Biologia molecular reparac

BIOLOGIA MOLECULAR
Blga. Olga Libia Cjuno Huanca
Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco
Facultad de Ciencias Biologicas
CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUIMICA
Unidad Académica N° 1: ESTRUCTURA Y FUNCION DEL ADN

FIDELIDAD DE LA REPLICACION
• La replicación del material genético ocurre una sola vez
durante el ciclo de vida de la célula por lo que es
imprescindible que sea realizado con una
elevada fidelidad de copia, que la secuencia de bases
de las moléculas hijas sea exactamente igual a la de las
células madre.
• Existen mecanismos que garantizan esta elevada
fidelidad de copia entre ellos:
1. La elevada especificidad del apareamiento de
bases formando los pares adenina-
timina y citosina-guanina.
2. La elevada especificidad de las polimerasas que
incorporan los desoxinucleótidos que forman
pares complementarios al ADN que se está
copiando.
3. Utilización de un ARN iniciador que al ser
eliminado y reemplazado por el segmento de
ADN correspondiente provoca que estas zonas
sean rectificadas siempre.
4. Existencia de un mecanismo de rectificación de
errores.
Blga. Olga L. Cjuno H.

Durante la replicación del ADN:
• La nucleasa, ADN Polimerasa reparadora y la ligasa son
también una parte de la maquinaria de replicación.
• La replicación es mucho más compleja, y aún subsisten
diversas incógnitas: Como, ¿La polimerasa en la cadena
adelantada se conecta con la cadena retrasada para
permitir que la replicación progreses sincrónicamente en
ambas cadenas?. O los proceso de origen de replicación en
eucariontes todavía no están bien dilucidadas.
• Dada la necesidad de precisión durante la replicación del
DNA y la longitud en la que las células tienen que obtener
esta precisión.

LESIONES EN LA REPLICACION:
El material genético se halla en constante peligro de ser
alterado no sólo por la acción de agentes ambientales sino
también espontáneamente, por ejemplo como
consecuencias de errores durante la replicación.
Cuando las alteraciones del genoma involucran a uno o a
unos pocos nucleótidos se denomina mutaciones génicas.
Otras veces las alteraciones en de la magnitud que afecta
al propio cariotipo motivo por el cual adquieren el nombre
de aberraciones cromosómicas. Estas aberraciones
pueden ser estructurales o numéricas.
• Las estructurales son afectas partes extensas de uno de
los cromosomas, que pueden perderse (delección) o
sufrir una inversión, una duplicación o una
translocación.
• Las numéricas, en cambio, el cariotipo exhibe un
número mayor o menor de cromosomas.

TIPOS DE LESIONES GENICAS
Perdida de bases : Producción de sitios apurinicos o apirimidinicos.
Cambio de bases : Desaminaciones (CxU, AxApoxantina, etc).
Modificación Química de bases : Metilación, alquilación, hidroxilación, etc.
Rotura de enlaces fosfodiester : Cortes en las cadenas polinucleótidas.
Entrecruzamientos : Unión covalente en ambas cadenas.

CAUSAS DE LAS LESIONES:
Espontáneas o : Desaminaciones por perdida de bases. Error de
Naturales replicación.
Inducidas : Por agentes:
Fisicos : Radiación UV, ionizantes.
Quimicos: Especies reactivas oxigenadas.
Acido nitroso
Agentes alquilantes (metilaciones, alquilaciones).
Agentes bifuncionales (entrecruzamientos.
Carcionógenos.

MUTACIONES
Las mutaciones se produce por cambios en la estructuras del ADN. Son
accidentes de copia de las bases púricas o pirimidicas, que se produce en
mayor frecuencia en la replicación del ADN, como consecuencia el ADN
sintetizado no es replica exacta del ADN paterno.
A pesar de todos los sistemas destinados a prevenir y corregir los posibles
errores, estos pueden ser las mutaciones puntuales, que son el cambio de
una de las bases de un par en el ADN, un cambio en una base nitrogenada
puede alterar la estructura completa de la proteína:
Tirosina- arginina- metionina
AUG GCU UAC
Tirosina- glutamina -metionina
AUG GUU UAC
Las mutaciones pueden ser:
Silenciosas
Puntuales Blga. Olga L. Cjuno H.

