Genética Molecular
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8.
El ADN como material hereditario. Experimento de Griffith
Replicación del ADN
Transcripción y maduración del ARN
Traducción o síntesis de proteínas
El código genético
El concepto de gen
La retrotranscripción.
El Proyecto Genoma Humano
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245).
126-129).
248-250).
253-255).
251-252).
246-247).
247).
276).
1. El ADN como material hereditario. Experimento de Griffith
Experimento realizado en 1928 con la bacteria Streptococcus pneumoniae.
Cepa S: bacterias encapsuladas, virulentas.
Cepa R: bacterias sin cápsula, inócuas.
1er experimento:
+
bacterias S
→
Se recuperan bacterias vivas
2º experimento:
+
bacterias R
→
No se recuperan bacterias vivas
→
No se recuperan bacterias vivas
3er experimento:
+ bacterias S
muertas por calor
4º experimento:
+
bacterias R
y bacterias S
muertas por calor
→
Se recuperan bacterias S vivas.
1
Conclusión: un “principio transformante” ha pasado de las bacterias S muertas por
calor a las bacterias R y las ha transformado en virulentas.
En 1944, Avery y sus colaboradores demostraron que el principio transformante de
Griffith era ADN. El ADN es el material genético de las bacterias. Sólo un extracto
de células S que contenga ADN es capaz de inducir la trasformación.
2. Replicación del ADN
-Modelos posibles
-Proceso: iniciación y elongación
-Diferencias de la replicación en procariotas y eucariotas
-Mecanismo de corrección de errores.
Modelos posibles
Teóricamente, a partir de una molécula de ADN la duplicación puede seguir tres
modelos:
-Modelo conservativo: se conserva la hebra primitiva y se sintetiza otra
molécula completamente nueva.
-Modelo semiconservativo: se producen dos moléculas de ADN mixtas, cada
una con una hebra primitiva y otra de nueva síntesis.
-Modelo dispersivo: las dos moléculas de ADN presentan fragmentos nuevos
y primitivos en cada una de sus dos hebras.
La evidencia experimental apoya el modelo semiconservativo.
2
Proceso de replicación
Iniciación
La duplicación del ADN se inicia en un lugar de la doble hélice que se conoce como
origen (Ori C: repetición de secuencias GATC). En este punto de forma una
"burbuja de replicación" con todos los componentes implicados. A partir del origen
la replicación avanza en sentidos opuestos, por lo que se dice que es bidireccional.
En la burbuja de replicación actúan varias enzimas:
-Topoisomerasas y girasas desenrollan la doble hélice.
-Helicasa: rompe los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y abre el
ADN a modo de cremallera.
-Primasa: fabrica un pequeño fragmento de ARN que actúa como cebador.
3
-ADN polimerasa: duplica el ADN.
Las proteínas SSB o DBP se unen al ADN para impedir su enrollamiento.
La ADN polimerasa es incapaz de iniciar la síntesis de ADN. Es necesario que una
ARN polimerasa fabrique un corto fragmento de ARN, llamado primer, que actúa
como cebador. La ADN polimerasa une al extremo 3'OH libre del cebador los
desoxirribonucleótidos correspondientes según la complementariedad de bases de
la hebra patrón (A-T y G-C). La dirección de síntesis es, por tanto, 5'—› 3'. La
polimerasa no puede actuar en sentido inverso.
Elongación
Hay una hebra conductora que se sintetiza de forma continua en sentido 5'—› 3', y
una hebra retardada, que se fabrica de forma discontinua en pequeños fragmentos,
en el mismo sentido 5'—› 3'. Se trata de segmentos de ADN de unos 1000 a 2000
nucleótidos llamados fragmentos de OKAZAKI, en honor a su descubridor.
En la hebra retardada, la ADN polimerasa hidroliza los cebadores de ARN gracias a
su actividad exonucleasa 5'—› 3', y rellena los huecos formados. Posteriormente,
una ADN ligasa, suelda todos los fragmentos.
