BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

TEMA 13 GENÉTICA MOLECULAR

“Un hombre inteligente es el que resuelve problemas, un genio es aquél que los evita”

Albert Einstein

El flujo de la información genética es el siguiente:

El ADN como portador de la información genética. Concepto y estructura de gen.

ADN ARN Proteínas

REPLICACIÓN

TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN

RETROTRANSCRIPCIÓN

Genética Molecular

Genética Molecular

GRIFFITH.- En 1928, • Estudiando la neumonía, provocada por el Streptoccocus pneumoniae realizó una misteriosa observación. • Aisló dos cepas bacterianas:

Experimentos que demostraron que el ADN es el portador de la información genética:

‣ una virulenta, recubierta por u n a g r u e s a c á p s u l a d e polisacáridos, que en cultivo daban lugar a colonias de aspecto liso (tipo S-”smooth”)

‣ otra no virulenta, sin cápsula, con colonias de aspecto rugoso (tipo R-”rough”).

✓ Los restos celulares de las c é l u l a s S h e r v i d a s TRANSFORMARON a las células R vivas en S vivas ✓ Se desconocía qué agente era el principio transformante

Experimentos de Griffith

Experimentos que demostraron que el ADN es el portador de la información genética:

AVERY.- En 1944: Explicó los resultados de Griffith.

❖ La transformación sólo tenía lugar cuando se añadía ADN purificado de bacterias S al medio de cultivo de las bacterias R

❖ Las moléculas de ADN, libres en el medio, podían entrar en contacto con la pared bacteriana, penetrar en el interior y, mediante un proceso de entrecruzamiento, sustituir la información genética de la bacteria receptora.

❖ La bacteria, con la nueva información, fabrica la cápsula polisacárida, convirtiéndose en virulenta y transmitiendo dicha información a sus descendientes. CONCLUSIÓN: Un fragmento de ADN puede contener la información genética necesaria para realizar una función: fabricar la cápsula; ya que previamente la bacteria receptora no poseía esa información.

Experimentos que demostraron que el ADN es el portador de la información genética:

Experimentos de Alfred Hershey y Marta Chase (1952)

HERSHEY y CHASE.- 1952 ❖ Demostraron que el ADN era el material genético de un virus bacteriano (T4). ❖ Razonaron que la infección del fago debe implicar la introducción dentro de la bacteria de la información que dicta la información viral.

EXPERIMENTO: Este fago contiene ADN en el interior de la cápsula de proteínas, por eso:

• Marcaron el virus radiactivamente con S35 y P32 • El S sólo se encuentra en las proteínas y el P únicamente en el ADN • Desarrollaron dos tipos de fagos

• Infectaron bacterias con esos virus • Separaron carcasas y bacterias mediante centrifugación. • Midieron la radiactividad de las dos fracciones.

FagosP32 Radiactividadeninteriorcelular

FagosS35 Radiactividadenexteriorcelular

El ADN es el material

hereditario

Experimentos que demostraron que el ADN es el portador de la información genética:

PROMOTOR

E1 E2 E3I1 I2 I3

EXONES INTRONES TERMINADOR

Esquema de un gen eucariótico

El gen según Mendel: Es el factor hereditario que controla un carácter. Desde el punto de vista molecular se trata de la unidad de transcripción.

Concepto y estructura de gen

Concepto y estructura de gen

Concepto y estructura de gen

Concepto y estructura de gen

Para explicar la replicación del ADN se propusieron tres hipótesis:

- Conservativa Una molécula dúplex de ADN, dará lugar a una nueva molécula de ADN, una célula recibirá la nueva y otra la vieja.

- Semiconservativa Cada cadena de ADN dirige la síntesis de su complementaria, formándose dos moléculas idénticas, con una cadena vieja y otra nueva.

- Dispersiva La molécula de ADN se fragmenta, los fragmentos se replican y se reúnen de nuevo, dando lugar a moléculas con fragmentos nuevos y viejos.

SEMICONSERVATIVA CONSERVATIVA DISPERSIVA

Gen

erac

ión

0G

ener

ació

n 1

Gen

erac

ión

2

❖ Cultivaron bacterias de Escherichia Coli en dos medios uno con nitrógeno pesado (N15) y otro con nitrógeno normal (N14). ❖ Al centrifugar en CsCl (cloruro de cesio), el ADN de las bacterias cultivadas en N15, se situaba más al fondo que el ADN ligero obtenido al cultivar bacterias en un medio natural.

Experimento de Meselson y Stahl

❖ Sembraron bacterias cultivadas en N15 en un medio normal (N14) y tomaron muestras de su ADN generación tras generación. ❖ En la generación cero (al principio) todo el ADN es pesado.

