RESUMEN

Los componentes estructurales del DNA y el RNA son muy parecidos. Esta similitud qumica es muy importante para coordinar las funciones que desempean estas molculas durante la expresin gnica.

La replicacin del material gentico es una de las facetas del ciclo celular. Una vez que el material gentico de las clulas se ha replicado, se debe repartir equitativamente entre las clulas hijas.

Las mutaciones son una fuente de variacin gentica y la base para la seleccin natural, pero tambin son el origen del dao gentico que contribuye a la muerte celular, a enfermedades genticas y cncer. Los organismos cuentan con diversos mecanismos de reparacin del DNA que contrarrestan estas mutaciones.1.1 Replicacin de los cidos Nuclicos

1.1.1 Estructura general de los cidos nuclicos

1.1.2 Replicacin de ADN

1.1.3 Molculas importantes en el proceso de replicacin

1.1.4 Correccin de mutaciones durante la replicacin

1.1.5 Replicacin de ARN

ReferenciasImagen tomada de: http://img520.imageshack.us/img520/4120/genomeba3.jpg

1.1.1 Estructura General de los cidos Nuclicos

Los nucletidos son las bases estructurales de los cidos nuclicos. Cada uno est formado por una base nitrogenada (purina o pirimidina), un azcar de cinco carbonos (pentosa) y un grupo fosfato.Imagen tomada de ciam.ucol.mx/.../image005.jpg Purinas: doble anillo de 9 lados (Adenina y Guanina).

Pirimidinas: anillo de 6 lados (Timina, Citosina y Uracilo).Tanto el DNA como el RNA contienen Adenina, Guanina y Citosina, la Timina slo se encuentra en el DNA, mientras que el Uracilo slo esta presente en el RNA.Imgenes tomadas de: http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/componentes%20dna1_archivos/image002.jpg

Entre 1950 y 1953, Rosalind Franklin, utilizando la difraccin de rayos X en muestras purificadas de DNA, sugiri que su estructura era algn tipo de hlice.Imgenes tomadas de: https://sites.google.com/a/iespedrodeluna.es/cmcb2010/ y http://www.nature.com/scitable Cuando las fibras de una molcula se someten a un bombardeo de rayos X, los rayos se dispersan en funcin de la estructura atmica de la molcula. El patrn de dispersin (difraccin), puede capturarse sobre una pelcula fotogrfica y puede analizarse su forma general y las regularidades de la molcula.

En 1953, Watson y Crick, basados en el trabajo de Rosalind Franklin, publicaron su anlisis sobre la estructura del DNA. CARACTERISTICAS DEL MODELO

1. Dos largas cadenas de polinucletidos enrolladas alrededor de un eje central, formando una doble hlice enrollada hacia la derecha (dextrgira).

2. Las dos cadenas son antiparalelas; la orientacin C-5 C-3 va en direcciones opuestas.

3. Las bases de las dos cadenas forman estructuras planas y perpendiculares al eje; estn apiladas una sobre otra con una separacin de 0.34 nm.

4. El apareamiento de las bases nitrogenadas resulta en la formacin de puentes de hidrgeno (A = T y G C).

5. Una vuelta completa de la hlice tiene una longitud de 3.4 nm, por lo tanto, cada vuelta de la cadena contiene 10 bases.

6. La doble hlice mide 2.0 nm de dimetro.

7. En cualquier segmento de la molcula se observa un surco mayor y un surco menor alternados a los largo del eje.Imagen tomada de: http://www.ciencia-activa.org/Imagenes/WatsonCrickADN.gif Imagen modificada de: http://bio-cotidiano.blogspot.com/2009_04_01_archive.html

Esto se explica por las reglas de Chargaff

La cantidad de Adenina es proporcional a la cantidad de Timina en el DNA de cualquier especie.

La suma de purinas es igual a la suma de pirimidinas.

El porcentaje de C+G no necesariamente es igual al porcentaje de A+T.Por qu no se pueden dar los emparejamientos A con C y G con T a pesar de estar formados por una purina y una pirimidina?

