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GENÉTICA MOLECULAR

Por: Ana Mª Salcedo Polo,

2017

Ana Salcedo Polo. Genética Molecular

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Genética molecular

La Genética, ciencia que surge como rama de la fisiología, se plantea dos cuestiones fundamentales:

¿Qué leyes rigen la herencia de los distintos caracteres? ¿Cuál es el soporte molecular de dicha herencia?

La primera pregunta fue contestada por Gregor Mendel, con sus estudios en guisantes y el enunciado de sus tres leyes sobre la transmisión de caracteres hereditarios, redescubiertas en 1900 por De Vries, Correns y Tschermark de forma independiente. La segunda pregunta, sin embargo, tardó casi 50 años en ser contestada.A principios del siglo XX, las proteínas eran las grandes candidatas a contener la información genética. Eran consideradas así por cumplir los requisitos esperables del material genético: ser estructuras muy estables, capaces de replicarse homogéneamente, repartirse y capaces de transmitirse de generación en generación. Sin embargo, tras numerosos experimentos se observó que la cantidad de material genético se conservaba mientras que las proteínas no.Tras múltiples estudios y las aportaciones de numerosos investigadores, se estableció que el material hereditario lo constituye el ADN o ácido desoxirribonucleico. Además, se descubrió que para que la información codificada en él pueda expresarse se requiere la existencia de otra molécula, el ARN o ácido ribonucleico. Ambas moléculas se denominan ÁCIDOS NUCLEICOS y están formadas por la repetición de unas unidades básicas denominadas NUCLEÓTIDOS.Un nucleótido está formado por 3 moléculas distintas: UNA PENTOSA, que puede ser la RIBOSA o la 2-DESOXIRRIBOSA, un ácido fosfórico y una base nitrogenada, que puede ser de tipo PÚRICO (Adenina o Guanina) o de tipo PIRIMIDÍNICO (Timina, citosina y uracilo) (Fig. 1)

Fig. 1.


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Más información:

Existen 3 grandes diferencias BÁSICAS entre las moléculas de ADN y ARN:

1. El ADN aparece como una cadena DOBLE, enrollada helicoidalmente, mientras que el ARN es una cadena simple.

2. La pentosa del ARN es una RIBOSA, mientras que la del ADN es una DESOXIRRIBOSA

3. En el ADN nunca aparece la base URACILO, mientras que en el ARN NUNCA aparece la TIMINA.

La estructura del ADN fue descrita en 1953 por Watson y Crick tras estudiar gran cantidad de información que ya estaba disponible. Los estudios del DNA mediante difracción de rayos X, llevados a cabo por Rosalind Franklin fueron decisivos. Según este modelo:


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La molécula de DNA es una doble hélice constituida por dos cadenas de desoxirribonucleótidos, dispuestas de manera antiparalela y enrolladas plectonímicamente entre sí, quedando toda la estructura estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios.

Los puentes de hidrógeno que estabilizan toda la estructura de la molécula, se dan entre las bases nitrogenadas, uniéndose una base púrica a otra pirimidínica. Este hecho se denomina COMPLEMENTARIEDAD DE BASES. Entre la timina y la adenina se producen DOS puentes de hidrógeno, mientras que entre la guanina y la citosina se dan 3 puentes.En la actualidad, se sabe que el orden exacto de los nucleótidos en la molécula de DNA constituye el mensaje genético que contiene toda la información necesaria para determinar las estructuras y funciones de la célula. Esta información está organizada en secuencias lineales denominadas GENES.En cambio, el ARN está formado por una única cadena lineal de nucleótidos que pueden adquirir una estructura terciaria estableciendo también puentes de hidrógeno entre las bases complementarias de la misma cadena. Se conocen 4 tipos de ARN.

1. ARNm, conocido como mensajero. Es una copia monocatenaria exacta de la secuencia de ADN que ha de traducirse a proteínas.

2. ARNr, conocido como ribosómico, que posee estructura terciaria y que, junto a proteínas ribosomales formará los RIBOSOMAS.

3. ARNt, conocido como de transferencia o soluble. monocatenario pero de estructura terciaria, responsable del transporte de los aminoácidos hasta los ribosomas para la síntesis proteica.