❖ Tras una generación, el ADN obtenido sedimenta dando una banda intermedia, o sea, que el ADN es híbrido (N14-N15).

❖ En la segunda generación el ADN es de dos tipos, híbrido y ligero en proporciones similares. Esto apoya la hipótesis SEMICONSERVATIVA

Experimento de Meselson y Stahl

Replicación Semiconservativa

Existe una secuencia de nucleótidos en el ADN llamada “origen de la replicación”, que actúa como señal de iniciación.

El proceso se inicia con una enzima denominada HELICASA, que rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras complementarias y las separa para que sirvan de patrones.

Después intervienen unas proteínas que se enlazan sobre el ADN de hebra única. Son las proteínas SSB, que tienen como función estabilizar la separación de las dos hebras complementarias.

ADN

El proceso es BIDIRECCIONAL, es decir, hay una helicasa trabajando en un sentido y otra trabajando en sentido opuesto. Se forma la llamada BURBUJA U OJOS DE REPLICACIÓN U HORQUILLA DE REPLICACIÓN

Replicación del ADN

Como el desenrollamiento de la doble hélice da lugar a superenrollamiento en el resto de la molécula, se hace preciso el concurso de las TOPOISOMERASAS que eliminan las tensiones en las fibras . La topoisomerasa de la Escherichia Coli se llama GIRASA.

Como ninguna ADN-polimerasa puede actuar sin cebador, interviene una ARN-polimerasa que sí lo puede hacer. Se denomina PRIMASA y sintetiza un corto fragmento de ARN denominado PRIMER, que actúa como cebador.

Interviene después la ADN-polimerasa III que, a partir de este cebador, comienza a sintetizar, como todas las polimerasas, con dirección 5’➝3’, una hebra de ADN. La energía necesaria la aportan los propios nucleótidos, que pierden dos de sus fósforos. Esta nueva hebra es de crecimiento continuo, ya que la helicasa, no se detiene, y se denomina HEBRA CONDUCTORA.

La otra cadena, HEBRA RETARDADA, es sintetizada en la dirección 5’➝3’, pero en fragmentos cortos de 1000-2000 nucleótidos de ADN, fragmentos de OKAZAKI, en sentido opuesto a la horquilla de replicación. Síntesis semidiscontinua.

Posteriormente interviene la ADN-polimerasa I que primero retira los segmentos de ARN (EXONUCLEASA) y después rellena los huecos con nucleótidos de ADN (POLIMERASA). Finalmente interviene la ADN-LIGASA, que empalma entre sí los diferentes fragmentos.

5’

3’ 5’

3’3’

5’ 3’

5’Primer (ARN)

Hebra conductora

Fragmentos de Okazaki

Hebra retardada

Replicación del ADN

PROTEINAS DE REPLICACIÓN FUNCIÓN

PRIMASA Síntesis de ARN cebador.

HELICASA Desenrolla la doble hélice.

SSB Estabiliza la separación de las dos hebras complementarias.

TOPOISOMERASA (GIRASA) Elimina las tensiones.

ADN-POLIMERASA III Sintetiza ADN.

ADN-POLIMERASA I Elimina el cebador y rellena huecos.

ADN LIGASA Une los extremos del ADN.

La duplicación del ADN se produce de acuerdo con las siguientes características:

(1) Es semiconservativa. (2) Bidireccional: a partir de un punto dado del cromosoma, la

replicación progresa en dos direcciones (3) En virus y bacterias hay un único punto de inicio de la replicación,

mientras que en eucariotas hay varios. (4) La replicación avanza por adición de desoxirribonucleótidos-

monofosfato (dNMP) en el sentido 5'➝ 3'. (5) Semidiscontinua: una hebra se replica de forma continua y la

complementaria de modo discontinuo (fragmentos de Okazaki). (6) La iniciación de la síntesis de cada hebra y de cada fragmento

requiere de un cebador o primer (ARN).

Replicación del ADN

Replicación del ADN

La duplicación del ADN en EUCARIOTAS tiene algunas diferencias destacables: ❖ la célula eucariota contiene más ADN y sus moléculas tienen mayor longitud ❖ debido a ello, la replicación comienza simultáneamente en varios 'puntos de origen',

con lo cual se acorta el tiempo del proceso, formándose numerosas horquillas de replicación.

❖ el ADN de eucariotas consta de replicones (unidades de replicación) alineados uno tras otro (suele haber alrededor de 100 replicones por cromosoma).

