Replicació de l'ADN: Mecanismes, Enzims i Mutacions

Replicació de l'ADN: Mecanismes i Models

Replicació de l'ADN: consisteix en la separació de les dues cadenes i la síntesi d'unes altres dues de noves amb una seqüència de bases complementària de les anteriors.

Aquest procés és possible gràcies a una sèrie d'enzims que:

• Seleccionen el nucleòtid apropiat perquè es faci l'aparellament correcte amb cada base de l'ADN motlle, segons la complementarietat A-T i G-C.
• Catalitzen la formació d'un enllaç covalent (fosfodièster) entre el nou nucleòtid i la cadena que s'està sintetitzant.
• Proporcionen els mecanismes necessaris per eliminar els nucleòtids que s'incorporen incorrectament.

Mecanisme segons Watson i Crick:

Els enllaços d'hidrogen, que mantenen juntes les dues cadenes de polinucleòtids de la doble hèlix d'ADN, es trenquen de manera seqüencial i provoquen que les cadenes se separin gradualment (de la mateixa manera que s'obre una cremallera).

Una vegada que cada una de les cadenes separades deixa exposades les seves bases nitrogenades, actua com a plantilla per a la síntesi d'una nova cadena complementària, la seqüència de la qual estarà determinada per l'especificitat en l'aparellament de les bases.

Quan aquest procés acaba, s'obtenen dues molècules d'ADN que són idèntiques entre si i idèntiques a la molècula d'ADN original.

Aquesta forma de replicació s'anomena semiconservativa (cada una de les dues molècules d'ADN que s'obtenen conté una cadena acabada de sintetitzar i una cadena de polinucleòtids de la molècula d'ADN original).

En contraposició a la replicació semiconservativa també es van proposar uns altres dos models de replicació de l'ADN compatibles amb la utilització de les cadenes parentals com a motlles:

Replicació conservativa: en acabar la replicació, les cadenes originals es reassocien. Llavors, una de les molècules d'ADN conté les dues cadenes de polinucleòtids originals i l'altra molècula està formada per les dues cadenes acabades de sintetitzar.

Replicació dispersiva: les cadenes originals d'ADN es fragmenten i serveixen de motlle per a la síntesi de nous fragments d'ADN. Després de la replicació, els fragments es tornen a acoblar per formar dues molècules d'ADN. S'obtenen dues molècules d'ADN, cada una de les quals conté una mescla de fragments originals i de fragments de nova síntesi.

L'any 1957, Meselson i Stahl van demostrar experimentalment que la replicació de l'ADN en procariotes era semiconservativa.

Enzims i Proteïnes Clau en la Replicació de l'ADN

Replicació de l'ADN, enzims i proteïnes que hi participen:

• Proteïnes iniciadores: s'uneixen a l'origen o punt on s'inicia la replicació i separen les cadenes d'ADN per començar el procés.
• ADN helicasa: desenrotlla la doble hèlix en la forqueta de replicació.
• Proteïnes d'unió a l'ADN monocatenari: s'associen a l'ADN de cadena simple i eviten que les dues cadenes separades es tornin a unir.
• ADN primasa: sintetitza els ARN encebadors per proporcionar un extrem 3' perquè l'ADN polimerasa pugui iniciar la síntesi d'ADN.
• ADN polimerasa: sintetitza la nova cadena d'ADN, elimina els ARN encebadors i els reemplaça per ADN.
• ADN ligasa: uneix els fragments d'ADN un cop que els ARN encebadors han estat substituïts per ADN.
• ADN topoisomerasa: elimina els superenrotllaments per davant de la forqueta de replicació.

ADN Polimerasa: Funcions Essencials

ADN POLIMERASA:

• sintetitzen ADN només en el sentit 5'-->3'
• només poden afegir un nou desoxiribonucleòtid si existeix una cadena d'ADN preformada, però no poden començar una cadena nova d'ADN.
• posseeixen capacitat exonucleasa tant en sentit 3'--> 5' com a l'inrevés, 5'-->3', fet que els permet eliminar nucleòtids en tots dos sentits.
• tenen capacitat de corregir errors que es puguin produir en la replicació, fet que els permet incrementar la fidelitat d'aquest procés.

Fases de la Replicació de l'ADN

FASES DE LA REPLICACIÓ

3 fases: fase d'inici, fase d'elongació i fase de terminació.

Fase d'Inici

Fase d'inici: la replicació s'inicia amb la separació de les dues cadenes de la molècula d'ADN i el desenrotllament posterior, perquè cada una de les cadenes serveixi de motlle a les noves cadenes que se sintetitzen.

Primer se sintetitzen segments curts d'ARN anomenats ARN encebadors, complementaris de la cadena motlle d'ADN. Els segments encebadors són sintetitzats per un enzim anomenat primasa amb activitat ARN polimerasa. Posteriorment, l'ARN encebador serà eliminat i reemplaçat per ADN (per activitat exonucleasa que posseeix l'ADN polimerasa).

Origen de Replicació: Replicó

1. Les proteïnes iniciadores s'uneixen a l'origen de la replicació.
2. L'ADN helicasa s'uneix a les proteïnes iniciadores.
3. L'helicasa s'uneix a l'ADN.
4. Helicasa desnaturalitza l'hèlix i s'uneix a la primasa per formar el primosoma.

5. La primasa sintetitza l'encebador d'ARN necessari perquè l'ADN polimerasa comenci a formar la cadena d'ADN.

ADN helicasa: enzim que trenca els enllaços d'hidrogen entre les bases i va separant les dues cadenes de la doble hèlix utilitzant energia ATP.

Primosoma: complex format per enzims primasa i helicasa juntament amb les proteïnes.

Replicó: regió d'ADN que es replica a partir del mateix origen de replicació (resultat de cada origen de replicació)

Bombolles de replicació: zones de separació entre les dues cadenes, estabilitzades per les proteïnes d'unió a l'ADN monocatenari.

Proteïnes d'unió a l'ADN monocatenari: proteïnes que s'associen a les cadenes d'ADN desenrotllades i les mantenen separades i rectes durant el temps necessari per tal que es produeixi la replicació.

Forquetes de replicació: estructures en forma de Y que es veuen a partir d'un microscopi electrònic, als extrems de les bombolles de replicació on les dues cadenes s'estan separant.

Superenrotllaments: són eliminats per l'acció de ADN topoisomerases, que tallen les cadenes, les desenrotllen i les tornen a unir.

Fase d'Elongació de l'ADN

Fase elongació de l'ADN: un cop iniciada la síntesi de l'ADN, el pas següent consisteix en l'elongació de l'ADN naixent per l'ADN polimerasa, a partir de l'extrem 3' de l'ARN encebador. L'enzim es desplaça, llegeix l'ADN plantilla en sentit 3'-->5' i sintetitza la nova cadena, complementaria de la plantilla, en sentit 5'-->3'. En les forquetes de replicació, les cadenes d'ADN de la doble hèlix són antiparal·leles entre si, és a dir, una va en el sentit 3'--> 5' i l'altra en sentit invers.

Cadenes d'ADN durant l'Elongació

Es distingeixen dues cadenes:

• Cadena conductora: la seva síntesi s'inicia en primer lloc i se sintetitza de manera contínua.
• Cadena retardada: sintetitza inicialment en forma de petits fragments d'ADN (Fragments d'Okazaki) que després són units per un ADN ligasa per formar una cadena contínua d'ADN.

Fragment d'Okazaki= tros ADN cebador i tros d'ADN definitiu, junts.

Fase de Terminació

Fase de terminació: En alguns procariotes hi ha seqüències concretes en la cadena de l'ADN plantilla anomenades terminacions de replicació, que marquen la regió on ha de cessar la replicació.

Mecanisme de Correcció d'Errors durant la Replicació

1. S'incorpora G en comptes de A.
2. La polimerasa elimina el nucleòtid incorrecte (G) gràcies a l'activitat exonucleasa 3'--> 5'.
3. La síntesi continua amb la incorporació del nucleòtid correcte (A).

Diferències en la Replicació entre Procariotes i Eucariotes

DIFERÈNCIES ENTRE ELS MECANISMES DE REPLICACIÓ DE PROCARIOTES I EUCARIOTES

Telomerasa: enzim que evita l'escurçament dels telòmers.

Mutacions: Alteracions del Material Genètic

MUTACIONS:

Mutació: alteració a l'atzar del material genètic.

Tipus de Mutacions

• Gèniques: alteració de la seqüència de nucleòtids d'un gen.
  • Substitució: canvi d'un sol nucleòtid per un altre.
  • Inserció o deleció: addició o eliminació d'un o més parells de nucleòtids.

  Mutacions de canvi de sentit fan que l'aminoàcid codificat sigui diferent.

  Mutacions sense sentit: proteïna diferent, més curta.

  Mutació silenciosa: es codifica el mateix aminoàcid.