4. ARNn, nucleolar, que es el precursor de los ARNr y se encuentra localizado en el nucléolo.


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fig. 3 ARN de transferencia o soluble

FORMA Y ESTRUCTURA DE LAS MOLÉCULAS HEREDITARIAS.

PROCARIOTASLas bacterias poseen una única molécula de DNA bicatenaria circular. Además pueden poseer pequeñas moléculas accesorias de ADN circular dispersas por el citoplasma, denominadas PLÁSMIDOS.EUCARIOTASLos eucariotas poseen unas 1000 veces más ADN que los procariotas, pero una gran cantidad del mismo corresponde a genes de control (intrones) y otras secuencias repetidas de las que no siempre se conoce su función exacta.


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REPLICACIÓN DEL ADN

Tras la discusión de diversos modelos replicativos (conservativo y dispersivo), la replicación del ADN se define como BIDIRECCIONAL y

SEMI-CONSERVATIVA, donde cada una de las dos hebras de la molécula funciona como molde para la síntesis de una hebra complementaria hija, dando lugar a dos moléculas de ADN de cadena doble exactamente iguales a las parentales,

En organismos PROCARIOTAS el proceso de replicación del ADN se lleva a cabo en 3 fases: iniciación, elongación y terminación

1- INICIACIÓN

SUCESOS “PROTAGONISTAS”Comprende la apertura de la doble hélice y el ensamblaje del PRIMOSOMA, es decir, el complejo multienzimático que llevará a cabo la replicación.

HelicasaPrimasa (ARN polimerasa)

Proteínas SSBADN polimerasa III

Una vez localizada las secuencias diana,que indican los lugares de inicio de la replicación, se origina la llamada “burbuja de replicación”. Esta consiste en la apertura de la doble hélicey en la asociación a ella del PRIMOSOMA, que está formado por helicasas(cuya misión es la apertura de la doble hélice manteniendo la hebra sin tensión) y una PRIMASA o cebador llamada “RNA polimerasa”. LasproteínasSSB se encargan de que los fragmentos de hélice sencilla no se vuelvan a cerrar.

La enzima que llevará a cabo la síntesis de la nueva cadena complementaria de ADN es la ADN POLIMERASA III y no puede añadir nucleótidos si no existe un extremo 3´ al que unirlos. La PRIMASA sintetiza pequeños fragmentos de ARN que servirán de cebadores para la posterior actividad de la ADN polimerasa III. Ésta es una molécula muy compleja, con muchas subunidades y en condiciones


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fisiológicas no actúa sola, sino formando pareja con otra enzima idéntica.

2-ELONGACIÓN

SUCESOS “PROTAGONISTAS”Comprende la síntesis de la nueva CADENA complementaria

ADN polimerasa IIIPRIMASA

ADN polimerasa ILigasa

La síntesis de las nuevas hebras se produce de manera BIDIRECCIONAL (por ambos lados de la burbuja de replicación) y DISCONTÍNUA. La DNA polimerasaIII añade nucleótidos a partir de los nucleótidos trifosfato (ATP, GTP, CTP y TTP), y los une entre sí mediante enlaces fosfodiéster, comenzando a partir del extremo 3´ libre del cebador.

Se considera una síntesis discontinua debido a que la acción de las polimerasas SOLOse produceen DIRECCIÓN 5´-3´, lo que implica que, de las dos hebras antiparalelas, la que va en dirección 3´-5´se replica de forma directa, denominándose hebra conductora.

La cadena complementaria lo hará en sentido inverso al del movimiento de la horquilla de replicación mediante la síntesis, ampliación y fusión de unos fragmentos discontinuos llamados fragmentos de Okazaki. Este proceso retrasa ligeramente la replicación de esta cadena por lo que se llama cadena retardada.

3-FINALIZACIÓN.

SUCESOS “PROTAGONISTAS”FIN DE LA SÍNTESIS de la nueva CADENA complementaria

ADN polimerasa IIIADN polimerasa I

Ligasa


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Girasa

La replicación se acaba cuando todo el complejo enzimático alcanza una secuencia de terminación. La ADN polimerasa I va eliminando simultáneamente los fragmentos cebadores, sustituyéndolos por los desoxirribonucleótidos correspondientes. Finalmente, una LIGASA une el esqueleto de fosfodesoxirribosas de las nuevas hebras y una ADN girasa produce el enrollamiento de nuevo de la doble hélice.

