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Desafío del diseño de replicación: corrección de pruebas
Cuando la célula comienza la tarea de replicar el ADN, lo hace en respuesta a señales ambientales que le dicen a la célula que es hora de dividirse. Esta es una tarea abrumadora si se considera que hay ~ 6.500.000.000 pares de bases en el genoma humano y ~ 4.500.000 pares de bases en el genoma de un genoma típico. E. coli cepa y que Nature ha determinado que las células deben replicarse en 24 horas y 20 minutos, respectivamente. En cualquier caso, es necesario que tengan lugar muchas reacciones bioquímicas individuales.
Si bien lo ideal es que la replicación se produzca con una fidelidad perfecta, la replicación del ADN, como todos los demás procesos bioquímicos, es imperfecta: se pueden omitir bases, se pueden agregar bases adicionales o se pueden agregar bases que no se emparejan adecuadamente. En muchos organismos, muchos de los errores que ocurren durante la replicación del ADN son rápidamente corregidos por la propia ADN polimerasa a través de un mecanismo conocido como corrección de pruebas. En corrección de pruebas, la ADN polimerasa "lee" cada base recién agregada al detectar la presencia o ausencia de pequeñas anomalías estructurales antes de agregar la siguiente base a la cadena en crecimiento. Al hacerlo, se puede hacer una corrección.
Si la polimerasa detecta que una base recién agregada se ha emparejado correctamente con la base en la hebra plantilla, se agrega el siguiente nucleótido. Sin embargo, si se agrega un nucleótido incorrecto al polímero en crecimiento, la doble hélice deformada hará que la ADN polimerasa se detenga y la hebra recién creada será expulsada del sitio de polimerización en la polimerasa y entrará en un sitio de exonucleasa. En este sitio, la ADN polimerasa puede escindir los últimos nucleótidos que se agregaron al polímero. Una vez que se hayan eliminado los nucleótidos incorrectos, se agregarán de nuevo otros nuevos. Esta capacidad de revisión viene con algunas compensaciones: el uso de una polimerasa de corrección de errores / más precisa requiere tiempo (la compensación es la velocidad de replicación) y energía (siempre un costo importante a considerar). Cuanto más lento vaya, más preciso podrá ser. Sin embargo, ir demasiado lento puede evitar que se repita tan rápido como su competencia, por lo que es clave encontrar el equilibrio.
Los errores que no se corrigen mediante la revisión se convierten en lo que se conoce como mutaciones.
Discusión sugerida
¿Por qué la replicación del ADN debería ser rápida? Considere el entorno en el que se encuentra el ADN y compárelo con la estructura del ADN mientras se replica.
Discusión sugerida
¿Cuáles son los pros y los contras de las capacidades de corrección de pruebas de la ADN polimerasa?
Errores de replicación y reparación del ADN
Aunque la replicación del ADN es típicamente un proceso muy preciso y la corrección de las ADN polimerasas ayuda a mantener baja la tasa de error, aún se producen errores. Además de los errores de replicación, también pueden producirse daños ambientales en el ADN. Tales errores de replicación no corregidos o daño ambiental del ADN pueden tener consecuencias graves. Por lo tanto, la naturaleza ha desarrollado varios mecanismos para reparar el ADN dañado o sintetizado incorrectamente.
Reparación de desajustes
Algunos errores no se corrigen durante la replicación, sino que se corrigen una vez finalizada la replicación; este tipo de reparación se conoce como reparación de desajustes. Enzimas específicas reconocen el nucleótido agregado incorrectamente y lo extirpan, reemplazándolo con la base correcta. Pero, ¿cómo reconocen las enzimas reparadoras de desajustes cuál de las dos bases es la incorrecta?