Las configuraciones tridimensionales de estos emparejamientos NO producen la alineacin adecuada para la formacin de los puentes de hidrgeno.

ARN mensajero (ARNm): lleva las instrucciones para hacer una protena en particular, desde el ADN en el ncleo hasta los ribosomas.

ARN de transferencia (ARNt): lleva los aminocidos a los ribosomas, se encuentra en el citoplasma.

ARN ribosomal (ARNr): forma parte de los ribosomas.Los tres tipos de RNA tienen su origen como una molcula complementaria de una de las dos cadenas del DNA durante el proceso de transcripcin.

Los diferentes tipos de RNA se distinguen por su comportamiento de sedimentacin en un campo centrfugo y por su tamao, de acuerdo al numero de nucletidos que contiene.El comportamiento de sedimentacin depende de la densidad, tamao, masa y forma y se mide en unidades que designan el coeficiente de Svedberg (S) de la molcula.Caracterizacin del RNA.Modificado de Klug y col. 2006.

Tipo de RNACoeficiente de SvedbergEucaritico (E) Procaritico (P)Nmero de nucletidosRNA ribosmico (rRNA)5S5,8S16S18S23S28SP y EEPEPE1201601.5421.8742.9044.718RNA de Transferencia (tRNA)4SP y E75 90RNA Mensajero (mRNA)DiversoP y E100 10.000

1.1.2 Replicacin de ADN

Imagen tomada de: http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRLlVp0kWQpwDoIQKG14XNhdlKoBCk7APHdoIhD9dGzHeMTpzIBrg&t=1

En que lugar del cromosoma se inicia la replicacin?La sntesis de DNA tiene solo un punto de origen o varios?En donde se localiza el sitio de origen?La sntesis de DNA contina desde el origen en una sola direccin o en ambas?Es igual el proceso de replicacin en eucariotas que en procariotas?

En cualquier lugar del cromosoma en que se est produciendo replicacin, las cadenas de la hlice estn desenrolladas formando la Horquilla de Replicacin.

Esta horquilla aparece inicialmente en el punto de origen de la sntesis, y a medida que avance la replicacin se mover a lo largo del DNA dplex.

La replicacin es bidireccional, habr dos horquillas movindose en direcciones opuestas a partir del origen (oriC). Cuando se completa la replicacin semiconservativa de todo el cromosoma estas horquillas convergen en una regin de terminacin denominada ter.

La longitud del fragmento de DNA que se replica en cada suceso de replicacin dado en un solo origen se llama Replicn.

En las bacterias (y en la mayora de los bacterifagos), la sntesis de DNA se inicia en un solo punto y todo su cromosoma constituye el replicn.

La replicacin de los cromosomas eucariticos se inicia en orgenes mltiples. Cada horquilla de replicacin individual se extiende hasta que finalmente se encuentra con otra y ambas se unen.En esta fotomicrografa electrnica de una clula embrionaria de Drosophila melanogaster, los centros de las horquillas de replicacin estn indicados con flechas rojas.Imagen tomada de: www.geosfera.es/monograficos/DNA/index.htm

Replicacin Conservativa: la doble hlice parental permanece intacta y las cadenas hijas se juntan. Replicacin Dispersa: Las cadenas parentales se dispersan entre las dos nuevas cadenas despus de la replicacin. Cada cadena esta formada por DNA nuevo y viejo.Adems del modelo propuesto por Watson y Crick, existen otras dos formas de replicacin: Replicacin Semiconservativa: Las dos cadenas de la molcula parental se separan, cada una funciona como molde para la sntesis de una nueva cadena complementaria.Imagen tomada de: http://www.phschool.com/science/biology_place/biocoach/images/dnarep/repmodel.gif

Con esta tcnica, llamada Centrifugacin en Gradiente de Densidad, se separa a las muestras en un gradiente de densidad. Las molculas de DNA alcanzarn el equilibrio cuando su densidad sea igual a la del gradiente del medio. Por lo tanto, el DNA-15N estar en una posicin mas cercana a la base del tubo que el DNA-14N.En 1958, Matthew Meselson y Franklin Stahl, comprobaron que las clulas bacterianas se replican de manera semiconservativa.La clave para el xito de este experimento, es que el DNA que contiene 15N puede distinguirse del que contiene 14N. Imagen tomada de: http://www.nature.com/scitable/nated/content/4208/pierce_12_3_FULL.jpg