La energía que alimenta el proceso es suministrada por los enlaces ricos en energía
de los nucleótidos trifosfato que intervienen: dATP, dGTP, dCTP y dTTP.
Corrección de errores
La ADN polimerasa es capaz de "leer" el ADN y detectar errores: nucleótidos
incorrectos según las leyes del apareamiento. Entonces, su actividad exonucleásica
en sentido 3'—>5' elimina los nucleótidos incorrectos y restituye los que
corresponden, en sentido 5'—>3'.
La corrección no es del 100% siempre, por lo que se producen errores de lectura no
corregidos o "mutaciones espontáneas" que tienen relevancia en la evolución,
porque constituyen un mecanismo adicional de variabilidad.
Diferencias del proceso de duplicación del ADN entre procariotas y
eucariotas
Localización
Origen de replicación
ADN polimerasa
Proteínas
Tipo de ADN
Procariotas
Citoplasma
Único
Tres tipos
ADN "desnudo", sin
proteínas
Circular, sin extremos
Eucariotas
Núcleo
Muchos orígenes
Cinco tipos
Se incorporan proteínas al
ADN (histonas)
ADN lineal con extremos
(telómeros) que se
acortan
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En las células eucariontes, cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra
retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el
hueco, al ser incapaz de sintetizar en dirección 5'—› 3'.
Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula
se divide, proceso que es uno de los responsables del envejecimiento y de la
muerte de las células.
En los extremos de los cromosomas existen múltiples repeticiones de una secuencia
que no posee información genética. Se repite entre 250 y 1500 veces la secuencia
TTAGGG, de modo que el acortamiento no supone un problema de pérdida de
información hasta que, tras sucesivas duplicaciones del cromosoma, se pierde el
telómero completo, momento en el cual, la pérdida de genes hace a la célula
inviable y llega al final de su ciclo de divisiones.
Algunas células, como las generadoras de gametos, las células embrionarias o las
cancerosas, propias de tejidos que se dividen continuamente, poseen una enzima
llamada telomerasa, que impide el acortamiento de los telómeros. Es una proteína
unida a un ARN que actúa como molde para permitir a la ADN polimerasa completar
la hebra de ADN.
3. Transcripción y maduración del ARN
-Componentes necesarios
-Iniciación
-Elongación
-Terminación
-Maduración del ARN
-Diferencias del proceso en procariotas y eucariotas
Componentes necesarios
Se necesitan los siguientes elementos:
-Cadena de ADN que actúe como molde.
-La enzima ARN polimerasa
-Ribonucleótidos trifosfato: ATP, UTP, GTP y CTP.
Iniciación
Se produce el desenrollamiento de la doble hélice de ADN y la separación de sus
dos cadenas en la zona que se transcribirá a ARN. La ARN polimerasa se une a un
centro promotor que consiste en una secuencia corta de nucleótidos que marca el
inicio de la transcripción (TATA box, CAAT, etc.).
5
Elongación
La ARN polimerasa une ribonucleótidos según la complementariedad de la hebra
molde del ADN, en sentido 5'—>3', es decir, uniendo cada nucleótido nuevo al
extremo 3'OH de la cadena preexistente.
La energía necesaria para el proceso es suministrada por la rotura de los enlaces
fosfato de los ribonucleótidos trifosfato que intervienen: ATP, GTP, CTP y UTP se
hidrolizan a AMP, GMP, CMP y UMP respectivamente, nucleótidos monofosfato, que
es como se incorporan al ARN. En cada una de esas hidrólisis se libera un grupo
pirofosfato (PPi) y se libera energía.
Terminación
La ARN polimerasa reconoce una secuencia de terminación que señala el fin de la
transcripción. Se separan las moléculas de ARN y ADN y se vuelve a cerrar este.
Maduración del ARN (empalme o "splicing")
Se añade una "caperuza" (CAP) de 7-metil-GTP al extremo 5' del ARN transcrito.
Será necesaria para la unión del ARN mensajero formado al ribosoma, en la síntesis
de proteínas.
