Replicació de l'ADN: Procés, Fases i Mutacions

La Replicació de l'ADN

La replicació de l'ADN és semiconservativa, és a dir, se separa la doble cadena i es copien, així queden dues dobles cadenes amb una cadena original i l'altra copiada.

Elements de la Replicació de l'ADN

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

Les ADN Polimerases

Propietats

• Sintetitzen només 5'-3'
• Només poden afegir un nou desoxiribonucleòtid si ja hi ha una cadena d'ADN preformada.
• Posseeixen capacitat exonucleasa tant en sentit 3'-5' com 5'-3'
• Tenen capacitat de corregir errors que pugui haver-hi en la replicació.

Fases de la Replicació de l'ADN

Començament de la replicació

La replicació de l'ADN comença en seqüències específiques de l'ADN anomenades orígens de replicació.

L'enzim ADN helicasa trenca els enllaços d'hidrogen i separa les dues cadenes per formar una bombolla de replicació. Cada origen dona lloc a un replicó, la regió d'ADN que es replica a partir del mateix origen.

Una enzima anomenada primasa comença el procés, creant una petita cadena d'ARN (primer).

A cada bombolla de replicació trobem dues forquetes de replicació que es desplacen en sentits oposats.

Elongació de l'ADN: síntesi contínua i discontínua

• La cadena conductora o líder, és aquella que a partir d'un sol ARN encebador se sintetitza de manera continuada a mesura que les cadenes es continuen separant.
• La cadena retardada o endarrerida, comença més tard i necessita que la doble hèlix s'hagi obert prou. Forma petits fragments d'ADN, anomenats fragments d'Okazaki, cadascun amb el seu ARN encebador. Després l'exonucleasa elimina tots els primers d'ARN i l'ADN polimerasa I afegeix els espais on hi havia els primers.

Terminació de la replicació

Finalment, l'ADN ligasa uneix tots els fragments d'ADN, fent que d'una molècula d'ADN se n'hagin aconseguit dues.

Fidelitat de la Replicació

Correcció durant la replicació

L'ADN polimerasa actua de dues formes, la primera és que només les bases correctes fan que es pugui unir i catalitzar, i la segona es basa en el fet que la introducció d'un nucleòtid incorrecte no permet la unió del nucleòtid següent.

Reparació d'errors després de la replicació

Els errors que no ha reparat l'ADN polimerasa els detecta un sistema de reparació que actua immediatament després de la replicació.

Replicació en Procariotes i Eucariotes

Origen i terminacions de replicació

La majoria de genomes procariotes tenen un sol origen i hi ha dues terminacions, una per a cada cadena.

Els genomes de les eucariotes són més grans. Per accelerar la replicació posseeixen nombrosos orígens de replicació a cada cromosoma. En les cèl·lules eucariotes, excepte en els cromosomes, les terminacions de replicació per a cada replicó no tenen una ubicació fixa.

Naturalesa dels cromosomes

L'ADN de les cèl·lules procariotes és una molècula circular mentre que els cromosomes eucariotes tenen ADN lineal.

Cromosomes circulars

És una molècula d'ADN circular i queda totalment copiat.

Cromosomes lineals

Quan s'eliminen els encebadors de les cèl·lules eucariotes queden extrems 5' als quals l'ADN polimerasa no pot afegir nucleòtids. Això implicaria que els cromosomes s'anirien escurçant progressivament després de cada replicació i es perdrien els gens dels extrems.

Per resoldre aquest problema hi ha els telòmers que són regions curtes que no codifiquen res i es troben als extrems de les cèl·lules eucariotes.

L'escurçament dels telòmers després de cada replicació fa que cada cèl·lula es pugui dividir un nombre limitat de vegades, després es produeix la mort cel·lular. Per aquesta raó l'escurçament dels telòmers s'ha relacionat amb l'envelliment.

Les Mutacions

Són alteracions a l'atzar del material genètic. La major part de mutacions són recessives i queden amagades.

Tipus de Mutacions

Mutacions gèniques o puntuals

Alteracions de la seqüència de nucleòtids d'un gen. Es deuen a:

• Insercions o delecions: addició o eliminació d'un parell de nucleòtids o més.
• Substitucions de bases: canvi d'un sol nucleòtid per un altre.
• Transicions: canvi d'una base púrica per una altra púrica.
• Transversions: canvi d'una base pirimidínica per una púrica o a l'inrevés.

Efectes fenotípics de les mutacions gèniques

Les insercions i les delecions modifiquen la pauta de lectura, és a dir, provoquen una alteració de tots els triplets, des del punt on es produeix la mutació cap endavant. Molt greu.

