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MANTENIMIENTO Y VARIABILIDAD DEL GENOMA
Factores que explican el mantenimiento de la información genética, el alto grado de fidelidad: Estructura del ADN Mecanismos de reparación del ADN Existencia de enzimas con alto grado de fidelidad en la replicación del mismo, ¿Cuáles son estas enzimas? ADN polimerasas: enzimas que participan en el mecanismo de replicación. Un elemento común que tienen estas enzimas es que utilizan como sustratos los DNTP’S y tienen como requerimiento para polimerizar: Dependen de una cadena simple de ADN como molde para polimerizar No pueden hacer una síntesis de novo, necesitan un primer para poder comenzar la síntesis. Así, la polimerización implica la extensión de una hebra previamente hibridada al molde. Las ADNP extenderán un primer sintetizado por un tipo de ARNP, primasa, asociada a la ADNP α. La ADNP sintetiza en la dirección: 5’ 3’. Esto es un problema ya que en la estructura del ADN tendremos una hebra sintetizada en dirección 5’ 3’, y otra de ellas en dirección 3’ 5’. Debido a ello, en la replicación una de las hebras se sintetiza de manera continua y otra de manera discontinua. La hebra discontinua se sintetizará por medio de pequeños fragmentos de ADN que tienen la orientación opuesta al avance de la replicación, estos son denominados Fragmentos de Okazaki. Entre cada fragmento de Okazaki habrá un primers, ya que la ADNP no puede sintetizar de novo. Luego, estos fragmentos de ARN serán eliminados por acción de la ARNasa H, enzima que degrada el ARN de híbridos ARN-ADN y exonucleasa en dirección 5’ 3’. Los huecos resultantes son llenados por la ADNP δ, y unidos por la ADN ligasa. Tipos de ADNP:
Recordemos, que ninguna de estas enzimas será capaz de comenzar la síntesis de novo. La ADNP α forma un complejo con la primasa, y funciona junto a ella sintetizando fragmentos cortos de ADN-ARN durante la síntesis de la hebra tardía y en los ORI. La ADNP α quien primero operará en ambas hebras elongado este primer, elongando el primer. Este fragmento sintetizado por la ADNP α será elongado por ADNP ε en caso de encontrarnos en la hebra continua y por la ADNP δ en caso de encontrarnos en la hebra tardía. Mecanismos de reparación del ADN: Algunos de estos mecanismos están asociados al proceso de replicación misma y otros ocurren en otros estadios del ciclo celular. Todo sistema de reparación tiene una eficiencia limitada, de manera tal que algunas mutaciones quedarán fijadas. Estos mecanismos son:
Lectura de prueba de la polimerasa, actividad 3’ 5’ exonucleasa: Mecanismo que actúa en el contexto de
la replicación misma. Esta actividad consiste en que la ADNP puede corregir errores en la replicación rompiendo el enlace covalente que ha formado, removiendo el último nucleótido y volviendo a polimerizar un nucleótido correcto. Esta actividad está asociada a las ADNP δ y ε, y tiene una tasa de eficiencia. Esto quiere decir que logra reparar algunos nucleótidos que fueron incorporados pero no todos. Su eficiencia no será suficiente para replicar el genoma completo con ausencia total de errores. Sistemas de reparación en cadena simple: ante una ruptura en solo una de las hebras del ADN la otra hebra puede servir como molde para poder reparar el daño en la otra hebra. Sistema de reparación por escisión de nucleótidos (REN): Sistema que se encarga de reparar los daños inducidos por la luz UV, dímeros de pirimidina. Es decir, la formación de un enlace covalente entre dos pirimidinas que se encuentran adyacentes entre sí. Esto genera una deformación local de la hélice y, en caso de no ser reparado, estas no pueden ser replicadas por la ADNP induciendo una deleción en ese punto en la próxima rueda de replicación.
Mecanismo de reparación por unión de extremos no homólogos: este mecanismo de reparación repara al ADN pero suele dejar en el sitio de reparación mutaciones en la forma de nucleótidos faltantes o sobrantes. Reparación por recombinación homóloga: La información necesaria para reparar este daño sin errores es utilizar la información en una copia de ADN con alta homología, la cual podría ser información contenida en la cromátide hermana o cromosoma homólogo. Participará en este fenómeno la enzima RAD51, quien reconocerá estas regiones de alta homología.
REPLICACIÓN DEL ADN
Proceso semiconservativo, podemos dividirlo en: Iniciación: La replicación comenzará en el origen de replicación, sitio repetitivo al cual se unirán diversas proteínas. La proteína ORC se unirá al ORI, y reclutará diversas proteinas como las MCM HELICASAS. Las proteínas MCM HELICASAS separarán ambas cadenas de ADN permitiendo la unión de las ADNP. La presencia de las helicasas MCM también provee en un control para la replicación. El ADN no se duplica dos veces en el mismo ciclo debido a que durante la replicación del ADN se separan del sitio de inicio de la replicación las proteínas MCM, y no podrán volverse a unir a ese sitio hasta la interfase siguiente.
Elongación: A partir del ORI se producirá una burbuja de replicación, desde donde la replicación progresa en ambas direcciones. Las ADNP polimerizan el extremo 3’ del nucleótido previo para agregar un nucleótido tri fosfato, formándose un enlace fosfodiester. Terminación: El último extremo del ADN no puede replicado por la ADNP. Esto será solucionado por la existencia de la telomerasa. La telomerasa es una transcripta inversa, sintetizará ADN a partir de ARN, y es capaz de mantener los telomeros catalizando su síntesis aún en ausencia de una hebra molde de ADN. La síntesis de ADN será a partir de un molde de ARN que ella misma porta, complementario a la secuencia repetitiva de los telómeros. La expresión de la telomerasa impedirá que se corten los telómeros. Sin embargo, la mayoría de nuestras células después de un número determinado de replicaciones llegan a un momento que dejan de expresar telomerasa. Así, se irá producir un acortamiento progresivo de los telomeros. Cuando este acortamiento llegue a un determinado nivel, las células entran en el proceso de senescencia (envejecimiento normal de esas células). Algunas células, como las células madre o tumorales, expresan constantemente la telomerasa de manera tal que mantienen constante la longitud de los cromosomas y pueden proliferar en forma indefinida. No tienen senescencia. Otras enzimas están involucradas en la replicación del ADN. PCNA, proteína de enganche deslizante, y RFC, proteína de enganche de carga. Estas enzimas se unen con las ADNP polimerasas aumentando la actividad de las mismas y manteniéndolas unidas al molde de ADN para que continúen la síntesis sin interrupciones. PCNA sitúa a la polimerasa en el cebador y la mantiene unida al molde, RFC fija a PCNA al ADN en la zona de unión del cebador y el molde. Utilizan al energia generada por la hidrólisis de ATP para abrir a PCNA, la libera y esta forma un anillo alrededor del ADN. Topoisomerasas: catalizan la ruptura y unión de las hebras. Las de tipo I rompen solo una hebra mientras que las de tipo II rompen ambas hebras. Telomeros: extremos terminales de los cromosomas, secuencias repetitivas en tándem. No pueden ser replicados por la ADNP.
