GENÉTICA MOLECULAR

El ADN es el depositario de la información genética.

Historia

Los genes

Dogma Central de la Biología

Molecular

Evolución del concepto de gen

���� 1865. Los “factores hereditarios” de Mendel son los genes actuales ���� 1909. Johannsen define GEN a la unidad de transmisión genética. ���� 1948. Beadle y Tatum: hipótesis “un gen-un enzima”. Un fragmento de ADN o gen

lleva información para la síntesis de un enzima. ���� Actualmente: “un gen-una cadena polipeptídica”. ���� Definición actual de GEN: es un fragmento de ADN que lleva codificada la

información para la síntesis de una determinada cadena polipeptídica.

���� 1928. Griffith � sus experimentos con neumococos demuestran que una sustancia o “factor transformante” hacía patógenas a las bacterias inocuas.

���� 1944. Avery, McLeod y McCarty � el factor transformante podría ser el ADN ���� 1952. Hershey y Chase � demostraron en experimentos con fagos marcados que el

factor transformante es el ADN.

Diferencias de los genes de

procariotas y eucariotas

Genes de procariotas Genes de eucariotas Todo el ADN lleva información para sintetizar proteínas

Un 10% o menos lleva información para sintetizar proteínas

El gen codificador de cada proteína se compone de una secuencia continua de nucleótidos

Las secuencias codificadoras de los genes no son continuas. Un gen se compone de exones (secuencias codificadoras) e intrones (no codificadoras)

No repetitivo Casi la mitad del ADN es altamente repetitivo. Parece que le da estabilidad.

���� 1970. Francis Crack enuncia el Dogma Central de la Biología Molecular ���� Reúne las funciones del ADN y ARN ���� Comprende los procesos de replicación, trascripción, retrotranscripción y traducción.

Replicación ADN ARN-m ProteínasTranscripción Traducción

Retrotranscripción

ESQUEMA GENÉTICA

MOLECULAR. 2º BACH. BIOLOGÍA. I.E.S. MIGUEL DE

CERVANTES. MÓSTOLES.

CURSO 2008-09

REPLICACIÓN DEL ADN

¿Qué es? Es el proceso de autoduplicación del ADN por el cual, una molécula de ADN materno, da lugar a dos moléculas hijas identicas entre si y a la de ADN materno.

¿Para qué? Ocurre porque la información genética debe ser copiada y duplicada para que la reciban las células hijas en la división celular. ¿Dónde? Tiene lugar en el núcleo celular de las células eucariotas y en el citoplasma de las procariotas. ¿Cuándo? En la fase de síntesis (S) de la interfase del ciclo celular. ¿Cómo es? Semiconservativa (hipótesis de Watson y Crack, 1953, demostrada mediante el experimento de Messelson y Stahl, 1958). Dice que cada

una de las cadenas del ADN materno sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria. El resultado es que cada ADN hijo conserva una cadena original del ADN materno y la otra es de nueva síntesis.

1) Separación de las 2 cadenas complementarias, desenrollamiento y apertura de la doble hélice: ���� Con enzimas (helicasas, topoisomerasas, proteínas SSB) que rompen los puentes de H, separan y estabilizan las cadenas. ���� Comienza en los “orígenes de replicación” ���� El proceso de separación es bidireccional. ���� Se forman “burbujas de replicación” que se extienden formando “horquillas de replicación” en forma de Y.

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2) Síntesis de las nuevas cadenas de ADN: ���� Por el enzima ADN polimerasa, que tiene como funciones:

���� Leer la secuencia de las hebras molde en sentido 3’ ���� 5’. ���� Seleccionar el NTP (nucleótido trifosfato) complementario e hidrolizarlo en NMP (nucleótido monofosfato) y 2 PPi ���� Incorporar el NMP a la cadena hija en crecimiento mediante enlace fosfodiéster. La cadena nueva crece en sentido 5’ ���� 3’

���� El enzima ARN polimerasa sintetiza un fragmento de ARN (cebador o primer) y sobre él la ADN polimerasa alarga la cadena. ���� La síntesis es bidireccional y, en parte, discontinua: síntesis continua en la hebra conductora o líder y síntesis discontinua en la

hebra retardada que se forma a trozos según se va abriendo (fragmentos de Okazaki) y que se unen después por ligasas.

3) Corrección de errores: ���� Durante la replicación: la ADN polimerasa es autocorrectora, a medida que va colocando los nucleótidos va corrigiendo errores. ���� Corrección postrreplicativa: después de la replicación, un complejo multienzimático recorre la cadena recién formada, se

eliminan los nucleótidos mal emparejados, la ADN pol. regenera la secuencia correcta y un enzima ligasa une los extremos.

Célula procariota Diferencias en la replicación Célula eucariota Al estar menos replegado no es tan complejo el desempaquetamiento previo a la replicación.

Necesitan un desempaquetamiento previo por tener estructuras más complejas y mayor cantidad de ADN.

