático de una hebra de la molécula circular bicatenaria en el sitio de origen bicatenario (dso). En las bacterias, la ADN polimerasa III se une al grupo 3'-OH de la hebra mellada y comienza a replicar unidireccionalmente el ADN utilizando la hebra no mellada como plantilla, desplazando la hebra mellada mientras lo hace. La finalización de la replicación del ADN en el sitio de la mella original da como resultado el desplazamiento completo de la hebra mellada, que luego puede recircularizarse en una molécula de ADN monocatenaria. Luego, la ARN primasa sintetiza un cebador para iniciar la replicación del ADN en el sitio de origen monocatenario (sso) de la molécula de ADN monocatenario (ssDNA), lo que da como resultado una molécula de ADN bicatenario (dsDNA) idéntica a la otra molécula de ADN circular.

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    • Autores: Nina Parker, Mark Schneegurt, Anh-Hue Thi Tu, Philip Lister, Brian M. Forster
    • Editor / sitio web: OpenStax
    • Título del libro: Microbiología
    • Fecha de publicación: 1 de noviembre de 2016
    • Ubicación: Houston, Texas
    • URL del libro: https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    • URL de la sección: https://openstax.org/books/microbiology/pages/11-2-dna-replication

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