SILENCIOSAS:
• En un principio, las mutaciones silenciosas fueron irrelevantes para
la salud, ya que se pensaba que no alteraban la composición de las
proteínas codificadas por los genes y que cualquier fallo en el
proceso de fabricación de una proteína resultaría inocuo para el
organismo.
• Esto se desmintió hace unos años ya que se descubrió que la células
utilizaban de forma preferente ciertos codones, porque aumenta la
velocidad y precisión de la síntesis de proteínas.
Una Mutación silenciosa es aquella que provoca una alteración de
un nucleotido para crear un codon sinónimo.
• Un codon sinónimo es un codon que se traduce en un mismo
aminoacido, es decir, si por ejemplo tenemos el codon GUU el cual
forma el aminoacido valina, los codones sinónimos de este serían
GUC, GUA, GUG ya que también forman el aminoacido valina. Las
mutaciones silenciosas pueden afectar a varios procesos de la
síntesis de proteínas en nuestras células.

MUTACIONES PUNTUALES: Afectan a un par de bases en la
secuencia del ADN , pueden ser:
Sustitución. Donde debería haber un nucleótido se inserta otro. Por ejemplo, en
lugar de la citosina se instala una timina.
Inversión, mediante dos giros de 180° dos segmentos de nucleótidos de hebras
complementarias se invierten y se intercambian.
Translocación. Ocurre un traslape de pares de nucleótidos complementarios de
una zona del ADN a otra.
Desfasamiento. Al insertarse (inserción) o eliminarse (delección) uno o más
nucleótidos se produce un error de lectura durante la traducción que conlleva a la
formación de proteínas no funcionales.

Otras mutaciones incluyen la perdida de algunos
pares de bases o incluso secuencias más
grandes, multiplicaciones anormales. O
traslados de secuencias de unas regiones del
cromosoma a otras o entre diferentes
cromosomas (translocaciones), causando
alteraciones fenotípicas evidentes.

Aunque las subidas intensas y rápidas de la temperatura pueden provocar
mutaciones, los agentes físicos mutagénicos por excelencia son
las radiaciones, que se dividen en ionizantes y no ionizantes.
Radiaciones ionizantes. Son radiaciones de longitud de onda muy corta y, por
tanto, muy energéticas, que provocan la ionización de los átomos de las
sustancias que atraviesan. Entre estas radiaciones se encuentran los rayos X y
g, así como las partículas α y b y los neutrones emitidos en procesos
radiactivos.Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos son
de tres tipos:
• Fisiológicos. Pueden producir cambios enzimáticos que se traducen en
modificaciones metabólicas.
• Citogenéticos. Comportan alteraciones en la estructura de los
cromosomas, como deleciones y translocaciones.
• Genéticos. Son producidos por ionizaciones directas del ADN o a través de
otros iones que, a su vez, provocan nuevas ionizaciones y la aparición de
radicales libres muy reactivos. Éstos originan cambios químicos en el ADN
que se traducen en mutaciones génicas, como la rotura de los enlaces
nucleotídicos, la rotura y pérdida de bases nitrogenadas y la aparición de
formas tautoméricas.
AGENTES MUTAGENICOS FISICOS:

Radiaciones no ionizantes. Son, fundamentalmente, las radiaciones ultravioleta
(UV). A diferencia de las anteriores, no producen ionizaciones. Su acción primaria
consiste en provocar el paso de electrones a niveles energéticos más altos, lo cual
puede dar lugar a formas tautoméricas y dímeros de timina.
• La luz UV une de forma covalente
dos residuos de timina adyacentes en
una hebra cadena de DNA, formando
ciclobutano.
• Los dímeros de timina producen una
distorsión local del DNA.
• Con menos frecuencia se pueden
formar otros dímeros de pirimidinas
T-T > T-C, C-T > C-C