Poseen 3 ADN polimerasas distintas Más tipos de ADN polimerasas. Un solo punto de inicio u origen de replicación y 2 horquillas de replicación.

Muchos orígenes y horquillas de replicación para acelerar el proceso.

Fragmentos de Okazaki tienen de 1000 a 2000 nucleótidos. Fragmentos de Okazaki menores en extensión, de 100 a 200 nucleótidos.

Al ser el ADN circular no se produce acortamiento por no haber telómeros.

Al ser el ADN lineal se acorta el extremo de las hebras en cada ciclo al eliminarse el ARN cebador y el enzima telomerasa los completa.

REPLICACIÓN DEL ADN

¿Qué es? Es el proceso de autoduplicación del ADN por el cual, una molécula de ADN materno, da lugar a dos moléculas hijas identicas entre si y a la de ADN materno.

¿Para qué? Ocurre porque la información genética debe ser copiada y duplicada para que la reciban las células hijas en la división celular. ¿Dónde? Tiene lugar en el núcleo celular de las células eucariotas y en el citoplasma de las procariotas. ¿Cuándo? En la fase de síntesis (S) de la interfase del ciclo celular. ¿Cómo es? Semiconservativa (hipótesis de Watson y Crack, 1953, demostrada mediante el experimento de Messelson y Stahl, 1958). Dice que cada

una de las cadenas del ADN materno sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria. El resultado es que cada ADN hijo conserva una cadena original del ADN materno y la otra es de nueva síntesis.

1) Separación de las 2 cadenas complementarias, desenrollamiento y apertura de la doble hélice: ���� Con enzimas (helicasas, topoisomerasas, proteínas SSB) que rompen los puentes de H, separan y estabilizan las cadenas. ���� Comienza en los “orígenes de replicación” ���� El proceso de separación es bidireccional. ���� Se forman “burbujas de replicación” que se extienden formando “horquillas de replicación” en forma de Y.

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TRANSCRIPCIÓN

Es… el proceso de copia de la información genética de un fragmento de ADN o gen al ARN en sus distintos tipos.

El lugar de la célula… donde ocurre es el núcleo de las eucariotas y el citoplasma en procariotas.

Los elementos necesarios son… Nucleótidos trifosfato libres o NTP (ATP, GTP, UTP y CTP) Un fragmento de ADN como molde, ese gen lleva la información para la síntesis de una proteína. Enzimas: ARN polimerasas o transcriptasas de distintos tipos.

LAS ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN SON…

Separación de las dos cadenas de ADN, solo en la zona del gen a transcribir.

Transcripción propiamente dicha (solamente para el ARN mensajero)

Salida del ARNm al citoplasma a través de los poros nucleares para ser leído y que se lleve a cabo la traducción

INICIACIÓN

ELONGACIÓN O ALARGAMIENTO DE LA CADENA

TERMINACIÓN

� ARN pol reconoce y se une a una zona de ADN, el “promotor ” situado unos 30 nucleótidos antes del gen a transcribir.

� ARN pol comienza a deslizarse por la cadena de ADN y hace que se vaya desenrollando.

SPLICING: MADURACIÓN O PROCESAMIENTO

(solo ocurre en eucariotas)

� ARN pol lee el ADN en sentido 3’ ���� 5’ y la síntesis se realiza en sentido 5’ ���� 3’

� La síntesis es asimétrica, solo se transcribe una de las dos cadenas, no siempre la misma.

� ARN pol coloca los nucleótidos complementarios uniéndolos con enlace fosfodiéster

� La síntesis termina al llegar ARN pol a una zona del gen llamada región terminadora

� El nuevo ARN se libera y el ADN se enrolla de nuevo.

� Consiste en la eliminación de ciertas secuencias y modificación de los extremos 3’ y 5’

� Enzima “ribonucleasa pequeño nuclear” corta los intrones, los enrolla en lazos y se eliminan.

� Los exones o secuencias codificantes, se unen para dar la cadena de ARNm definitiva.

� En el extremo 3’ se añade una “cola” de poli-A y en el 5’ una “caperuza o cabeza” de un nucleótido especial (7 metil guanosina trifosfato)

TRANSCRIPCIÓN

Es… el proceso de copia de la información genética de un fragmento de ADN o gen al ARN en sus distintos tipos.

El lugar de la célula… donde ocurre es el núcleo de las eucariotas y el citoplasma en procariotas.

Los elementos necesarios son… Nucleótidos trifosfato libres o NTP (ATP, GTP, UTP y CTP) Un fragmento de ADN como molde, ese gen lleva la información para la síntesis de una proteína. Enzimas: ARN polimerasas o transcriptasas de distintos tipos.

LAS ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN SON…

Separación de las dos cadenas de ADN, solo en la zona del gen a transcribir.

Transcripción propiamente dicha (solo lo veremos para el ARN mensajero)

Salida del ARNm al citoplasma a través de los poros nucleares para ser leído y que se lleve a cabo la traducción

INICIACIÓN

ELONGACIÓN O ALARGAMIENTO DE LA CADENA

TERMINACIÓN

� ARN pol reconoce y se une a una zona de ADN, el “promotor ” situado unos 30 nucleótidos antes del gen a transcribir.