Al continuar el desenrollamiento, se produce una tensin de enrollamiento por delante de la horquilla de replicacin, originando un superenrollamiento. La DNA girasa (del grupo de las DNA topoisomerasas), es una enzima capaz de deshacer estos superenrollamientos. El origen de replicacin (oriC), est formado por 245 pb y se caracteriza por tener secuencias de 9 y 13 bases repetidas (denominadas nanmeros y trecmeros). La protena responsable de iniciar el proceso de desenrollamiento de la hlice es la DnaA, posteriormente se unen las protenas DnaB y DnaC que abren y desestabilizan la hlice, estas protenas se denominan helicasas.ENTONCES CMO SE LLEVA A CABO LA REPLICACIN? Debido a que los cromosomas circulares (como los de las bacterias y virus) no tienen un extremo 3 hidroxil libre (para que pueda actuar la DNA Polimerasa III), se ha observado que el RNA sirve como cebador para que pueda iniciar la sntesis de DNA.Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/-CuDQ5Dj5lOA/TxYq-gqVLJI/AAAAAAAABKE/JIViN7HBRyU/s1600/Replicaci%25C3%25B3n.gif

Imagen tomada de Kulg y col. 2006.

Considerando que las dos cadenas de DNA en la doble hlice son antiparalelas y que la sntesis solo se lleva a cabo en direccin 5-3, la sntesis simultanea ocurre en una direccin en una cadena y en la direccin opuesta en la otra.En consecuencia, cuando se desenrolla la cadena y avanza la horquilla de replicacin por la hlice, solo una cadena puede servir como molde para la sntesis continua de DNA, esta cadena recin sintetizada se llama cadena lder.Al avanzar la horquilla, se necesitan muchos puntos de inicio en la cadena opuesta, lo que da lugar a una sntesis discontinua de DNA en la cadena retrasada.Como la sntesis de DNA es continua en una cadena y discontinua en la otra, se puede utilizar el termino Sntesis semidiscontinua para referirse al proceso en conjunto. La sntesis discontinua necesita enzimas para eliminar el cebador de RNA (DNA Polimerasa I) y para unir los fragmentos de Okazaki (DNA Ligasa) en la cadena retrasada.Imagen tomada de: Kulg y col. 2006.

El DNA eucaritico se replica de manera muy parecida al DNA bacteriano.En ambos sistemas, el DNA de doble cadena se desenrolla en los orgenes de replicacin, se forman horquillas de replicacin y la sntesis bidireccional de DNA genera cadenas adelantadas y cadenas retrasadas a partir de DNA molde.Las polimerasas eucariticas tienen los mismos requisitos funcionales que las bacterianas: 4 dNTPs, un molde y un cebador.Imagen tomada de: http://files.myopera.com/tutoriabiologiaUBAXXI/blog/divfig10.JPG

1.1.3 Molculas importantes en el proceso de replicacin

El cebador es un segmento corto de RNA (5-15 nucletidos), complementario al DNA de la cadena molde. El RNA es sintetizado por un tipo de RNA Polimerasa llamada Primasa que no necesita un extremo 3libre para iniciar la sntesis. A partir de este cebador de RNA, la DNA Polimerasa empieza a aadir 5desoxirribonucletidos, iniciando as la sntesis de DNA. Los cebadores de RNA han sido encontrados en virus, bacterias y varios organismos eucariotas, por lo que se cree, es un proceso universal para la iniciacin de la sntesis de DNA. Finalmente, el cebador de RNA debe ser cortado y reemplazado por DNA. Probablemente es la DNA Polimerasa la responsable de realizar este proceso.