Agentes mutagénicos químicos :
Numerosas sustancias tienen acción mutagénica (hidrocarburos policíclicos,
aminas aromáticas, agentes alquilantes, colorantes industriales, pesticidas,
etc.). A diferencia de las radiaciones, sus efectos, entre los que se pueden
destacar los siguientes, suelen ser más retardados:
• Modificaciones de las bases nitrogenadas. Comprenden las reacciones de
desaminación, alquilación e hidroxilación, que provocan emparejamientos
erróneos. Ejm. La desaminación de la adenina da lugar a la hipoxantina,
que se aparea con la citosina en lugar de la timina; la guanina se
transforma por alquilación en 6-O-metilguanina, que se aparea con timina
en lugar de citosina.
• Sustituciones de bases. Están causadas por análogos de bases
nitrogenadas que provocan un emparejamiento erróneo durante la
replicación al cambiar una base por otra. Entre ellos se encuentran la 2-
aminopurina y el bromouracilo.
• Introducción de ciertas moléculas en la cadena polinucleotídica del
ADN. Estas inserciones provocan la aparición de un exceso de nucleótidos
en la hebra de nueva formación durante la replicación. De este modo, a
partir de ese punto los tripletes de bases se alteran y el mensaje genético
cambia.

Agentes mutagénicos biológicos
• Algunos agentes biológicos aumentan la frecuencia de la mutación
génica, Destacan entre ellos ciertos virus que pueden producir
cambios en la expresión de algunos genes (por ejemplo, los
retrovirus, los adenovirus o el virus de la hepatitis B humana, entre
otros) y los transposones. Estos últimos son segmentos móviles de
ADN que pueden cambiar de posición, trasladándose a otro lugar
distinto dentro del mismo cromosoma o incluso a otro cromosoma.
• Estos elementos móviles se han encontrado en todo tipo de
organismos (maíz, levaduras, insectos, bacterias, etc.) y pueden
originar mutaciones, ya que causan una activación o inactivación
génica no deseada al insertarse en los genes estructurales o en los
reguladores. Se cree además, que los virus mutagénicos podrían
realizar su acción al llevar en su genoma transposones tomados de
una célula previamente infectada que incorporarían a la nueva
célula parasitada, transposon intercalado en una secuencia génica
normal.

MUTACIONES GENICAS
• Las mutaciones génicas más comunes consisten en la sustitución de
un nucleótido por otro, en la pérdida (delección de uno o varios
nucleóticos o en la inserción (intercambio) de uno o varios
nucleótidos en la molécula de ADN.
• Cualquiera que sea el tipo de mutación, genera un cambio en la
información contenido en el gen y lleva a la producción de una
proteína distinta de la esperada o a su falta de producción.
• Como se sabe, el cambio de un nucleótido en un gen da lugar a un
codón diferente y en consecuencia, a la presencia en la proteína de
un aminoácido que no corresponden (salvo que el nuevo codón sea
sinónimo y por lo tanto, codifique al mismo aminoácido).
• Muchas veces el cambio de un solo aminoácido en una molécula
proteíca produce alteraciones sustanciales en sus funciones, ya que
al modificarse su estructura primaria se alternan también con sus
estructuras secundarias y terciarias.

CAUSAS DE MUTACIONES GENICAS
Considerando las mutaciones génicas como sentido estricto,
el estudio de las causas de estas, se puede considerar como el
estudio de las causas de las mutaciones. Los otros tipos de
mutaciones, se consideran más bien como alteraciones del
material genético.
Las mutaciones génicas pueden producirse por tres causas:
por:
• Errores de lectura durante la replicación del ADN, por
• Lesiones fortuitas, como, por ejemplo, la rotura del enlace
que une una base nitrogenada a la desoxirribosa, o por
• Transposiciones (cambios de posición) de ciertos
segmentos del gen.