En EUCARIOTAS, las enzimas polimerasas involucradas en el proceso de replicación reciben otros nombres (ADN polimerasas , β y γ).


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CORRECCIÓN DE ERRORES EN LA SECUENCIA DE NUCLEÓTIDOSDurante la síntesis de ADN se pueden dar distintos tipos de

alteraciones o errores: espontáneos, producidos por la DNA polimerasa, o bien provocados, es decir, inducidos por ciertas sustancias químicas y radiaciones. Estos errores, llamados mutaciones son muy frecuentes, pero raramente se heredan debido a las propiedades autocorrectoras de la ADN polimerasa y a la existencia de múltiples sistemas de reparación de errores.

Una de las enzimas clave de estos sistemas es la ADN polimerasaI. Esta enzima “patrulla” por el ADN revisando los últimos nucleótidos incorporados y al detectar una anomalía, escinde los nucleótidos dañados, sustituyéndolos por otros nuevos. Una ligasa une los nuevos nucleótidos al resto de la cadena.

Este sistema se denomina corrección de galeradas. Además, existen otros sistemas de reparación que rebajan la tasa de error a 1/1010 nucleótidos incorporados. Entre las mutaciones más comunes se encuentran:

la despurinización o pérdida de alguna base púrica (adenina o guanina) por la rotura del enlace entre ellas y las desoxirribosas (5000 veces al día/célula)

Alteración de bases nitrogenadas (desaminación de la citosita). Al modificarse, se convierte en uracilo (100 veces /genoma y día).

Grandes lesiones como la formación de dímeros de timina, donde dos timinas contiguas se enlazan por efecto de los rayos ultravioleta.


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TRANSCRIPCIÓN DEL DNA

Es el proceso molecular mediante el cual la información codificada en el ADN es copiadaa una molécula de ARN. Por este fenómeno, la información genética contenida en el núcleo se hace efectiva en el resto de la célula.

Como resultado de la transcripción se obtienen los diferentes tipos de ARNs (ARNm, ARNt, ARNr). La transcripción corre a cargo de una enzima llamada ARN polimerasa ADN dependiente o TRANSCRIPTASA. Esta enzima utiliza como molde el ADN para sintetizar una hebra de ARN complementaria, utilizando nucleótidos trifosfato (ATP, GTP, CTP, UTP). En concreto, añade nucleótidos en sentido 5´-3´, con la formación de enlaces fosfodiéster entre ellos. Es una enzima muy compleja en la que se han identificado al menos 6 subunidades.

PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS

El mecanismo de transcripción es ASIMÉTRICO y UNIDIRECCIONAL.

Asimétrico porque solo se transcribe una hebra del ADN, Unidireccional porque la síntesis se produce en una única

dirección1-INICIACIÓN.

SUCESOS “PROTAGONISTAS” RECONOCIMIENTO DE LA

SECUENCIA “SEÑAL”, O “CAJA TATA”

ENSAMBLAJE DEL COMPLEJO MULTIENZIMÁTICO DE TRANSCRIPCIÓN

ARN polimerasa o TRANSCRIPTASA

Se INICIA con la interacción entre la RNA polimerasa y el ADN. La enzima se desplaza sobre él y reconoce una secuencia en el ADN de unos 70 pares de bases denominada REGIÓN PROMOTORA, PROMOTOR o CAJA TATA. Esta secuencia se localiza separada y “corriente arriba” de los genes que se deben copiar. Se caracteriza por ser rica en T y A. La secuencia de nucleótidos TATAATG es reconocida como zona promotora y la enzima se coloca sobre ella.


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Una vez hecho esto, se unen otras proteínas formando el complejo de transcripción.2- ELONGACIÓN.

SUCESOS “PROTAGONISTAS” La copia de ARNm va

alargándose ARN polimerasa o TRANSCRIPTASA

La RNA polimerasa va ALARGANDO la cadena complementaria de ARN a una velocidad de 30 nucleótidos /segundo y en dirección 5´-3´.