En E. coli, después de la replicación, la base nitrogenada adenina adquiere un grupo metilo; esto significa que directamente después de la replicación, la hebra de ADN parental tendrá grupos metilo, mientras que la hebra recién sintetizada carece de ellos. Por tanto, las enzimas reparadoras de errores de apareamiento son capaces de escanear el ADN y eliminar las bases incorrectamente incorporadas de la hebra no metilada recién sintetizada utilizando la hebra metilada como la plantilla "correcta" a partir de la cual incorporar un nuevo nucleótido. En eucariotas, el mecanismo no se comprende tan bien, pero se cree que implica el reconocimiento de mellas sin sellar en la nueva hebra, así como una asociación continua a corto plazo de algunas de las proteínas de replicación con la nueva hebra hija después de que se haya completado la replicación. terminado.
Figura 2. En la reparación de discrepancias, la base agregada incorrectamente se detecta después de la replicación. Las proteínas de reparación de errores detectan esta base y la eliminan de la cadena recién sintetizada mediante la acción de la nucleasa. El espacio ahora se llena con la base emparejada correctamente.
Reparación por escisión de nucleótidos
Reparación por escisión de nucleótidos las enzimas reemplazan las bases incorrectas haciendo un corte en los extremos 3 'y 5' de la base incorrecta. El segmento completo de ADN se elimina y se reemplaza con nucleótidos correctamente emparejados mediante la acción de una ADN polimerasa. Una vez que se rellenan las bases, el espacio restante se sella con un enlace fosfodiéster catalizado por la enzima ADN ligasa. Este mecanismo de reparación se emplea a menudo cuando la exposición a los rayos UV provoca la formación de dímeros de pirimidina.
Figura 3. La escisión de nucleótidos repara los dímeros de timina. Cuando se exponen a los rayos UV, las timinas que se encuentran una al lado de la otra pueden formar dímeros de timina. En las células normales, se extirpan y reemplazan.
Consecuencias de los errores en la replicación, transcripción y traducción
Algo clave para pensar:
Las células han desarrollado una variedad de formas para asegurarse de que los errores de ADN se detecten y se corrijan. Ya hemos comentado varios de ellos. Pero, ¿por qué evolucionaron tantos mecanismos diferentes? Desde la revisión de las distintas ADN polimerasas dependientes del ADN hasta los complejos sistemas de reparación. Tales mecanismos no evolucionaron por errores en la transcripción o traducción. Si está familiarizado con los procesos de transcripción y / o traducción, piense cuáles serían las consecuencias de un error en la transcripción. ¿Afectaría tal error a la descendencia? ¿Sería letal para la celda? ¿Qué pasa con los errores de traducción? Haga las mismas preguntas sobre el proceso de traducción. ¿Qué pasaría si el aminoácido incorrecto se coloca accidentalmente en el polipéptido en crecimiento durante la traducción? ¿Cómo contrastan estos con la replicación del ADN? Si no está familiarizado con la transcripción o la traducción, no se preocupe. Las aprenderemos pronto y volveremos a esta pregunta.
El flujo de información genética
En bacterias, arqueas y eucariotas, la función principal del ADN es almacenar información hereditaria que codifica el conjunto de instrucciones necesarias para crear el organismo en cuestión. Si bien hemos mejorado mucho en la lectura rápida de la composición química (la secuencia de nucleótidos en un genoma y algunas de las modificaciones químicas que se le hacen), todavía no sabemos cómo decodificar de manera confiable toda la información que contiene y todo de los mecanismos mediante los cuales se lee y, en última instancia, se expresa.
Sin embargo, existen algunos principios y mecanismos básicos asociados con la lectura y expresión del código genético cuyos pasos básicos se comprenden y que deben ser parte del conjunto de herramientas conceptuales para todos los biólogos. Dos de estos procesos son la transcripción y la traducción, que son la conversión de partes del código genético escrito en el ADN en moléculas del ARN polimérico relacionado y la lectura y codificación del código de ARN en proteínas, respectivamente.