1.- Errores de lectura. Los errores de lectura que pueden aparecer
durante la replicación del ADN pueden deberse a dos causas: a los
cambios tautoméricos y a los cambios de fase.
• a) Los cambios tautoméricos. Cada base nitrogenada puede
presentarse en dos formas diferentes denominadas formas
tautoméricas o tautómeros, una es la normal y la otra la rara.
Ambas formas están en equilibrio, y espontáneamente se pasa de
una a la otra, lo que se denomina cambio tautomérico. Esto, si
sucede durante la replicación, implica mutaciones, ya que cambia la
base complementaria en la nueva hebra de ADN. Por ejemplo, la
forma normal de la G se complementa con la C, mientras que la
forma rara de G, es decir, su forma tautomérica, lo hace con la T.
• b) Los cambios de fase. Son deslizamientos de la hebra que se está
formando sobre la hebra molde, de forma que quedan bucles al
volverse a emparejar. El crecimiento sigue y la diferencia queda
fijada, originándose así la mutación.

En la conformación normal del ADN la guanina y la
timina se encuentran en forma ceto (C=O) y pueden
cambiar a la forma enol (COH), lo que se conoce
como cambio tautomérico. Por su parte, la adenina
y la citosina se presentan normalmente en forma
amino (NH2) pero pueden tautomerizarse a formas
imino (NH)

2. Lesiones fortuitas. Las lesiones fortuitas son alteraciones
de la estructura de uno o de varios nucleótidos, que aparecen
de forma natural. Las más frecuentes son:
• a) Despurinización. Pérdida de purinas por rotura del
enlace entre éstas y las desoxirribosas. Se producen a razón
de unas 5.000 a 10.000 por día, en cada célula humana.
• b) Desaminación. Pérdida de grupos amino en las bases
nitrogenadas, que entonces se emparejan con una distinta
de la normal. Se producen unas 100 por genoma y día.
• c) Dímero de timina. Enlace entre dos timinas contiguas.
Generalmente provocado por los rayos ultravioleta de la
radiación solar.

Despurinación y Desaminación
Sitio apurínico
Sitio apurínico1. Perdida de bases
2. Cambio de bases
DESPIRIMIDIZACIÓN

Desaminación de
bases
adenina hipoxantina
guanina xantina
citosina uracilo
timina
no hay desaminación
5-metil citosina timina
(menos frecuentes)
A  Hipoxantina
G  Xantina

3. Transposiciones. Son cambios de lugar
espontáneos de determinados segmentos de ADN,
los denominados elementos genéticos
transponibles. Éstos pueden ser menores que un
gen (como las llamadas secuencias de inserción), un
gen, o un grupo de genes (como los denominados
transposones). Las transposiciones pueden producir
mutaciones génicas si el elemento genético
transpuesto se sitúa dentro de un gen, o
mutaciones cromosómicas si pasa a un lugar donde
no hay un gen, ya sea dentro del mismo
cromosoma o incluso a otro cromosoma.

Rotura de Enlaces Fosfodiester:
Cortes en las cadenas polinucleótidas

Entrecruzamientos: Unión covalente de ambas
cadenas

Modificacion Quimica de Bases:
Metilación

Alquilación de bases
 Agentes alquilantes
Puede aparearse con C o T,
produciendo transversiones
 La alquilación de la posición N7 de un nucleótido de purina, hace que su
enlace glucosídico sea susceptible a la hidrólisis y lleve a la pérdida de la
base: despurinación

Oxidación de bases
 El metabolismo celular expone el DNA a los efectos perjudiciales de las
especies reactivas de oxígeno (ROS: O2
-., HO., H2O2), subproductos naturales
del metabolismo oxidativo.
 Se conocen más de 100 modificaciones oxidativas diferentes en el DNA.
p. Ej.: G puede oxidarse a 8-oxoguanina
 oxoG puede aparearse con C o con A.
 Si oxoG se con A se produce
una TRANSVERSIÓN.
TRANSVERSIÓN: mutación
puntual producida por la
sustitución de una purina por una
pirimidina o al revés.
G  C  T =ABlga. Olga L. Cjuno H.