TERMINACIÓN

SUCESOS “PROTAGONISTAS” Localización de una

SECUENCIA DE TERMINACIÓN

TRANSCRIPTASAFactor rho

Este proceso puede estar mediado por el factor rho o bien no estarlo. En caso de ser INDEPENDIENTE DEL FACTOR RHO, la transcripciónacaba cuando la polimerasa se topa con una secuencia de terminación. Estas secuencias suelen ser palindrómicas (es decir, son simétricas, por ej. AAUAA) seguidas de una secuencia TTTTTTTTT, lo que forma una horquilla o bucle en el ARN que se está formando y se desestabiliza la unión ARN-ADN, finalizando la transcripción.Si es DEPENDIENTE DEL FACTOR RHO, este factor proteico se une a una secuencia de nucleótidosen el ARN por la que tiene afinidad, desestabilizando la unión ARN-ADN y finalizando también la transcripción.

DIFERENCIAS EN LA TRANSCRIPCIÓN DE PROCARIOTAS Y EUCARIOTASEn PROCARIOTAS, los genes se encuentran asociados, de modo que son transcritos todos juntos en un único ARNm. A este conjunto de genes transcritos juntos se le denomina OPERÓN. En los EUCARIOTAS, los ARN resultantes no son funcionales, ya que contienen secuencias que codifican para cadenas proteicas (EXONES) mezcladas con otras secuencias que son regiones de regulación (INTRONES). Estos últimos deben ser eliminados del ARN


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mensajero tránscrito primario (la primera copia que se hace) y los ARNm son sometidos a un proceso de MADURACIÓN donde sufren modificaciones post-transcripcionales para hacerlos operativos.Además, en EUCARIOTAS las polimerasas son diferentes para cada tipo de ARN sintetizado. Siendo la ARN polimerasa II las que transcribe todos los ARN mensajeros. También se requiere la presencia de unos factores proteicos llamados FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN para posibilitar el acoplamiento entre el ADN y la polimerasa.


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TRADUCCIÓN DEL ADN: DE LA

INFORMACIÓN CODIFICADA EN EL ADN A

LAS PROTEÍNAS

Los ribosomas son los orgánulos celulares responsables de la síntesis de proteínas. Están formados por 2 subunidades riboproteicas, una mayor y otra menor, constituidas por ARNr y proteínas RIBOSOMALES. Gracias a su acción y al código genético, la hebra de ARNm que porta la secuencia de nucleótidos originaria del ADN será traducida a una proteína. Para ello, sale del núcleo celular a través de los poros nucleares y una vez en el citoplasma se inicia su traducción. La síntesis de proteínas es uno de los mecanismos biosintéticos más complejos (en eucariotas colaboran casi 300 macromoléculas específicas). Este proceso tiene lugar, simultáneamente, en muchos puntos, originando unos complejos moleculares llamados POLISOMAS.

EL CÓDIGO GENÉTICO

El descubrimiento del código genético se remonta a la década de los años 60 del siglo pasado y fue obra, esencialmente, de tres grupos de trabajo, entre los que se encontraba el del español Severo Ochoa. Una vez establecida la correspondencia entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos de la proteína o enzima resultante (“Hipótesis de la colinearidad”, F. Crick), los experimentos se centraron en encontrar la clave de dicha correspondencia. Si existían 4 tipos de nucleótidos distintos para dar 20 aa diferentes, cada aa debía estar, al menos, codificado por 3 nucleótidos. De las 64 combinaciones posibles, varias de ellas dan lugar al mismo aa, lo que asegura que un error en la copia de un solo nucleótido no tenga serias implicaciones metabólicas (a esta situación se le denomina “DEGENERACIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO”).

El código genético posee las siguientes características:

Un único aminoácido viene codificado por un triplete de nucleótidos denominado codón.

Es LINEAL Y CONTINUO, sin espacios.


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Es UNIVERSAL, todos los organismos conocidos lo siguen, a excepción del ADN mitocondrial de levaduras y células animales.

Está DEGENERADO, es decir, todos los aminoácidos están codificados por más de un triplete, salvo la met y el trp, lo que da un margen de seguridad.

No es ambiguo, es decir, ES PERFECTO. Cada triplete codifica uno y solo un tipo de aminoácido.