Tuneko y Reiji Okazaki, descubrieron que cuando se replica el DNA de un bacterifago en E. coli, algunos de los fragmentos de DNA recin formados, son pequeos fragmentos de 1000 a 2000 nucletidos. Cebadores de RNA forman parte de estos fragmentos que se conocen como Fragmentos de Okazaki, y se van convirtiendo en cadenas de DNA cada vez mas largas y con un mayor peso molecular.

En 1957, Arthur Kornberg y colaboradores, aislaron una enzima de E. coli que poda dirigir la sntesis del DNA en un sistema exento de clulas (in vitro):DNA Polimerasa IdNTP (A, G, C, T)DNA molde La DNA Polimerasa I, fue la primera en aislarse y consta de una cadena sencilla de 928 aminocidos. Con uno solo de los 4 desoxirribonuclesidos que falte en la reaccin, no se detecta la sntesis. Si se usan derivados de estas molculas precursoras diferentes a los dNTP (nucletidos o nuclesidos difosfato), no se produce la sntesis. Si no se aade DNA molde, la sntesis de DNA se ve fuertemente reducida.

LAS DNA POLIMERASAS I, II y III La Polimerasa III es quiz la ms importante por ser la responsable de la polimerizacin 5- 3, esencial para la polimerizacin in vivo. Su actividad exonucleasa 3- 5 le proporciona la funcin de correccin de errores durante la sntesis y es la responsable de la correccin de errores durante la replicacin: cuando se inserta un nucletido incorrecto, la sntesis se detiene y la polimerasa invierte su marcha en direccin 3 - 5, cuando se elimina el nucletido incorrecto, continua en la direccin 5 - 3 sintetizando la cadena complementaria a la cadena molde. La Polimerasa II, junto con las polimerasas IV y V, participan en diversos aspectos de la reparacin del DNA que ha sido daado por agentes externos, como la luz UV. La Polimerasa I es la responsable de eliminar el cebador y de la sntesis que rellena estos huecos. Su actividad exonucleasa le permite participar en la reparacin del DNA.

Se conocen 5 DNA Polimerasas eucariontes:Todas tienen un mecanismo de accin similar a las enzimas procariontes: Las DNA polimerasas y son las que estn asociadas directamente a la replicacin del DNA cromosmico. La DNA polimerasa est formada por una sola cadena de polipptido y es responsable de la reparacin del DNA. La DNA polimerasa se encuentra en las mitocondrias y se encarga de la replicacin mitocondrial. La polimerasa es una enzima recin descubierta que en algunos aspectos se asemeja a la polimerasa .*Mr: Masa Molecular Relativa. **PCNA: Antgeno Nuclear de Clulas en Proliferacin.Tomado de Smith y Wood, 1998.

PolimerasaMr*300 00045 000140 000180 240 000290 000Composicin de la subunidad41422Sitio en el que se encuentraNcleoNcleoMitocondriaNcleoNcleoActividad polimerasa 5 3Replicacin del DNA cromosomal (cadena retrasada)ReparacinReplicacin del DNA mitocondrialReplicacin del DNA cromosomal (cadena gua). Su actividad depende del PCNA**Replicacin del DNA cromosomal (similar, pero no depende del PCNA**). Reparacin del DNA daado por radiacin UV.Actividad exonucleasa 3 5___++

1.1.4 Correccin de mutaciones durante la replicacin

Una mutacin es la alteracin del genotipo, que es la constitucin gentica del individuo, y en ocasiones tambin del fenotipo que son las caractersticas externas del individuo.El DNA puede ser daado por diversos agentes fsicos, qumicos y biolgicos presentes en el ambiente

Adems de la actividad de las DNA Polimerasas, existen otros mecanismos generales y especficos para la reparacin del DNA que detectan y responden a bases mal apareadas o irregularidades ocurridas durante la replicacin . Corte por una endonucleasa. Reconocen distintos tipos de lesiones y cortan el esqueleto fosfodister en el extremo 5, ste es extendido por una exonucleasa que remueve la parte afectada y algunos nucletidos adyacentes para producir un hueco (gap).

Sntesis de nuevo DNA. Se rellena el hueco usando el extremo OH 3 libre, la DNA polimerasa I sintetiza nuevamente las bases usando la cadena no mutada como molde.