EFECTOS SOBRE EL ADN
METILACIONES

REPARACION DEL ADN
Gran N° de lesiones es detectado y
reparado por el
sistema de reparación del ADN
Lo que no se puede reparar
Errores en la replicación
Si permanecen estos errores
Cambios de errores permantes de la
información genética
“mutación”

REPARACION DEL ADN

SISTEMAS DE REPARACION DEL ADN
• Para cada alteración del ADN existe un mecanismo de
reparación particular, dirigido por un conjunto de
enzimas específicas.
• En la mayoría de los casos se basan en la información
genética complementaria existente entre las dos
cadenas de ADN, de modo que si una de ellas sufre
alguna alteración (mutación), puede ser reparada a
partir de información normal contenida en la otra
cadena.
• Asi mismo los mecanismos reparadores de errores
también pueden fallar de allí la aparición de una
mutación génica.

SISTEMAS DE REPARACION DEL ADN
• Por reparación y reversion directa:
• R. de apareamiento incorrectos.
• R. por eliminación de bases alternadas
• R. escisión de nucleótidos.
• R. por recombinación
• R. tendencia al error.

- Durante la replicación del ADN, para que un
nucleótido pueda ser agregado en el extremo 3´de
la cadena hija en crecimiento es imprescindible que
el nucleótido incorporado precedentemente sea el
adecuado, ya que si la ADN polimerasa inserta en
forma accidental el nucleótido incorrecto, percibe
el error y no agrega nuevos nucleótidos, la cual
detiene transitoriamente el crecimiento de la
cadena  el error es resuelto por la propia enzima
(propiedad de lectura de pruebas).
- Así la polimerasa retrocede e inserta el nucleótido
correcto y la sintesis de ADN progresa
normalmente.

Si se da el caso que falle la lectura de pruebas, se pone en marcha un
segundo sistema de reparación, que se cumple en tres pasos:
1. El o los nucleótidos erróneos son removidos por una nucleasa
reparadora, la misma que remueve a los cebadores en la síntesis
continua y discontínua del ADN, para lo cual la nucleasa corta las
uniones fosfodiester donde se ligan los nucleótidos correctos con
los incorrectos.
2. El espacio que queda vacio es llenado por nucleótidos adecuados
mediante una reacción conducida por el ADN polimerasa ᵦ. Y se
completa, cuando
3. El ADN ligasa conecta el extremo 3´del nuevo ADN con el extremo
5´del ADN cortado. Debe existir alguna señal que le permita a la
nucleasa reparadora distinguir en cual de las dos cadenas del ADN
se encuentran el nucleótido incorrecto.

• Fuera de la replicación, la aparición del uracilo en
lugar de citocina en el ADN, (x desaminaciones
espontáneas), desencadena en un mecanismo de
reparación distinto, que utiliza una ADN
glicosilasa específica, estas reconocen y cortan la
conexión química entre la base errónea y la
desoxiribosa ligada a ella y deja al nucleótido sin
su base.
• Igualmente las ADN glicosilasas específicas
remueve la hipoxantina (desaminación de
adenina).

• La desoxiribosa sin base o sitio AP (x
apurinización o apirimidización) es reconocida
y por lo tanto removida por las enzimas que
actuan en forma sucesiva.
• Los sitios AP apurinicos (x desaminaciones) se
producen al perderse alguna purina en forma
directa y son reconocidos y reparados por las
mismas enzimas correctoras de los sitios AP
surgidos las las desaminaciones.

• La mayor parte de las mutaciones inducidas
por agentes ambientales son reparadas por los
mismos mecanismo que utilizan en las
correciones de las mutaciones espontáneas.
• Los dímeros de timina generados, por la luz
UV son removidos por un sistema de enzimas
especiales que hidrolizan simultáneamente
dos uniones fosfodiester, una en cada lesión.

Biología Celular y Molecular 5ª ed., Lodish y col.