• Cromosòmiques: alteració en segment cromosòmic.
  • Deleció: pèrdua d'un segment del cromosoma.
  • Duplicació: dupl. d'un segment del cromosoma.
  • Inversió: un segment d'un cromosoma gira 180º i es torna a acoblar. Pericèntriques (inclouen centròmer), paracèntriques (no inclouen centròmer).
  • Translocació: intercanvi de segments entre cromosomes.
• Genòmiques: alteració en el nombre de cromosomes.
  • Aneupoliploïdia: Nul·lisomia (manca d'un parell de cromosomes), Monosomia (manca d'un sol cromosoma), Trisomia (guany d'un cromosoma).
  • Eupoliploïdia: Poliploïdia: autopolipl. (tots els cromosomes pertanyen a la mateixa espècie), al·lopolipl. (conjunt de cromosomes pertanyes a 2 espècies).

Aneuploïdies dels Cromosomes Sexuals

• Síndrome de Turner, mutació: monosomia del cromosoma X.
• Síndrome de Kinefelter, mutació: un cromosoma X en excés.
• Síndrome del doble Y, mutació: un cromosoma Y en excés.

Aneuploïdies dels Cromosomes Autosòmics

• Síndrome de Down, mutació: trisomia del parell 21.
• Síndrome d'Edwards, mutació: trisomia del parell 18.
• Síndrome de Patau, mutació: trisomia del parell 13.

Causes de les Mutacions

• Errors durant el procés de replicació.
• Canvis químics espontanis en l'ADN (despurinació, eliminació d'una base nitrogenada o desaminació).
• Danys oxidatius.

Mutacions Induïdes: Agents Mutàgens

Físics

• Raigs ultraviolats.
• Radiacions ionitzants: raigs X, raigs gamma.

Químics

• Anàlegs de bases.
• Agents alquilants: gas mostassa.
• Agents intercalants: benzopirè dels quitrans.
• Agents modificadors de bases: òxid nitrós.

Reparació de l'ADN

1. Dany en la cadena superior.
2. Eliminació de la regió danyada.
3. ADN polimerasa hi afegeix un nou nucleòtid utilitzant la cadena inferior com a motlle.
4. ADN ligasa uneix els extrems.
5. Resultat net: ADN reparat.

Transposició: Moviment de Seqüències d'ADN

TRANSPOSICIÓ:

2 mecanismes que permeten intercanvi entre cromosomes:

• Recombinació genètica: intercanvi de segments entre cromosomes homòlegs.
• Transposició: desplaçament de seqüències d'ADN dins d'un mateix cromosoma o entre diferents cromosomes.

Característiques dels Elements Transposables

• Contenen un enzim anomenat transposasa.
• Als seus extrems tenen unes seqüències especials anomenades seqüències d'inserció.

Transposasa: enzim responsable de catalitzar l'escissió de l'element transposable d'un punt de l'ADN i la seva inserció posterior en un altre punt de l'ADN.

Seqüències d'inserció: punts de reconeixement i acció de les transposases.

Càncer: Malaltia Genètica Complexa

Càncer: conjunt de malalties cromosòmiques a causa de mutacions de gens que afecten múltiples activitats cel·lulars.

Propietats de les Cèl·lules Canceroses

• Capacitat de proliferació alta i incontrolada.
• Capacitat d'envair altres parts del cos.

Tumor: massa de cèl·lules que s'ha originat per una altra cèl·lula que ha perdut el control de divisió.

Pot ser:

• Benigne: les cèl·lules estan juntes, no solen causar danys i es pot eliminar quirúrgicament. (solen estar en un lloc localitzat).
• Maligne: les cèl·lules creixen, se separen i envaeixen altres teixits i formen altres tumors en llocs diferents del cos (aquest procés s'anomena metàstasis).

Teoria Clonal de Formació del Càncer

TEORIA CLONAL DE FORMACIÓ DEL CÀNCER: (el tumor és originat per l'acumulació d'altres successives mutacions)

1. Una cèl·lula muta, per radiació o per substàncies químiques.
2. Apareixen noves mutacions i una cèl·lula inicia un tumor.
3. Càncer in situ. Es produeix una tercera mutació.
4. Les cèl·lules envaeixen els teixits inferiors en produir una proteïnasa.
5. Les cèl·lules canceroses envaeixen els vasos sanguinis i limfàtics.
6. Es forma un nou tumor en un altre punt de l'organisme.

Alteracions Genètiques en el Càncer

• Protooncogens: gens que afavoreixen la divisió de les cèl·lules fabricant proteïnes.
• Gens supressors: gens que impedeixen la divisió de les cèl·lules fabricant altres proteïnes.

Quan hi ha equilibri entre aquests gens hi ha divisió de cèl·lules i sense excés.

Quan un d'aquests gens muta, o deixa de funcionar la divisió o funciona en excés.

Causes del Càncer

• Mutacions als oncogens o gens supressors.
• Substàncies químiques i radiacions.
• Determinats virus.