Existe un triplete de iniciación (met en eucariotas y formilMet en procariotas) y tres tripletes de terminación (UAA, UAG y

UGA)


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PROCESO EN LOS RIBOSOMAS

Previamente a la traducción propiamente dicha, en el HIALOPLASMA tiene lugar la ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS. En ella, cada uno de los 20 aas se une covalentemente a un ARN de transferencia específico (tRNA) gracias a la energía del ATP. El complejo formado por estos dos elementos se denomina

AMINOACIL-tRNA(tRNA-aa)

INICIACIÓN

SUCESOS “PROTAGONISTAS” Unión del ARNm y del

primer tRNA-aa a la Ana Salcedo Polo. Genética Molecular

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subunidad menor del Ribosoma.

Formación complejo 70S.

RibosomatRNA-aaARNm

Comprende la formación del ribosoma activo, es decir, la unión del ARNm y del primer tRNA-aa a las dos subunidades del ribosoma.

En la subunidad menor (30S) del ribosoma existen 3 puntos de unión a los ARN: uno para el ARNm y dos para los tRNAs, llamados sitio A, centro aceptor o aminoacilo y sitio P o peptidilo.

La subunidad ribosomal pequeña (30S) se une al ARNm por su extremo 5´. Posteriormente se une al complejo el tRNA-aa, colocándose en el sitio peptidilo (en procariotas, el primer aminoácido o aminoácido iniciador es la N-formil METIONINA, AUG, en eucariotas es la METIONINA).

Una vez unidos se termina de formar el complejo de iniciación 70S activo al acoplarse la subunidad grande del ribosoma (50S). Todos estos pasos requieren la participación de unas enzimas específicas llamadas factores de iniciación.

ELONGACIÓN DE LA CADENA PEPTÍDICA

SUCESOS “PROTAGONISTAS” Alargamiento de la

cadena de proteína.RibosomatRNA-aaARNm

A continuación se fija el nuevo tRNA-aa al ribosoma, colocándose en el sitio aminoacilo, o centro A, aceptor. En el proceso de incorporación

de tRNAs-aa, se va probando continuamente entre la nube de ellos que se encuentra en el citoplasma, hasta que se localiza el


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tRNA adecuado, apareándose las bases del anticodon con las del codón del ARNm.

La unión de los aa tiene lugar mediante un enlace peptídico. Este se forma por la reacción del grupo carboxi de la formil-metionina o metioninacon el grupo amino del siguiente aa, reacción catalizada por la enzima peptidil-transferasa localizada en la subunidad mayor del ribosoma.

A continuación, el ribosoma se desplaza hebra arriba de ARNm, produciéndose la TRANSLOCACIÓN. Gracias a ésta, el tRNA que ahora transporta 2 aminoácidos pasa a ocupar la posición P, dejando el centro A libre para aceptar un nuevo aminoaciltRNA. EltRNA sin aa se libera del complejo.

TERMINACIÓN Y LIBERACIÓN

SUCESOS “PROTAGONISTAS” Lectura de los tripletes

sin sentido. Disociación del complejo

70S.

RibosomatRNA-aaARNm

La terminación de la cadena peptídica viene marcada por la lectura de unos tripletes señal, llamados tripletes sin sentido (UAA, UAG, UGA). Al no hallarse el aminoaciltRNA correspondiente, finaliza la síntesis. Tras esto, las subunidades del ribosoma se separan y el mRNA se hidroliza.

EJERCICIO “APRENDER A APRENDER” : Realiza el siguiente ejercicio en tu cuaderno: Dibuja un cuadro o tabla donde se resuman los acontecimientos que tienen lugar durante las distintas fases de los procesos de replicación, transcripción y traducción. Detalla también las moléculas implicadas en dichos sucesos. (Te servirán de ayuda los cuadros repartidos por los apuntes)

REFLEXIÓN FINAL: En estas páginas he sintetizado los procesos biológicos más importantes de nuestro mundo, aquellos que permiten que la información que contienen nuestros genes se haga efectiva y se manifieste. Los que describe el DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA.


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En realidad, son procesos mucho más complejos de lo que aquí os detallo, pero los he adaptado al nivel curricular que os corresponde (a lo mejor a un poquito más ;D). Espero que disfrutéis de su estudio y os maravilléis tanto como yo de la perfección que alcanzan.


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