En BIS2A, nos enfocamos principalmente en desarrollar una comprensión de los
procesode la transcripción (recuerde que una historia de energía es simplemente una rúbrica para describir un proceso) y su papel en la expresión de la información genética. Motivamos nuestra discusión sobre la transcripción enfocándonos en problemas funcionales (incorporando partes de nuestra rúbrica de desafío de diseño / resolución de problemas) que deben resolverse en el proceso que se llevará a cabo. Luego pasamos a describir cómo la naturaleza utiliza el proceso para crear una variedad de moléculas de ARN funcionales (que pueden tener varias funciones estructurales, catalíticas o reguladoras), incluidas las llamadas moléculas de ARN mensajero (ARNm) que transportan la información necesaria para sintetizar proteínas. . Asimismo, nos enfocamos en los desafíos y preguntas asociados con el proceso de traducción, el proceso por el cual los ribosomas sintetizan proteínas.
El flujo básico de información genética en los sistemas biológicos se describe a menudo en un esquema conocido como "el dogma central" (ver figura siguiente). Este esquema establece que la información codificada en el ADN fluye hacia el ARN a través de la transcripción y finalmente a las proteínas a través de la traducción. Procesos como la transcripción inversa (la creación de ADN a partir de una plantilla de ARN) y la replicación también representan mecanismos para propagar información en diferentes formas. Este esquema, sin embargo, no dice nada per se sobre cómo se codifica la información o sobre los mecanismos por los cuales las señales reguladoras se mueven entre las diversas capas de tipos de moléculas representadas en el modelo. Por lo tanto, si bien el esquema a continuación es una parte casi requerida del léxico de cualquier biólogo, quizás un remanente de la vieja tradición, los estudiantes también deben ser conscientes de que los mecanismos de flujo de información son más complejos (aprenderemos sobre algunos a medida que avanzamos, y que "el dogma central" sólo representa algunas vías centrales).
Genotipo a fenotipo
Un concepto importante en las siguientes secciones es la relación entre la información genética, la genotipo, y el resultado de expresarlo, el fenotipo. Estos dos términos y los mecanismos que los vinculan se discutirán repetidamente durante las próximas semanas; comience a dominar el uso de este vocabulario.
Figura 2. La información almacenada en el ADN está en la secuencia de los nucleótidos individuales cuando se lee en la dirección 5 'a 3'. La conversión de la información del ADN en ARN (un proceso llamado transcripción) produce la segunda forma que toma la información en la célula. El ARNm se utiliza como molde para la creación de la secuencia de aminoácidos de las proteínas (en traducción). Aquí, se muestran dos conjuntos de información diferentes. La secuencia de ADN es ligeramente diferente, lo que resulta en la producción de dos ARNm diferentes, seguidos de dos proteínas diferentes y, en última instancia, dos colores de pelaje diferentes para los ratones.
Genotipo se refiere a la información almacenada en el ADN del organismo, la secuencia de los nucleótidos y la recopilación de sus genes. Fenotipo se refiere a cualquier característica física que se pueda medir, como la altura, el peso, la cantidad de ATP producido, la capacidad de metabolizar la lactosa, la respuesta a los estímulos ambientales, etc. Las diferencias en el genotipo, incluso leves, pueden dar lugar a diferentes fenotipos que están sujetos a selección. La figura de arriba muestra esta idea. También tenga en cuenta que, si bien las discusiones clásicas sobre las relaciones de genotipo y fenotipo se tratan en el contexto de los organismos multicelulares, esta nomenclatura y los conceptos subyacentes se aplican a todos los organismos, incluso a los organismos unicelulares como las bacterias y las arqueas.
Nota: posible discusión
¿Puede considerarse un fenotipo algo que no se puede ver "a simple vista"?
Nota: posible discusión
¿Pueden los organismos unicelulares tener múltiples fenotipos simultáneos? Si es así, ¿puede proponer un ejemplo? Si no es así, ¿por qué?
Genes
¿Qué es un gen? A gene es un segmento de ADN en el genoma de un organismo que codifica un ARN funcional (como ARNr, ARNt, etc.) o un producto proteico (enzimas, tubulina, etc.). Un gen genérico contiene elementos que codifican regiones reguladoras y una región que codifica una unidad transcrita.
Los genes pueden adquirir mutaciones—Definido como cambios en la composición yo secuencia de los nucleótidos — ya sea en las regiones codificantes o reguladoras. Estas mutaciones pueden conducir a varios resultados posibles: (1) como resultado, no ocurre nada mensurable; (2) el gen ya no se expresa; o (3) la expresión o el comportamiento de los productos génicos son diferentes. En una población de organismos que comparten el mismo gen, las diferentes variantes del gen se conocen como alelos. Diferentes alelos pueden dar lugar a diferencias en los fenotipos de los individuos y contribuir a la diversidad de la biología que se encuentra bajo presión selectiva.
Empiece a aprender estos términos de vocabulario y conceptos asociados. Entonces se familiarizará un poco con ellos cuando comencemos a profundizar en ellos con más detalle en las próximas conferencias.
Alargamiento
La transcripción siempre procede del hebra de plantilla, una de las dos hebras del ADN de doble hebra. El producto de ARN es complementario a la hebra molde y es casi idéntico a la hebra sin plantilla, llamada hebra de codificación, con la excepción de que el ARN contiene un uracilo (U) en lugar de la timina (T) que se encuentra en el ADN. Durante el alargamiento, una enzima llamada Polimerasa de ARN avanza a lo largo de la plantilla de ADN, agregando nucleótidos mediante el apareamiento de bases con la plantilla de ADN de una manera similar a la replicación del ADN, con la diferencia de que una hebra de ARN que se sintetiza no permanece unida a la plantilla de ADN. A medida que avanza el alargamiento, el ADN se desenrolla continuamente por delante de la enzima central y se rebobina detrás de ella. Tenga en cuenta que la dirección de la síntesis es idéntica a la de la síntesis en el ADN: 5 'a 3'.
Figura 4. Durante el alargamiento, la ARN polimerasa rastrea a lo largo de la plantilla de ADN, sintetizando ARNm en la dirección 5 'a 3', desenrollando y luego rebobinando el ADN a medida que se lee.
Nota: posible discusión
Compare y contraste la historia de la energía para la adición de un nucleótido en la replicación del ADN con la adición de un nucleótido en la transcripción.
Elongación bacteriana frente a eucariota
En las bacterias, el alargamiento comienza con la liberación del σ subunidad de la polimerasa. La disociación de σ permite que la enzima central avance a lo largo de la plantilla de ADN, sintetizando ARNm en la dirección 5 'a 3' a una velocidad de aproximadamente 40 nucleótidos por segundo. El emparejamiento de bases entre el ADN y el ARN no es lo suficientemente estable como para mantener la estabilidad de los componentes de síntesis del ARNm. En cambio, la ARN polimerasa actúa como un enlazador estable entre la plantilla de ADN y las cadenas de ARN nacientes para garantizar que el alargamiento no se interrumpa prematuramente.
En eucariotas, después de la formación del complejo de preiniciación, la polimerasa se libera de los otros factores de transcripción y se permite que el alargamiento proceda como lo hace en procariotas con la polimerasa sintetizando pre-ARNm en la dirección 5 'a 3'. Como se discutió anteriormente, la ARN polimerasa II transcribe la mayor parte de los genes eucariotas, por lo que esta sección se centrará en cómo esta polimerasa logra la elongación y la terminación.
Terminación
En bacterias
Una vez que se transcribe un gen, es necesario instruir a la polimerasa bacteriana para que se disocie de la plantilla de ADN y libere el ARNm recién creado. Dependiendo del gen que se transcribe, existen dos tipos de señales de terminación. Uno está basado en proteínas y el otro está basado en ARN. Terminación dependiente de Rho está controlada por la proteína rho, que sigue detrás de la polimerasa en la cadena de ARNm en crecimiento. Cerca del final del gen, la polimerasa encuentra una serie de nucleótidos G en la plantilla de ADN y se detiene. Como resultado, la proteína rho choca con la polimerasa. La interacción con rho libera el ARNm de la burbuja de transcripción.
Terminación independiente de Rho está controlado por secuencias específicas en la hebra de la plantilla de ADN. A medida que la polimerasa se acerca al final del gen que se transcribe, encuentra una región rica en nucleótidos CG. El ARNm se pliega sobre sí mismo y los nucleótidos CG complementarios se unen. El resultado es un estable horquilla que hace que la polimerasa se detenga tan pronto como comienza a transcribir una región rica en nucleótidos AT. La región UA complementaria del transcrito de ARNm forma solo una interacción débil con el ADN molde. Esto, junto con la polimerasa estancada, induce suficiente inestabilidad para que la enzima central se separe y libere la nueva transcripción de ARNm.
En eucariotas
La terminación de la transcripción es diferente para las diferentes polimerasas. A diferencia de los procariotas, el alargamiento por la ARN polimerasa II en eucariotas tiene lugar entre 1000 y 2000 nucleótidos más allá del final del gen que se transcribe. Esta cola de pre-ARNm se elimina posteriormente mediante escisión durante el procesamiento del ARNm. Por otro lado, las ARN polimerasas I y III requieren señales de terminación. Los genes transcritos por la ARN polimerasa I contienen una secuencia específica de 18 nucleótidos que es reconocida por una proteína de terminación. El proceso de terminación en la ARN polimerasa III implica una horquilla de ARNm similar a la terminación de la transcripción independiente de rho en procariotas.
En arqueas
La terminación de la transcripción en las arqueas está mucho menos estudiada que en los otros dos dominios de la vida y todavía no se comprende bien. Si bien es probable que los detalles funcionales se asemejen a los mecanismos que se han visto en los otros dominios de la vida, los detalles están más allá del alcance de este curso.
Ubicación celular
En bacterias y arqueas
En bacterias y arqueas, la transcripción ocurre en el citoplasma, donde se encuentra el ADN. Debido a que la ubicación del ADN y, por lo tanto, el proceso de transcripción, no están físicamente segregados del resto de la célula, la traducción a menudo comienza antes de que finalice la transcripción. Esto significa que el ARNm en bacterias y arqueas se usa como molde para una proteína antes de que se produzca el ARNm completo. La falta de segregación espacial también significa que hay muy poca segregación temporal para estos procesos. La Figura 6 muestra los procesos de transcripción y traducción que ocurren simultáneamente.
En eucariotas ...
En eucariotas, el proceso de transcripción se segrega físicamente del resto de la célula, secuestrado dentro del núcleo. Esto da como resultado dos cosas: el ARNm se completa antes de que pueda comenzar la traducción, y hay tiempo para "ajustar" o "editar" el ARNm antes de que comience la traducción. La separación física de estos procesos les da a los eucariotas la oportunidad de alterar el ARNm de tal manera que extienda la vida útil del ARNm o incluso altere el producto proteico que se producirá a partir del ARNm.
Procesamiento de ARNm
5 'G-cap y 3' poly-A tail
Cuando se transcribe un gen eucariota, la transcripción primaria se procesa en el núcleo de varias formas. Los ARNm eucariotas se modifican en el extremo 3 'mediante la adición de una cola poli-A. Esta serie de residuos A se agrega mediante una enzima que no utiliza ADN genómico como plantilla. Además, los ARNm tienen una modificación química del extremo 5 ', denominada tapa 5'. Los datos sugieren que estas modificaciones ayudan tanto a aumentar la vida útil del ARNm (previenen su degradación prematura en el citoplasma) como a ayudar al ARNm a iniciar la traducción.
Splicing alternativo
El empalme se produce en la mayoría de los ARNm eucariotas en los que los intrones se eliminan de la secuencia del ARNm y los exones se ligan entre sí. Esto puede crear un ARNm mucho más corto que el que se transcribió inicialmente. El empalme permite que las células se mezclen y combinen qué exones se incorporan al producto de ARNm final. Como se muestra en la figura siguiente, esto puede llevar a que un solo gen codifique múltiples proteínas.
