genética molecular - Biología El Valle
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Colegio El Valle Departamento de Biología y Geología 4º ESO GENÉTICA MOLECULAR REPLICACIÓN DEL EN PROCARIONTES 1. FASE DE INICIACIÓN Consiste en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice. En el cromosoma bacteriano la replicación tiene un único origen, iniciándose en una región del ADN llamada oriC o punto de iniciación. Es una zona donde las secuencias GATC son muy numerosas. -­‐ El punto de iniciación es reconocido por proteínas específicas que se unen a él. Las helicasas rompen los enlaces de hidrógeno que existen entre las bases nitrogenadas y la doble hélice se abre como una cremallera. -­‐ Al abrirse la doble hélice se produce un desenrollamiento en esa zona, lo cual crea tensiones en zonas cercanas, pudiéndose producir un mayor enrollamiento. Las girasas y topoisomerasas evitan estas tensiones rompiendo y soldando de nuevo la hélice de ADN en estos puntos. -­‐ Las proteínas SSB (Single Strand Binding-­‐DNA) son proteínas de unión a la cadena sencilla, las cuales se unen a las hebras molde e impiden que se vuelvan a enrollar, dejando libre la parte de la hebra que lleva las bases y estas quedarán accesibles a otras moléculas. En el origen de la replicación , alrededor del oriC, se forma una burbuja de replicación, en cuyos extremos hay dos zonas con forma de Y denominadas horquillas de replicación, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de replicación se va extendiendo en los dos sentidos a lo largo del cromosoma, luego la replicación es bidireccional. 2. FASE DE ELONGACIÓN Se produce la síntesis de una nueva hebra de ADN sobre cada cadena de la doble hélice original. Además de las enzimas que actúan en la fase de iniciación, intervienen también las ADN polimerasas. Tienen una doble función: • Actividad polimerasa. Unen entre sí los núcleotidos que forman el ADN. Para ello recorren la hebra molde, seleccionan el desoxirribonucleótido cuya base nitrogenada es complementaria a la de la hebra molde y lo unen. La energía necesaria para la formación del enlace se obtiene de la que se libera en la hidrólisis del enlace entre dos grupos fosfatos del desoxirribonucleótido entrante. • Actividad exonucleasa. Se eliminan núcleotidos cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como fragmentos de ADN cebador. En esta fase, la ADN polimerasa recorre las hebras molde en sentido 3´→ 5´ y va uniendo los núcleotidos en el extremo 3´ hasta formar las hebras replicadas. La nueva hebra se formará en sentido 5´→ 3´. Sin embargo, las dos cadenas de ADN son antiparalelas y la elongación presenta ligeras variaciones según la hebra de que se trate. Debido al antiparalelismo de las dos hélices del ADN y a que las ADN polimerasas solamente pueden sintetizar ADN en la dirección 5'P -­‐ 3'OH, la síntesis de una de las hebras se puede realizar de forma continua, mientras que la otra hélice para poder sintetizarla al mismo tiempo se necesita polimerizarla a base de ir añadiendo pequeños fragmentos, llamados fragmentos de Okazaki. La hélice que se sintetiza de forma continua se llama hebra líder o conductora y la que lo hace de forma discontinua recibe el nombre de hebra retardada. 1 Colegio El Valle Departamento de Biología y Geología 4º ESO Las ADN polimerasas solamente sintetizan ADN en la dirección 5' -­‐ 3' añadiendo nucleótidos al extremo 3' OH de otro nucleótido. Para que puedan iniciar la síntesis de ADN necesitan un extremo 3' OH al que ir añadiendo nucleótidos, y ese extremo 3' OH lo suministra un ARN de pequeño tamaño alrededor de 25 a 30 ribonucleótidos que se denomina ARN cebador o "primer". El cebador lo sintetiza una enzima denominada primasa, que es una ARN polimerasa que utiliza como molde ADN. Todos los fragmentos de Okazaki comienzan por un cebador. Posteriormente, la ADN polimerasa III lleva a cabo la síntesis del fragmento de ADN correspondiente hasta llegar al siguiente cebador. En ese momento, la ADN polimerasa I sustituye a la ADN polimerasa III. La ADN polimerasa I se encarga de retirar el ARN cebador mediante su actividad exonucleótídica 5'P -­‐ 3' OH y al mismo tiempo rellena el hueco sintetizando ADN. Por último, los dos fragmentos de Okazaki tienen que unirse, es necesario enlazar el extremo 3'OH de un fragmento con el 5'P del siguiente fragmento. Dicha labor de sellado y unión de los sucesivos fragmentos la realiza la ligasa. http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Replicacion/Replicacion.htm#PuntoUnic Corrección de errores Puede ocurrir que se apareen núcleotidos cuyas bases nitrogenadas no son complementarias. Estos errores se corrigen por la acción de la ADN polimerasa, la cual va a actuar como exonucleasa. Primero elimina los núcleotidos mal apareados y posteriormente rellena los huecos con los nuevos núcleotidos. La ADN ligasa une los fragmentos resultantes. Aunque este mecanismo de corrección es muy eficiente, puede quedar algún núcleotido mal apareado sin corregir. Estos errores podrían ser importantes para la evolución. 2 Colegio El Valle Departamento de Biología y Geología 4º ESO REPLICACIÓN EN EUCARIONTES Es muy parecida a la replicación en procariontes, con algunas diferencias: • Los cromosomas de eucariontes presentan moléculas de ADN muy largas. Para abreviar el proceso, la replicación comienza simultáneamente en varios puntos de cada cromosoma, los cuales reciben el nombre de replicones. • Aparecen cinco tipos de ADN polimerasas: α , β , γ , ε y σ . Se reparten las tareas de elongación y corrección de errores. • En los cromosomas de eucariontes el ADN está asociado a histonas. Las histonas también se duplican durante la replicación. La replicación continua hasta llegar al telómero. Cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco debido a que no es capaz de sintetizar en sentido 3´→5´. Para poder completar la cadena necesitaría un extremo OH-­‐ libre donde iniciar un nuevo fragmento. Esto hace que el telómero se acorte cada vez que la célula se divide, lo cual se relaciona con los procesos de envejecimiento y muerte celular. TRANSCRIPCIÓN. Es la transformación de la información de ADN a ARNm, es decir la formación de copias complementarias (ARN) de un fragmento determinado de una de las hélices del ADN. Se realiza en el núcleo celular. Requiere: 1. Una cadena de ADN que actúe como molde. 