� ARN pol comienza a deslizarse por la cadena de ADN y hace que se vaya desenrollando.

Traducción es la formación de proteínas. Es el proceso por el cual la información genética contenida en el ARNm se traduce en proteínas.

� Tiene lugar en el citoplasma, en los polirribosomas o polisomas (ribosomas + ARNm) � La traducción a proteínas necesita un “diccionario”: la información transcrita en el ARNm está

codificada, hay que descifrarla y el “diccionario” es el CÓDIGO GENÉTICO .

CÓDIGO GENÉTICO

ES el “diccionario” que traduce la secuencia de bases nitrogenadas (o nucleótidos) en una secuencia concreta de a.a. de una proteína. El código genético más usual emplea codones: el mensaje genético original es la secuencia de bases del ADN y sus palabras se llaman codógenos. El mensaje copiado o transcrito es la secuencia de bases del ARNm; sus palabras se llaman codones. El descifrado del código genético lo inició el español Severo Ochoa en 1961. Las “palabras” o codones determinan el tipo y colocación de los a.a. en la cadena polipeptídica y la “frase” define una proteína.

ALGUNAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DEL CÓDIGO GENÉTICO…

� ES TRIPLE… cada a.a. está codificado por 3 bases (3 nucleótidos). VR 4,3 = 43 = 64

� LOS CODONES SON CONSECUTIVOS Y NO SOLAPANTES… se siguen unos a otros y no comparten bases nitrogenadas.

� SIN COMAS… la lectura de los tripletes se realiza de forma continua "sin comas" o sin que existan espacios en blanco.

� ES DEGENERADO… para cada a.a. existen en general más de un codón que lo codifica.

� HAY “CODONES SIN SENTIDO O DE TERMINACIÓN” (UGA, UAG, UAA) que finalizan la síntesis.

� El codón AUG es el “CODÓN MAYÚSCULA O DE INICIACIÓN” que codifica para el a.a. metionina.

� ES UNIVERSAL… en todos los organismos los mismos codones determinan los mismos a.a. Solo existen algunas excepciones en unos pocos tripletes en bacterias.

+

TRADUCCIÓN

Consiste en… la síntesis de las proteínas, según las ordenes del mensaje genético del ADN, para lo cual los a.a. deben situarse en el orden que viene definido por el tipo y la secuencia de los codones del ARNm. Papel de los diferentes tipos de ARN: El mensaje transcrito es leído por los ribosomas (ARNr) y los a.a. son transportados al lugar de síntesis por moléculas de ARNt y se van uniendo en el orden que indica el ARNm.

ETAPAS DE LA TRADUCCIÓN

1º) ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS: � Para cada uno de los 20 a.a. estructurales existe, al menos, un ARNt y un enzima específico. � El enzima y el a.a. más ATP forman un complejo y se libera pirofosfato (PPi) � El complejo se une a su ARNt específico quedando activado y se libera el enzima. � Al conjunto del a.a. y su ARNt se le llama complejo de transferencia.

a.a. + aminoacil-ARNt-sintetasa + ATP ���� a.a.-aminoacil-ARNt-sintetasa + AMP + PPi + ARNt ���� aminoacil-ARNt-sintetasa + aminoacil-ARNt (complejo de transferencia)

2º) TRADUCCIÓN PROPIAMENTE DICHA:

� Iniciación de la síntesis: el ARNm se une al ribosoma (1º a la subunidad menor y luego a la mayor) y va llamando a los complejos de transferencia en el orden de codones. El ARNm lee en sentido 5’ a 3’. El primer a.a. que se sitúa es la metionina, por ser el primer codón el AUG o codón de iniciación.

� Elongación de la cadena polipeptídica: entra un nuevo complejo de transferencia que se acopla al codón siguiente. Se forma el enlace peptídico entre la metionina y el nuevo a.a. sale del ribosoma el ARNt de la metionina y se produce la “1ª translocación ribosomal” (se desplaza un puesto-un codón- el ARNm, con lo que sale del ribosoma el primer codón AUG y entra un 3º. El 2º pasa a ocupar el lugar peptidil –P- y el 3º el lugar aminoacil -A-)

� Terminación de la síntesis: viene informada por el triplete sin sentido o codón de terminación UAA, UAG o UGA. Un mismo ARNm puede ser leído por varios ribosomas a la vez, constituyendo un polisoma. A medida que se sintetiza, la cadena adopta estructura secundaria y después terciaria.

3º) ASOCIACIÓN DE VARIAS CADENAS POLIPEPTÍDICAS Y A VECES DE GRUPOS PROSTÉTICOS: � Tras finalizar la traducción unas proteínas son

activas y otras no. � Unas necesitan eliminar algunos a.a. (en general se

separa el a.a. metionina), otras (los enzimas) se unen a iones, coenzimas o a otras cadenas polipeptídicas para poder ser funcionales.