❖ cada replicón tiene un punto de origen (O), donde se inicia la replicación, y dos puntos de terminación (T), uno a cada lado del origen, en los que acaba ese replicón y se encuentra el adyacente.

❖ los fragmentos de Okazaki son más pequeños (alrededor de 100-200 nucleótidos) que en procariotas.

Replicación del ADN

TRANSCRIPCIÓN: Consiste en la síntesis de una hebra de ARN a partir de una hebra molde de ADN. Lo lleva a cabo la ARN polimerasa o ARN pol, enzima complejo que consta de 2 cadenas α, de una cadena β, de una cadena β’ y de un factor sigma σ La transcripción se da en tres etapas: iniciación, elongación y terminación

En la iniciación la ARN Pol se une a una región específica del ADN, llamada promotor, que está próxima a la primera base que se transcribe. El factor σ es el que reconoce al promotor.

factor σARN Pol.

Transcripción

Una vez se separan las hebras de ADN comienza la fase de elongación que comienza con la formación de un enlace fosfodiéster y se libera el factor sigma (σ)

Enlacefosfodiéster

ARN

+

La ARN Pol. Se vale por sí sola para sintetizar ARN, a medida que pasa por el ADN abre las cadenas y utiliza una como molde, sintetiza ARN y a medida que pasa va replegando el dúplex

Transcripción

La síntesis continúa hasta llegar a regiones terminadoras, que actúan como señal de terminación del proceso. Las regiones terminadoras son secuencias palindrómicas.

Secuencias que se leen igual en ambas direcciones:

“Dábale arroz a la zorra el abad” – frase palindrómica

El palíndromo está caracterizado por poseer repeticiones inversas conteniendo un segmento central no repetido. Ej: ATCATCGACTA

Transcripción

Esta transcripción es válida para procariotas, concretamente Escherichia coli.

En eucariotas las propiedades de transcripción son similares pero consta de características propias, tales como:

•En la iniciación, además del promotor hay:

• Secuencias potenciadoras (enhancers) y silenciadoras (silencers)

• El promotor consta de:

• Una secuencia TATA o TATA box en -25

• Una secuencia CAAT en -80

• Un conjunto de bases GC en -120

• Los potenciadores son factores activadores de la transcripción

• Desempaquetan la cromatina al disgregar los nucleosomas y hacen accesible el promotor

• Facilitan el acoplamiento de la ARN pol II

Transcripción, síntesis y procesamiento (maduración) del ARN

•Concurso de 3 ARN polimerasas (I, II y III)

•Los ARN formados presentan modificaciones postranscripcionales:

✓ Caperuza de 7-metil-guanosina trifosfato en el extremo 5’

✓ Cola de poli-A (200 ribonucleótidos) en el extremo 3’

•Los ARN son más cortos que el transcrito primario, sufren un proceso de maduración (“splicing”), es decir, eliminación de intrones y unión de exones.

• Los ARNm son monocistrónicos, es decir, producen una sola proteína.

Transcripción, síntesis y procesamiento (maduración) del ARN

Jacob y Monod - 1965

OPERÓNLAC-Esteoperónregulalasíntesisdelastresenzimasquecontrolan la degradación de la lactosa (galactosidasa, permeasa ytransacetilasa)enlabacteriaEscherichiacoli.

Inducción enzimática - Se trata de un fenómeno regulador de lasíntesisproteicaporelcualdeterminadasenzimas(proteínas)sóloseproducen si el sustrato sobre el que actúan se encuentra comonutrienteenlacélula(oenelmediodecultivodeésta).

Regulación: modelo del Operón

Regulación: modelo del Operón

Las proteínas constan sólo de 20 aminoácidos, y el número de nucleótidos es 4. ¿Cómo codificar 20 aminoácidos con 4 bases?

✓ Si cada base codifica un aminoácido ➝ 41=4 aminoácidos codificables

✓ Si cada doblete de bases codifica un aminoácido ➝ 42=16, que sería un número todavía insuficiente.

✓ Si cada triplete codifica un aminoácido ➝ 43=64, así obtenemos suficientes combinaciones para obtener 20 aminoácidos.

Código genético

A cada triplete se la llamó codón, que viene determinado por un triplete de bases de ADN (codógeno), y este codón además es complementario de un triplete portado por el ARNt (anticodón).

CCAARNm

GGT

ADN

GGU

ARNt

Código genético

CARACTERÍSTICAS:

❖ De los 64 codones del código, 61 son codificadores, mientras que 3 son sin

sentido (señales de terminación).

❖ Está formado por una secuencia lineal de bases nitrogenadas.