Se produce una poliadenilación o adición de un polinucleótido de adenina (poli A, de
unos 200 nucleótidos) al extremo 3'. Su función es proteger al ARN de su
degradación, aumentando su vida media en el citosol, para que pueda fabricar
mayor cantidad de proteína.
En las células eucariotas los genes están fragmentados en secuencias codificadoras,
llamadas exones, y en secuencias no codificantes o intrones. La maduración
consiste en la eliminación de éstas últimas.
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Diferencias del proceso de duplicación del ADN entre procariotas y
eucariotas
Procariotas
Eucariotas
Localización
Citoplasma
Núcleo
ARN mensajero
Policistrónico
(codifica varios genes)
No hay
Monocistrónico
(codifica un solo gen)
Se añaden CAP, poli A y
se eliminan los intrones
Maduración
4. Traducción o síntesis de proteínas
-Componentes necesarios
-Activación de los aminoácidos
-Iniciación
-Elongación
-Terminación
Componentes necesarios
Ribosomas
Aminoácidos
ARN mensajero (ARNm)
ARN de transferencia (ARNt)
Enzimas
Energía (GTP)
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Activación de los aminoácidos
Cada aminoácido se une a su ARNt específico gracias a la energía aportada por el
ATP y a la actividad de la enzima aminoacil-ARNt sintetasa:
Aminoácido + ARNt ATP
−>
aminoacil-ARNt + AMP + PPi
Iniciación
El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. A continuación se una al
mensajero el primer aminoacil-ARNt. Esta unión se realiza gracias a la
complementariedad de las bases nitrogenadas del primer triplete del ARNm y el
anticodón del ARNt. El primer aminoácido es siempre la metionina (formil-metionina
en las células procariotas). Estos procesos están catalizados por unas enzimas
llamadas factores de iniciación (Fi). Todos estos elementos forman el complejo de
iniciación.
Elongación
Se une la subunidad mayor del ribosoma a la menor.
El ribosoma posee dos centros: el sitio P o peptidil y sitio A o aminoacil. El segundo
es el centro aceptor de nuevos aminoacil-ARNt.
El primer aminoácido se une con el segundo mediante enlace peptídico catalizado
por una peptidil transferasa. El ARNt sin aminoácido abandona el ribosoma y se
produce la translocación ribosomal. El dipeptidil-ARNt se sitúa en el sitio y al sitio A
llega otro triplete o codón.
8
Las enzimas llamadas factores de elongación (Fe) catalizan estos procesos.
Terminación
La elongación continúa hasta que el triplete de terminación (UUA, UAG o UGA) se
instala en el centro A. Este codón es reconocido por los factores de liberación (Fr).
Como ninguno de esos codones codifica aminoácido, la peptidil-transferasa hace
reaccionar al último grupo carboxilo con agua, lo que hace que la proteína se libere.
A continuación se separan el ARNm y las subunidades ribosomales.
Una misma molécula de ARNm puede ser traducida por Varios ribosomas
simultáneamente. El conjunto de ellos constituye un polisoma o polirribosoma.
A medida que la cadena peptídica se va construyendo va adoptando sus estructuras
secundaria y terciaria. Al finalizar la traducción, algunas proteínas necesitan
eliminar ciertos aminoácidos (la metionina inicial, por ejemplo).
5. El código genético
El desciframiento del código genético partía del problema de pasar de un lenguaje
de 4 elementos, las cuatro bases nitrogenadas del ADN, a otro que empleaba
veinte, el número total de aminoácidos que forman las proteínas.
Asignar un aminoácido a una base nitrogenada era claramente insuficiente, porque
cuatro bases solo podrían codificar otros cuatro aminoácidos. Un código de dos
bases permite hacer 16 parejas diferentes, cifra también inferior al total de veinte
aminoácidos. Sin embargo, uniendo las bases nitrogenadas en tripletes, existen 64
combinaciones, número que supera el total de aminoácidos.
Efectivamente es la agrupación en codones de tres nucleótidos el modo en que está
codificado el leguaje de la vida. Cada triplete de nucleótidos se traduce en un
aminoácido en cada proteína.
Entre los años 1950 y 1960, el premio nobel español Severo Ochoa fue uno de los
primeros investigadores en vincular un triplete de bases con un aminoácido.
9
Utilizando un ARNm formado exclusivamente por UMP, un poli U, se obtuvo un
péptido que era una repetición del aminoácido fenilalanina.
El código genético muestra las siguientes características:
-Es universal, lo que significa que es utilizado por todos los seres vivos, con la
excepción de algunos protozoos, algunas bacterias y el ADN mitocondrial.
-Es degenerado: existen codones sinónimos que codifican el mismo aminoácido.
-Posee tres codones sin sentido o señales de terminación.
-Carece de solapamiento: los tripletes son leídos de manera lineal y continua sin
que se compartan bases entre ellos.
-Se lee en sentido 5'—>3'.
6. Concepto de gen. El dogma de la Biología Molecular.
Un gen es una secuencia de ADN que se transcribe a ARNm y se traduce a una
cadena polipeptídica. Esta serie de pasos se conoce como el dogma de la Biología
Molecular:
Las primeras investigaciones relacionaron gen y enzima, estableciendo que un gen
era una secuencia de ADN capaz de codificar una enzima. Se expresó así:
"Un gen, una enzima"
10
Posteriormente, el concepto se amplió ante la evidencia de que el ADN codificaba
cualquier proteína y no todas ellas eran enzimas:
"un gen equivale a una proteína"
Sin embargo, una proteína puede estar formada por varias cadenas polipeptídicas,
por lo que el concepto tuvo que ajustarse aun:
"un gen equivale a una cadena polipentídica"
7. Retrotranscripción
Algunos virus poseen ARN monocatenario como material genético. Un grupo de
ellos, al que pertenece el VIH responsable del SIDA, se denominan retrovirus, por
ser portadores de una enzima capaz de transcribir el ARN a ADN. Recibe el nombre
de transcriptasa inversa o retrotranscriptasa.
El proceso de replicación de estos virus incluye los siguientes pasos:
1º) El virus se une a receptores de membrana específicos de ciertas células
(receptores CD4 de ciertos linfocitos T y macrófagos, en el caso del VIH) y
penetra en ellas.
2º) El ARN vírico se libera en el citoplasma y la transcriptasa en reverso copia en
ADN su secuencia de bases. Se obtiene así un ácido nucleico mixto formado por
ARN y ADN.
3º) Se degrada el ARN de la molécula híbrida, quedando ADN simple.
4º) Se sintetiza una cadena complementaria de ADN, con lo que se obtiene un
ADN doble o bicatenario.
5º) En el núcleo, este ADN se intercala en alguno de los cromosomas del
genoma celular.
11
Como consecuencia del descubrimiento de los virus ARN, así como de los retrovirus
y de su proceso de retrotranscripción, el dogma de la Biología Molecular tuvo que
modificarse, incluyendo los procesos de la replicación del ARN, en los virus que
tienen este ácido nucleico como material genético, y de la transcripción inversa:
8. Proyecto Genoma Humano
Página 276
ACTIVIDADES SOBRE GENÉTICA MOLECULAR
1. Deducir la mutación puntual responsable de la anemia falciforme: el aminoácido
ácido glutámico (Glu) es sustituido por la valina (Val).
2. Formular el pentapéptido resultante de la transcripción y traducción de la cadena
inferior del siguiente fragmento de ADN, en el que la secuencia subrayada es un
intrón:
5’
3’
3.
4.
5.
6.
7.
Página
Página
Página
Página
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GGGGGATTAAGGCGTGCCC
CCCCC TAATTCCGCACGGG
138
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nº
nº
nº
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Calificación: 2 + 2 + 1 + 1 + 1 + 2 + 1
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Gentica_Molecular

EXAMEN DE BIOLOGIA 2.−DIBUJAR LA MEMBRANA PLASMATICA E INDICAR SUS PARTES

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APUNTES SOBRE BIOLOGÍA MOLECULAR

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