La replicación del material genético es esencial a la vida.
Asegura la continuidad de la información genéticadurante el crecimiento y la
reparación de tejidos.
Además de la continuidad de la información genética de padres e hijos, a
través de las generaciones y hace posible la continuidad de la vida.
Los errores en la replicación son el orígenes de las enférmedades hereditarias
y también son causas primarias de cáncer.
Durante la Etapa G1, del ciclo celular, la célula “chequea” sus condiciones
para dividirse, tales como el tamaño y el estado del ADN. Durante la etapa S,
tiene lugar la replicación del ADN. Luego, durante la etapa G2 la “maquinaria
se reparación” del ADN repara los errores que podrían haber ocurrido
durante la replicación. De esta manera, si durantes la replicación de han
acumulado suficientes errores, la etapa G2 se alarga, hasta que el ADN esté
en condiciones de continuar el ciclo celular.

CICLO CELULAR
Y REGULACION DE LA EXPRESION GENICA
En eucariotas , la sintesis de ADN se realiza en un momento preciso de su
cilo de vida, en las bacterias es continua.
La proliferación y la progresión del ciclo celular están funcionalmente
ligadas a los genes asociados con el control del crecimiento celular e
incluyen señales positivas y negativas que regulan el crecimiento como se
puede ver en varios casos como:
• Ciclo de la mitosis y meiosis para la generación de células somaticas y
gamentos.
• Estimulación de células quiescentes para la proliferación de sitios de
cicatrización.
• Salida del ciclo celular para que una célula prolifere a diferenciación.

El destino de la célula esta programado por su programa genético y por las
condiciones ambientales

Puntos de Control en el Ciclo celular que aseguren el ciclo celular
S-M: daño de ADN en la
replicacion
Daño del ADN
Factores de crecimiento, tamaño celular,
verifica la capacidad de la célula para la
replicación

PROTEINAS IMPLICADAS EN EL CICLO CELULAR: Cdk y Ciclinas.
A nivel molecular el ciclo celular está regulado por actividades fluctuantes,
parciales o temporales de complejos proteicos como las Ciclinas o las cinasas
dependientes de las ciclinas (Cdk).
La división de celulas varian según el
tipo celular:
- Algunas celulas se dividen durante
toda la vida (cels. Madre que
producen sangre).
- Otras se dividen para reparar la
lesión (cels. De la piel).
- Otras no se dividen nunca (neuronas,
miofibrillas musculares, bloqueado
en Go.

Cinasas dependientes de la ciclinas (Cdk): constitiyen una nueva clase de cinasas,
son activas si se unen a ciclinas, las cinasas fosforilan ciertas Ser/Ther (profase 1)
Ciclinas: A y B, primeras descubiertas, se sintetizan constantemente en interfase
y despues son degradas bruscamente por enzimas proteolíticas al final de cada
mitosis. Existen diferentes ciclinas: A, B, D1, D2, D3, E, G, etc. Se asocian a
distintas Cdk durante las sucesivas fases del ciclo para formar complejos
enzimáticamente activos.

PUNTOS DE CONTROL CRUCIALES EN EL CICLO CELULAR:
Transicion G1-S: Punto sin retorno o punto R de restriccion: Una franqueado
la celula entre de manera irreversible en la fase S, aun tendrá dos
posibilidades: división o suicidio (apoptosis).
Las Cdk2 y Cdk4, estan implicadas en G1.

Transicion G2-M: Interviene otro control en punto T de transición. La
proteina Cdk1 y la ciclina B se asocian y desempeñan papel esencial
para desencadenar la entrada en mitosis. Las enzimas (se fosforilan o
desfosforilan) según el caso.
La desfosforilación de la CdK1 desencadena la entrada en mitosis,
también provoca la fosforilación de una molecula que degradará la
ciclina.
La Cdk1 se inactiva al asociarse con la ciclina B. La mitosis termina en
interfase. Y el ciclo comienza de nuevo.

En el curso de la meiosis, se observa la sucesión de dos ciclos de división
particulares: en el segundo ciclo no hay Fase S. La célula pasará pues de 2n a n
Dos divisiones sucesivas sin fase S sucesivas sin fase M previa, conducirán a un
aumento de ploidia (número de copias de cromosomas en una célula) haploide:1,
diploide:2.
La fosfatas cdc-25 es inactiva al principio del ciclo se activa alcanzando cierto
nivel de ciclina B, la cdc-25 activa la Cdk1

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