Formacin del enlace Fosfodister. La ligasa del DNA sella el esqueleto del DNA ligando el extremo OH 3 del DNA recin sintetizado y el extremo 5P- del DNA que ya se haba sintetizado.ENZIMATICOS:

RECOMBINACIN HOMOLOGA Este mecanismo acta en respuesta a un bloqueo en la replicacin del DNA.Si durante la replicacin la DNA Polimerasa encuentra un dmero de Timina, se detiene en este punto.Inserta al azar una base nucleotdica, removida despus por su actividad de correccin.La replicacin continua hacia abajo de la cadena, dejando un hueco de aprox. 1000 bases, mientras que la otra cadena se replica normalmente.Una regin de la cadena no mutada que ya se replic, se inserta en la cadena que tiene el hueco bajo la accin de la enzima RecA, para reemplazar la regin faltante y continuar con la sntesis del DNA.La Polimerasa I y la ligasa, rellenan el hueco generado en la cadena del molde.El dmero de Timina se elimina de la cadena que lo contena.

Se activa cuando se produce un dao masivo al DNA y los otros sistemas de reparacin son insuficientes.RESPUESTA SOSEs poco eficiente, pues es propenso a cometer errores durante la reparacin pero es una medida desesperada de la clula para mantener su integridad cromosmica.En E. coli se incrementa la expresin de un grupo de genes cuya funcin es la de reparar el DNA daado y conferir a la clula ms oportunidades de sobreponerse y sobrevivir en condiciones de estrs.

1.1.5 Replicacin de ARN

El ARN es una cadena de polinucletidos de una sola hebra, sin embargo, algunos virus tienen ARN de cadena doble, formado por dos cadenas de polinucletidos complementarios. En estos virus, la replicacin del ARN en la clula hospedera sigue la misma pauta que la replicacin del ADN. Cada nueva molcula de ARN tiene una cadena de polinucletidos procedente de otra anterior. Cada uno de los nucletidos de la cadena se acopla con otro nucletido de ARNEn la mayora de los virus de RNA, ste se replica y acta directamente como mRNA. Otros, llevan en la partcula viral una enzima propia que les permite sintetizar los mRNA, usando como molde el RNA genmico, ya que ste no puede funcionar como mensajero.

Imagen tomada de:http://mundobio-anemix.blogspot.com/2010/06/replicacion-virica.html Despus de entrar en la clula hospedera, forman una cadena de ADN complementaria de su propio ARN gracias a la retrotranscriptasa, en donde usando los nucletidos de la clula, esta nueva cadena de ADN se replica y forma una doble hlice que se incorpora a los cromosomas de la clula hospedera, donde a su vez se replica junto con el ADN celular. Mientras se encuentra en la clula hospedera, el ADN vrico sintetizado a partir del ARN produce virus de ARN de cadena nica que abandonan la clula e invaden otras.Virus con ARN de cadena nicaPenetran en la clulas hospederas y sintetizan una cadena de ARN complementaria para transformar la molcula sencilla en doble. Durante la replicacin las dos hebras se separan, pero slo la formada recientemente atrae nucletidos con bases complementarias. Por tanto, la cadena de polinucletidos formada como resultado de la replicacin es exactamente igual a la original.EnterovirusRetrovirus

Klug W. S., Cummings M. R. y Spencer C. A. (2006). Conceptos de Gentica 8. Edicin. Prentice Hall. Madrid, Espaa. Smith A. A. y Wood E. J. (1998). Biologa Molecular y Biotecnologa. Addison Wesley Iberoamericana, S. A. Mxico. http://www.cienciaybiologia.com REFERENCIAS Balbs P. (2002). De la Biologa Molecular a la Biotecnologa. Trillas. Mxico. 324 p. Serment-Guerrero, J., Brea-Valle M. y Espinosa-Aguirre J. (2005). La respuesta SOS en Escherichia coli. Tip Revista Especializada en Ciencias Qumico-Biolgicas [en lnea]. Disponible en: