INSTITUTO
TECNOLOGICO
DE
CIUDAD
ALTAMIRANO
“BIOLOGIA
MOLECULAR”
PRESENTA
MARICRUZ
HERRERA MAYA
PROFESOR
FRANCISCO
JAVIER PUCHE ACOSTA
SEMESTRE:
VI GRUPO: “A”
UNIDAD V
"REPARACION DEL MATERIAL GENETICO"
INTRODUCCION
En
esta unidad conoceremos los diferentes daños en el ADN que pueden ser reparados
para mantener la integridad de
la información genética, así
como también la importancia
biológica de la reparación del
ADN para poder encontrar múltiples mecanismos de reparación.
Estos sistemas incluyen enzimas que simplemente revierten la modificación
química, así como complejos enzimáticos más complicados que dependen de la
redundancia de la información en la molécula de ADN duplex para reparar a la molécula
OBJETIVOS
* Se conocerá la definición sobre la palabra de mutación, así como también
el papel que desempeña en la biología molecular.
* Relacionar las diferentes
mutaciones con los defectos que presentan en la organización del genoma.
* Conocer los diferentes
mecanismos que existen para la reparación molecular del material genético.
5.1 CLASIFICACION DE LOS TIPOS DE LESIONES
AL ADN
DESPURINIZACIÓN: Rotura del enlace glucosídico entre la base
nitrogenada y el azúcar al que está unida con pérdida de una Adenina (A) o de
una Guanina (G). Como consecuencia aparecen sedes Apurínicas. Existe un sistema
de reparación de este tipo de lesiones en el ADN. Este tipo de lesión es la más
recurrente o frecuente: se estima que se produce una pérdida de 10.000 cada 20
horas a 37ºC.
DESAMINACIÓN: Consiste en la pérdida de grupos amino. La Citosina
(C) por desaminación se convierte en Uracilo (U) y el Uracilo empareja con
Adenina (A) produciéndose transiciones: GC→AT. El Uracilo (U) no forma parte
del ADN, existiéndo un enzima llamada glucosidasa de uracilo
encargada de detectar la presencia de U en el ADN y retirarlo. Al retirar el
Uracilo (U) se produce una sede apirimidínica. La 5-Metil-Citosina (5-Me-C) por
desaminación se convierte en Timina (T). La Timina (T) es una base normal en el
ADN y no se retira, por tanto estos errores no se reparan. Este tipo de mutación
también genera transiciones.
DAÑOS OXIDATIVOS EN EL ADN: El metabolismo aeróbico produce
radicales superoxido O2, peróxido de hidrógeno H2O2
e hidroxilo. Estos radicales producen daños en el ADN, y una de las principales
alteraciones que originan es la transformación de la Guanina (G) en
8-oxo-7,8-dihidro-desoxiguanina que aparea con la Adenina (A). La
8-oxo-7,8-dihidro-desoxiguanina recibe el nombre abreviado de 8-oxo-G. Esta
alteración del ADN produce transversiones: GC→TA. La Timidina se convierte en Glicol
de timidina.
Desaminación
de Citosina
Daños
oxidativos en el ADN 
Desaminación 5-Metilcitosina
Recombinación: Se redistribuyen reorganizan dos moléculas de DNA
Reparación: Corrige aquellos errores introducidos en la secuencia del DNA tras la replicación Restricción: Mediante actividades metilasa y endonucleasa se protege el DNA propio del foráneo. Transposición: Es un tipo especial de recombinación con el que se consigue cambiar de posición un DNA, o sea, reorganizarlo, y en otras lo que hace es amplificarlo. |
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5.1.1 LESIONES ESPONTANEAS
Las
mutaciones pueden ser espontáneas mediante varios mecanismos diferentes,
incluyendo errores de replicación del DNA y lesiones fortuitas de éste; o
mediante mutágenos. Los mutágenos son agentes que aumentan la frecuencia de
mutagénesis, generalmente alterando el DNA y en este caso son inducidas.
Transiciones
Todos los
emparejamientos erróneos anteriores producen mutaciones por transición, en las
que una purina es sustituida por otra purina y una pirimidina es sustituida por
otra pirimidina.
TRANSVERSIONES
TRANSVERSIONES
No pueden
realizarse por emparejamientos erróneos como los debidos a cambios
tautoméricos.
Pero sí
pueden realizarse si una base sufre un cambio tautomérico mientras que la otra
base rota sobre su enlace glucosídico y quedan enfrentadas sus cargas.
DESAMINACIÓN
Es una de
las más frecuentes debido a la inestabilidad química, afectando gravemente a la
replicación del ADN provocando transiciones. En este caso la base se modifica
antes de la replicación debido a los radicales que provoca el metabolismo.
La desaminación
de citosina produce uracilo, así los resíduos de uracilo que no sean reparados
se emparejarán con adenina durante la replicación produciendo la conversión de
un par GC en uno AT, se produce una transición.
CAMBIOS DE FASE
Estas
mutaciones pueden ser inserciones o deleciones.
Las
inserciones se producen por un deslizamiento o "resbalón" de la
cadena sintetizada con lo que se forma un lazo de varios pares de bases. En la
siguiente ronda de replicación se añadirán tantas bases como comprenda el lazo
ya que cuando se produce el "resbalón" sigue replicándose por donde
se quedó antes del "resbalón".
Las
deleciones se producen por un deslizamiento o "resbalón" de la cadena
molde, como las que hay que copiar no se pueden no se añaden a la caden hija.
DESPURINIZACIÓN
El ADN
pierde de alguna manera alguna de sus bases y si hay un hueco la reparación
introduce una base.
La
frecuencia de las mutaciones espontáneas es generalmente baja.
5.1.2 LESIONES INDUCIDAS
Las mutaciones pueden ser inducidas al exponer
los organismos (o las células) a una variedad de tratamientos. Algunos de los
más comunes son:
La radiación- Uno de los primeros
mutagénicos conocidos, la radiación es un inductor fuerte de mutaciones. Diferentes
tipos de radiación causan diferentes tipos de cambios genéticos. La
radiación ultravioleta (UV) causa mutaciones en punto. Los rayos X pueden
causar rompimientos en la doble hélice del ADN y así conllevar a
translocaciones, inversiones y otros tipos de daños cromosomales. La exposición
a los rayos UV bajo el sol han sido relacionados con el cáncer de la piel.
Sin embargo, las propiedades dañinas al ADN de la radiación han sido usados
para varios tipos diferentes de tratamientos para el cáncer a base de la
radiación.
Químicos mutagénicos- Se conocen de varios químicos que
causan mutaciones. Estos químicos causan sus efectos al unirse con el ADN o
los componentes básicos del ADN e interferir con los procesos
de replicación o transcripción. Algunos ejemplos de estos mutagénicos
fuertes son benzo(a)pireno, un químico que se encuentra en el humo del cigarro,
y la aflatoxina, un mutagénico casi siempre encontrado en productos agrícolas
que no han sido almacenados adecuadamente.Inflamación crónica- La inflamación crónica puede causar daño al ADN por medio de la producción de químicos mutagénicos por las células del sistema inmune. Un ejemplo sería la inflamación a largo plazo causado por una infección con el virus de la hepatitis.
Radicales de oxígeno- Durante la captura de la energía de los alimentos, que ocurre en las mitocondrias los químicos que se generan pueden ser muy reactivos y capaces de dañar las membranas celulares y el ADN en sí. Estos intermediarios reactivos del oxígeno también pueden ser generados por la exposición de las células a la radiación, como se ilustra debajo.
5.1.2.1 FIJACION DE LA (LESION
MUTACION)
Una mutación es una alteración o cambio en la información
genética de un ser vivo y que por lo tanto le va a producir un cambio de
una o varias características que se presenta súbita y espontáneamente y que se
puede transmitir o heredar, o no, a la descendencia. La unidad genética capaz
de mutar es el gen que es la unidad de información hereditaria que forma
parte del ADN. En los seres multicelulares, las mutaciones sólo pueden ser heredadas
cuando afectan a la
Mutación somática:
Afecta a las células somáticas del individuo, por lo tanto ocurre en tejidos somáticos. Si esta ocurre en tejido en desarrollo crea una población de células mutantes, con lo que a menudo se expresa fenotipicamente como un sector mutante.
Afecta a las células somáticas del individuo, por lo tanto ocurre en tejidos somáticos. Si esta ocurre en tejido en desarrollo crea una población de células mutantes, con lo que a menudo se expresa fenotipicamente como un sector mutante.
Mutación
germinal:
Es aquella
que ocurre en tejidos germinales, específicamente en gametos (células
sexuales). Si estas células participan en la fecundación, la mutación se
trasmitirá a la siguiente generación. Son las
que afectan a las células productoras de gametos apareciendo, de este modo, gametos con
mutaciones. Estas mutaciones se transmiten a la siguiente generación y tienen
una mayor importancia desde el punto de vista evolutivo.
La mayoría
de las mutaciones genéticas son perjudiciales para el organismo que las porta.
Una modificación aleatoria es más fácil que deteriore y que no mejore la
función de un sistema complejo como el de una proteína. Por esta razón, en
cualquier momento, el número de sujetos que portan un gen mutante determinado
se debe a dos fuerzas opuestas: la tendencia a aumentar debido a la propagación
de individuos mutantes nuevos en una población, y la tendencia a disminuir
debido a que los individuos mutantes no sobreviven o se reproducen menos que
sus semejantes..
5.1.2.2 AGENTES MUTAGENOS
También
conocidos como mutágenos, y su efecto es incrementar la tasa de las mutaciones.
Existen agentes mutagénicos físicos y químicos
Agentes Mutagénicos Físicos. Tanto los rayos X como las radiaciones ultravioleta (U.V.) se utlizan para inducir mutaciones. Los rayos X, un tipo de radiación ionizante, producen fracturas cromosómicas, lo que conduce a grandes rearreglos cromosomales ó mutaciones del tipo aberración cromosómica.
La luz U.V. es un tipo de radiación no ionizante, que induce mutaciones puntuales del tipo dímeros de pirimidinas. Así, 2 pirimidinas vecinas en una misma hebra formarán dímeros que son estructuras tipo ciclobutanos. La presencia de estos dímeros impiden que el DNA sea un templado adecuado para la replicación y transcripción. El sol es una fuente poderosa de luz U.V., pero una gran cantidad de esta radiación es eliminada al atravesar la capa de ozono en la atmósfera.
La célula tiene 2 mecanismos enzimáticos para reparar el daño causado por los dímeros de pirimidinas: reparación por fotoreparación y reparación por excisión. En la fotoreparación participa una enzima tipo fotoliasa que se activa en presencia de luz de longitud de onda entre 320 y 370 nm. En el mecanismo de reparación excisión participa una endonucleasa, luego la DNA pol. I con su actividad de exonucleasa, luego la DNA pol. I con su actividad de polimerasa y finalmente una DNA ligasa.
Agentes Mutagénicos Químicos. Muchos agentes químicos son capaces de modificar el DNA. Entre estos cabe destacar el ácido nitroso y la hidroxilamina.
Agentes Mutagénicos Físicos. Tanto los rayos X como las radiaciones ultravioleta (U.V.) se utlizan para inducir mutaciones. Los rayos X, un tipo de radiación ionizante, producen fracturas cromosómicas, lo que conduce a grandes rearreglos cromosomales ó mutaciones del tipo aberración cromosómica.
La luz U.V. es un tipo de radiación no ionizante, que induce mutaciones puntuales del tipo dímeros de pirimidinas. Así, 2 pirimidinas vecinas en una misma hebra formarán dímeros que son estructuras tipo ciclobutanos. La presencia de estos dímeros impiden que el DNA sea un templado adecuado para la replicación y transcripción. El sol es una fuente poderosa de luz U.V., pero una gran cantidad de esta radiación es eliminada al atravesar la capa de ozono en la atmósfera.
La célula tiene 2 mecanismos enzimáticos para reparar el daño causado por los dímeros de pirimidinas: reparación por fotoreparación y reparación por excisión. En la fotoreparación participa una enzima tipo fotoliasa que se activa en presencia de luz de longitud de onda entre 320 y 370 nm. En el mecanismo de reparación excisión participa una endonucleasa, luego la DNA pol. I con su actividad de exonucleasa, luego la DNA pol. I con su actividad de polimerasa y finalmente una DNA ligasa.
Agentes Mutagénicos Químicos. Muchos agentes químicos son capaces de modificar el DNA. Entre estos cabe destacar el ácido nitroso y la hidroxilamina.
5.1.4 QUIMICOS
A. Análogos de bases: Debido a su similitud estructural los análogos de bases como el 5-Bromouracilo o la 2-Aminopurina se incorporan en el DNA que se replica en lugar de las bases correspondientes timina y adenina. Cuando uno de estos análogos de bases se incorpora en el DNA, la replicación puede ocurrir normalmente aunque ocasionalmente, ocurren errores de lectura que resultan en la incorporación de bases erróneas en la copia de DNA.
La reparación del ADN es el conjunto
de procesos involucrados en la corrección del daño en el ADN. Los procesos
pueden ser pre-replicativos o post-replicativos. Los procesos de reparación del
ADN se pueden clasificar en:
• REPARACIÓN DIRECTA. Se reparan roturas del enlace fosfodiéster entre dos nucleótidos o daños por alquilación, frecuentemente por metilación. En la reparación de roturas interviene la ADN ligasa. Las alquiltransferasas reparan los daños por alquilación, transfiriendo el grupo alquilo, normalmente metilo, del ADN a su propia cadena polipeptídica. Un ejemplo de este tipo d enzima es la O6-metilguanina-ADN metiltransferasa (MGMT) HUMANA.
• REPARACIÓN POR ESCISIÓN DE BASES. Se elimina el nucleótido con la base mutada y se introduce el nucleótido correcto uniéndolo con los nucleótidos adyacentes. Este proceso repara daños por alquilación o por radiación ionizante. Esta reparación es compleja y en el proceso intervienen ADN glicosilasas específicas para cada una de las bases alteradas, AP endonucleasas (APE1 específica de humanos), fosfodiesterasas, la ADN polimerasa beta y la ADN ligasa.
* Reparación de los daños de la luz UV (Endonucleasa uvrABC): La Endonucleasa uvrABC es una escilnucleasa codificada por los genes uvrA, uvrB y uvrC que corta el ADN. La Helicasa II de ADN separa las dos hélices y retira 12 nucleótidos. La ADN polimerasa I rellena el hueco producido por la Helicasa II y la Ligasa sella los extremos.
CONCLUCIONES
A. Análogos de bases: Debido a su similitud estructural los análogos de bases como el 5-Bromouracilo o la 2-Aminopurina se incorporan en el DNA que se replica en lugar de las bases correspondientes timina y adenina. Cuando uno de estos análogos de bases se incorpora en el DNA, la replicación puede ocurrir normalmente aunque ocasionalmente, ocurren errores de lectura que resultan en la incorporación de bases erróneas en la copia de DNA.
B. Agentes que reaccionan con el DNA: Existen una serie de agentes químicos que reaccionan
directamente sobre el DNA que no se está replicando ocasionando cambios
químicos en las bases, lo que provoca un apareamiento incorrecto.
Acido nitroso
(HNO2). Deamina la adenina a hipoxantina y la citosina a uracilo.
Debido a las distintas propiedades de apareamiento de los productos de
deaminación, se producen transiciones.
Hidroxilamina (NH2OH).
Reacciona con la citosina donde el grupo amino es reemplazado por un grupo
hidroxilamino. Este derivado de la citosina se aparea con adenina produciéndose
transiciones GC ----> AT.
Agentes alquilantes.
Otro grupo de productos químicos que afectan al DNA que no se replica son los agentes
alquilantes, que incluyen el etil metano sulfonato (EMS), metil metano
sulfonato (MMS), dietil sulfato (DES), diepoxi butano (DEB),
N-metil-N-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG), N-metil-N-nitroso urea y gas mostaza.
La mutagénesis con agentes alquilantes se produce a través de varias vías ya
que originan la formación de un espectro completo de bases alquiladas en el DNA
lo que origina transiciones y delecciones.
El etil metano sulfonato (EMS) introduce un metilo en la guanina que ya no se aparea con la citosina provocando la transición GC ----> AT.
El N-metil-N-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG), cancerígeno, es uno de los mutágenos químicos más efectivos.
El etil metano sulfonato (EMS) introduce un metilo en la guanina que ya no se aparea con la citosina provocando la transición GC ----> AT.
El N-metil-N-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG), cancerígeno, es uno de los mutágenos químicos más efectivos.
Agentes intercalantes
Un grupo interesante de sustancias, acridinas y bromuro de
etidio, son moléculas planas que se insertan entre dos pares de bases
del DNA, separándolas entre sí. Durante la replicación, esta conformación
anormal puede conducir a microinserciones o microdelecciones en el DNA,
originando mutaciones por corrimiento de lectura.
2.- Radiaciones
2.- Radiaciones
A.
Luz ultravioleta: Uno de los agentes mutagénicos más
efectivos es la radiación ultravioleta de longitud de onda corta. La longitud
de onda efectiva para la mutagénesis está comprendida entre los 200 y 300 nm
con un óptimo a 254 nm que es la absorción máxima del DNA. La radiación a
longitudes de onda entre 300 y 400 nm tiene menos efectos letales y mutagénicos
que la luz UV de longitud de onda corta.
Los productos más importantes de la
acción de la luz UV son dímeros (timina-timina; timina-citosina; citosina-citosina)
que se forman entre pirimidinas (T, C) adyacentes, lo que incrementa
enormemente la probabilidad de que durante la replicación del DNA, la DNA
polimerasa inserte un nucleótido incorrecto en tal posición.
El sol es una fuente poderosa de luz UV, pero una gran cantidad de esta radiación es eliminada al atravesar la capa de ozono en la atmósfera.
El sol es una fuente poderosa de luz UV, pero una gran cantidad de esta radiación es eliminada al atravesar la capa de ozono en la atmósfera.
B. Radiación
ionizante. La radiación ionizante es una forma de
radiación más potente e incluye rayos de longitud de onda corta como los rayos
X, rayos cósmicos y rayos gamma. Esta radiación causa la ionización del agua y
de otras sustancias; produciéndose indirectamente efectos mutagénicos debido a
esta ionización. Entre las potentes especies químicas formadas por la radiación
ionizante se encuentran radicales libres, siendo el más importante el radical
hidroxilo (OH-). Los radicales libres reaccionan en la célula con
macromoléculas, como el DNA, y las inactivan produciendo rupturas que dan lugar
a cambios estructurales importantes como son las mutaciones cromosomales. A
bajas dosis de radiación ionizante sólo ocurren unos cuantos impactos sobre el
DNA, pero a mayores dosis ocurren impactos múltiples que conducen a la muerte
de la célula. Al contrario que la radiación UV, la radiación ionizante penetra fácilmente
el vidrio y otros materiales.
5.2 SISTEMAS DE REPARACIONLa reparación del ADN es el conjunto
de procesos involucrados en la corrección del daño en el ADN. Los procesos
pueden ser pre-replicativos o post-replicativos. Los procesos de reparación del
ADN se pueden clasificar en:• REPARACIÓN DIRECTA. Se reparan roturas del enlace fosfodiéster entre dos nucleótidos o daños por alquilación, frecuentemente por metilación. En la reparación de roturas interviene la ADN ligasa. Las alquiltransferasas reparan los daños por alquilación, transfiriendo el grupo alquilo, normalmente metilo, del ADN a su propia cadena polipeptídica. Un ejemplo de este tipo d enzima es la O6-metilguanina-ADN metiltransferasa (MGMT) HUMANA.
• REPARACIÓN POR ESCISIÓN DE BASES. Se elimina el nucleótido con la base mutada y se introduce el nucleótido correcto uniéndolo con los nucleótidos adyacentes. Este proceso repara daños por alquilación o por radiación ionizante. Esta reparación es compleja y en el proceso intervienen ADN glicosilasas específicas para cada una de las bases alteradas, AP endonucleasas (APE1 específica de humanos), fosfodiesterasas, la ADN polimerasa beta y la ADN ligasa.
• REPARACIÓN POR ESCISIÓN DE NUCLEÓTIDOS MODIFICADOS. Este proceso
repara el ADN que se encuentra distorsionado espacialmente debido a la
presencia de bases modificadas con grandes grupos químicos, dímeros de
pirimidina o uniones intracadena. Este tipo de daño suele producirse por
agentes químicos o por radiación ultravioleta. En este proceso de reparación
intervienen endonucleasas que cortan de 24 a 29 nucleótidos alrededor del o de
los nucleótidos mutados. Previamente se abre la doble cadena. Ocurre
normalmente acoplado a la transcripción, donde uno de los factores de
transcripción, con actividad helicasa, es el encargado de separar las dos
cadenas. Después actúa una ADN polimerasa y una ADN ligasa.
•
Reparación
del mal apareamiento de bases. En este caso las diferencias en la
metilación de una cadena con respecto a la otra sirven para detectar fallos de
replicación. Intervienen proteínas que cuando detectan cadenas hemimetiladas,
retiran el nucleótido incorrecto e introducen el correcto. Este tipo de proceso
de reparación del ADN puede ir acoplado a la replicación del ADN.
• REPARACIÓN POR RECOMBINACIÓN DE ROTURAS DE LA DOBLE CADENA. Entre las causas de estas roturas están las radiaciones ionizantes y algunos mutágenos químicos. La reparación de las roturas puede hacerse por unión de extremos no homólogos (NHEJ: Non-Homologous End Joining) o por recombinación homóloga en la que intervienen las mismas proteínas que en la recombinación genética.
•
Reparación
del mal apareamiento de bases. En este caso las diferencias en la
metilación de una cadena con respecto a la otra sirven para detectar fallos de
replicación. Intervienen proteínas que cuando detectan cadenas hemimetiladas,
retiran el nucleótido incorrecto e introducen el correcto. Este tipo de proceso
de reparación del ADN puede ir acoplado a la replicación del ADN. • REPARACIÓN POR RECOMBINACIÓN DE ROTURAS DE LA DOBLE CADENA. Entre las causas de estas roturas están las radiaciones ionizantes y algunos mutágenos químicos. La reparación de las roturas puede hacerse por unión de extremos no homólogos (NHEJ: Non-Homologous End Joining) o por recombinación homóloga en la que intervienen las mismas proteínas que en la recombinación genética.
* Reparación de los daños de la luz UV (Endonucleasa uvrABC): La Endonucleasa uvrABC es una escilnucleasa codificada por los genes uvrA, uvrB y uvrC que corta el ADN. La Helicasa II de ADN separa las dos hélices y retira 12 nucleótidos. La ADN polimerasa I rellena el hueco producido por la Helicasa II y la Ligasa sella los extremos.
Reparación AP: reparación de las sedes apurínicas o apirimidínicas.
La llevan a cabo las Endonucleasas AP de la clase I que cortan por el
extremo 3' y las de la clase II que cortan por el extremo 5'. Una exonucleasa
elimina una pequeña región que contiene entre dos y 4 nucleótidos, la ADN polimerasa
I rellena el hueco y la Ligasa sella los extremos.
El material genético está organizado de un manera distinta en los
organismos, ya que los organismos procariontes
solo presente un solo cromosoma en este
organismo el material genético se organiza a través de una proteína parecida
a la histona. Ya que en los
eucariontes solo se empaqueta de manera muy distinta. Y ya para que se pueda formar los cromosomas, el material
genético pasa por cuatro distintas fases
de enrollamiento, y es así que material
se enrolla sobre unas proteínas.
Es es asi que los daños que presenta el ADN pueden
ser reparados para mantener la integridad
de la información genética, la importancia biológica de la reparación del ADN es evidente al encontrar múltiples
mecanismos de reparación.
BIBLIOGRAFIA
Cooper, G.M. 2000. "The cell: a
molecular approach". 2nd Ed. Oxford University Press.
Dobzhansky, Th., Ayala, F.J., Stebbins, G.L. & Valentine, J.W. 1980. "Evolución". Ed.Omega, Barcelona.
Elliot, W.H. & Elliot, D.C. 1997. "Biochemistry and Molecular Biology". Oxford Univ. Press.
Falconer, D.S. 1990. "An introduction to Quantitative Genetics". 3ª Ed. Longman, London.
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Falconer, D.S. 1990. "An introduction to Quantitative Genetics". 3ª Ed. Longman, London.
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