Les substitucions de bases poden ser de canvi de sentit (codifiquen un aminoàcid diferent), sense sentit (el nou codó és un codó de terminació) o silencioses (el nou codó codifica el mateix aminoàcid).

Mutacions cromosòmiques

Afecten diversos gens.

• Deleció: pèrdua d'un fragment del cromosoma.
• Duplicació: repetició d'un segment del cromosoma.
• Inversions: canvi de sentit d'un fragment en el cromosoma.
• Translocacions: canvi de posició d'un segment del cromosoma. Poden ser recíproques o no recíproques.

Efectes fenotípics de les mutacions cromosòmiques

Conseqüències d'una deleció: depèn de la zona implicada i dels gens afectats. Si el fragment perdut conté molts gens, la mutació pot ser molt greu i fins i tot letal.

Conseqüències d'una duplicació: duplicació del material genètic que gràcies a mutacions posteriors poden determinar l'aparició de nous gens durant el procés evolutiu: importància evolutiva.

Les inversions i translocacions poden tenir efectes fenotípics importants.

Mutacions genòmiques

Són mutacions que provoquen canvis en el nombre de cromosomes propi d'una espècie.

Aneuploïdia

És l'alteració en el número normal d'algun dels cromosomes, ja sigui per més o per menys representants del cromosoma afectat.

• Nul·lisomia: falta una parella de cromosomes (2n-2)
• Monosomia: falta un cromosoma d'una parella (2n-1)
• Trisomia: un cromosoma de més en una parella (2n+1)

Exemple: síndrome de Down: trisomia en el parell 21

Poliploïdia

Més de dos jocs complets de cromosomes.

Causes de les Mutacions

Mutacions espontànies

Es produeixen de manera natural i es deuen a:

• Errors durant el procés de replicació.
• Canvis químics espontanis.
• Danys oxidatius.

Mutacions induïdes

• Factors físics: raigs ultraviolats i radiacions ionitzants.
• Factors químics.

Reparació de l'ADN

Les cèl·lules han desenvolupat diversos mecanismes de reparació.

• Sistema de reparació per escissió de bases: elimina les bases anòmales.
• Sistema de reparació per escissió de nucleòtids: pot esmenar alteracions grans de l'ADN.

Reordenacions de Gens. La Transposició

L'intercanvi entre segments de cromosomes és una altra manera de produir diversitat genètica.

• Recombinació genètica: consisteix en l'intercanvi de segments entre cromosomes homòlegs.
• Transposició: consisteix en el desplaçament de seqüències d'ADN dins d'un mateix cromosoma.

Mutacions i Càncer

El càncer és un conjunt de malalties genètiques que apareixen a causa de mutacions de gens que afecten múltiples activitats cel·lulars.

Propietats del Càncer

• Alta capacitat de proliferació.
• Capacitat d'envair altres parts del cos.

Quan una cèl·lula deixa de respondre adequadament als senyals que controlen la divisió, comença a proliferar i les seves cèl·lules filla formen una massa cel·lular que s'anomena tumor.

En un tumor benigne les cèl·lules anormals queden localitzades allí on s'han originat i el tumor no creix indefinidament.

Un tumor maligne creix indefinidament i les seves cèl·lules poden envair òrgans propers (càncer).

Es parla de metàstasi quan les cèl·lules canceroses emigren via sanguínia o limfàtica a altres òrgans sans, desenvolupant allí altres tumors.

Classificació dels Càncers

• Carcinomes: cèl·lules epitelials.
• Sarcomes: teixits conjuntius.
• Leucèmies: cèl·lules hematopoètiques.
• Neuroblastomes i glioblastomes: teixit nerviós.

Desenvolupament del Càncer

1. Una cèl·lula muta.
2. Apareixen noves mutacions i una cèl·lula comença un tumor.
3. Càncer in situ. Hi ha una tercera mutació.
4. Les cèl·lules envaeixen els teixits inferiors perquè produeixen 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 que Contribueixen al Càncer

Protooncogens: gens reguladors que, en condicions normals, codifiquen per a proteïnes que activen el procés normal de creixement i divisió cel·lular.

Gens supressors de tumors o antioncogens: gens reguladors que, en condicions normals, codifiquen per a proteïnes que inhibeixen la divisió cel·lular.

Causes del Càncer

• La constitució genètica de l'individu: hi ha determinades mutacions que incrementen la probabilitat que l'individu portador desenvolupi càncer.
• Condicions ambientals: s'inclouen l'estil de vida i l'exposició a mutàgens.
• Les infeccions per certs virus. S'estima que els virus són responsables d'aproximadament el 15% de tots els càncers humans.