❖ Entre los sucesivos codones no hay espacios ni separaciones de ningún tipo.

❖ El código, compuesto por 64 codones, es DEGENERADO, o sea, no existen

el mismo número de señales codificadoras en el ARNm, que aminoácidos que

serán codificados; a excepción de la metionina y el triptófano, existen dos o

más codones para cada aminoácido.

Código genético

CARACTERÍSTICAS: ❖ El código no es AMBIGUO ya que cada triplete codifica siempre el mismo

aminoácido

❖ Es un código UNIVERSAL, con la excepción del ADN mitocondrial, donde

por ejemplo el codón AGU codifica el triptófano, en lugar de ser mudo, o el

codón AUA codifica la metionina en lugar de la isoleucina. También existen

excepciones en algunos protozoos ciliados y micoplasmas.

❖ Esto constituye una prueba más a favor del origen de los seres vivos a partir

de un antecesor común.

Código genético

Código genético

SEVERO OCHOA ❖ Recibió el Premio Nobel por descubrir la enzima polinucleótido fosforilasa, lo

que le permitió sintetizar por primera vez ARN “in vitro”.

La síntesis de proteínas comprende una cadena de montaje en la cual los ribosomas actúan a lo largo del ARNm y sintetizan una proteína cuyos aminoácidos estarán en el orden que define la secuencia de codones del ARNm.

Activación de los aminoácidos

En el citosol se encuentran los 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas y es ahí donde sufren una esterificación con su ARNt correspondiente.

Aminoácido+ARNt Aminoacil-ARNt

Aminoacil-ARNtsintetasa

ATP ADP+PPi

Ahora es cuando realmente comienza la síntesis que consta de 3 etapas: Iniciación, Elongación y Terminación.

Biosíntesis de proteínas

Biosíntesis de proteínas

Biosíntesis de proteínas

Biosíntesis de proteínas

Mutaciones

Son cambios o variaciones del material genético que afectan a las secuencias génicas y se transmiten a las secuencias de aminoácidos de las proteínas. Pueden aparecer espontáneamente o ser inducidas por agentes mutágenos. Son heredables si afectan a las células germinales.

Según la cantidad de información que afecten existen tres tipos de

mutaciones:

❖ Génicas

❖ Cromosómicas

❖ Genómicas

Mutaciones

Génicas: Afectan sólo a un gen, son cambios en bases

nitrogenadas sueltas que se sustituyen unas por otras, o se

pierde o se gana alguna.

Mutaciones

Inserciones / deleciones: Este tipo de mutaciones cambian el marco de

lectura y por tanto de un cambio de todos los aminoácidos comprendidos

entre la mutación y el resto de la cadena proteica.

❖ Inserción: Se trata de intercalar una nueva base (o unas pocas) en la

secuencia de ADN.

❖ Deleción: Se trata de la pérdida de una base (o unas pocas) en la

secuencia de ADN.

Mutaciones

Cromosómicas: Afectan a fragmentos de cromosomas

que llevan varios genes, bien porque se pierde parte

de un cromosoma, porque se da la vuelta, se

intercambian fragmentos con otros cromosomas, etc.

Inversión: un segmento de cromosoma invierte su

secuencia, gira 180º respecto a su orientación normal

Duplicación: Se repite la misma secuencia de un

cromosoma

Deleción: Se elimina un fragmento de cromosoma, puede

abarcar decenas de genes

Translocación: Cambia la localización de un segmento

cromosómico

- Recíproca: Intercambio de segmentos entre dos

cromosomas no homólogos

- No recíproca: Un segmento de un cromosoma se

sitúa en otro no homólogo

Mutaciones

Genómicas: Afectan a cromosomas enteros, alterando el número

de cromosomas (= genoma) del individuo, normalmente porque

se pierde o se gana algún cromosoma entero.

Mutaciones

Aneuploidías: Presentan algún cromosoma de más o de menos respecto a la

dotación normal. Síndrome de Down (trisomía en el cromosoma 21).

Euploidía o poliploidía: El número de dotaciones cromosómicas es diferente de

dos. Es frecuente en vegetales.

Haploidía: Caso contrario a la poliploidía. Se produce al perderse un juego

cromosómico de los dos que existen en el organismo diploide. Se manifiesta en

organismos partenogenéticos.

!

MutacionesEl estudio de la herencia de los caracteres no sería posible sin la existencia

de variantes, es decir, organismos que difieren en caracteres concretos.

Pero, ¿Cómo se originan estas variantes? la respuesta es simple, los

organismos sufren cambios de un estado hereditario a otro, las mutaciones.

Mutación Cambio Evolución