2. Las enzimas ARN-­‐polimerasas. -­‐ En procariontes hay una sola ARN-­‐polimerasa. -­‐ En eucariontes hay tres: ARN-­‐polimerasa I, II y III. 3. Ribonucleótidos trifosfatos de A, G, C y U. Se unan mediante un enlace éster entre el ácido fosfórico, situado en la posición 5’ de un ribonucleótido trifosfato, y el grupo –OH, situado en posición 3’ del último ribonucleótido de la cadena de ARN en formación. La transcripción consta de tres etapas: 1. Iniciación. Comienza cuando la ARN-­‐polimerasa reconoce en el ADN una señal denominada centro promotor, que es una secuencia cortas de bases nitrogenadas. La ARN-­‐polimerasa hace que la doble hélice de ADN se abra para permitir que la secuencia de bases del ADN quede expuesta, y se pueden incorporar los ribonucleótidos que se van a unir. 2. Elongación. Es la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN-­‐polimerasa avanza a lo largo de la cadena molde de ADN “leyéndola” en sentido 3’ 5’, mientras que el sentido de la síntesis del ARN es 5’ 3’. La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato y lo une mediante un enlace éster al siguiente nucleótido. En los eucariontes, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos, se añade en el extremo 3’ una caperuza formada por metil-­‐guanosín-­‐fosfato, que durante la traducción será una señal de reconocimiento del inicio de lectura. 3. Terminación. La ARN-­‐polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación. Esto implica el cierre de la burbuja formada en el ADN y la separación de la ARN-­‐polimerasa del ARN transcrito. 3 Colegio El Valle Departamento de Biología y Geología 4º ESO CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO. Casi todos los organismos comparten un mismo código genético que comprende toda la información almacenada en el ADN. • Es universal, compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo los virus. • Es degenerado, la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón. Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos. • No presentan imperfección. Ningún codón codifica más de un aminoácido. • Carece de solapamiento. Los tripletes se hallan dispuestos sin que compartan ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace en un solo sentido (5’-­‐3’). Existe la posibilidad de que un mismo ARNm contenga varios codones de iniciación, es decir, se podrían realizar varias fases de lectura y se sintetizaría más de un polipéptido. EL PROCESO DE TRADUCCIÓN Se necesitan: • Ribosomas, donde se realiza la síntesis proteica. • ARN mensajero, que lleva la información para sintetizar cada proteína. • Aminoácidos, que son los aminoácidos en el orden preciso. • Enzimas y energía, necesarias en toda reacción de biosíntesis. La traducción permite la síntesis de proteínas por polimerización de los aminoácidos mediante enlaces peptídicos y de acuerdo con el orden o secuencia de tripletes de bases nitrogenadas que forman la molécula de ARNm. La traducción se realiza en los ribosomas. En el ribosoma se distinguen tras lugares: el sitio P, donde se sitúa la cadena polipeptídica; el sitio A, donde entran los aminoácidos; y el sitio E, donde se sitúa el ARNt. El ARN de transferencia (ARNt). Encargado de transportar los aminoácidos hasta el ribosoma, e incorporarlos a la proteína según indica la secuencia de bases del ARN. Dos zonas: • El anticodón. Formado por tres bases nitrogenadas que son complementarias con las que forman un codón del ARN. • El extremo 3’. Lugar al que se une el aminoácido correspondiente al codón que reconoce ese ARNt. http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Estruadn/Arnt.gif 4 Colegio El Valle Departamento de Biología y Geología 4º ESO SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 1. Iniciación de la cadena de proteínas. La subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen cerca del codón de iniciación AUG. A continuación, entra en el sitio P un primer aminoacil-­‐ARNt, cuyo anticodón está formado por tres bases (UAC) complementarias a las del codón iniciador. Este primer ARNt lleva unido el aminoácido N-­‐formil metionina (f-­‐Met), en los organismos procariontes, y metionina en los eucariontes. La subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm, y el primer aminoacil-­‐ARNt forman el complejo de iniciación, al que después se une la subunidad grande del ribosoma. 2. Elongación de la cadena de proteínas. Es el alargamiento de la cadena proteica, para lo cual un segundo aminoacil-­‐ARNt, cuyo anticodón es complementario al codón localizado a continuación del codón iniciador entra en el ribosoma y ocupa el sitio A que se halla libre. Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido que ocupa el sitio P y el nuevo aminoácido que ocupa el sitio A. El segundo ARNt queda unido por un extremo al dipéptido formado, y por el otro, a su codón complementario. A continuación se produce la translocación, que es el desplazamiento del ribosoma a lo largo del ARNm en sentido 5´ 3´. El desplazamiento es exactamente de tres bases, luego el primer ARNt abandona el ribosoma por el sitio E, pasa a ocupar el sitio P quedando libre el sitio A. En estas condiciones, otro aminoacil-­‐ARNt se puede incorporar al sitio A. 3. Terminación de la cadena de proteínas. Cuando el ribosoma llega a un lugar del ARNm donde se encuentra un codón de terminación (UAA, UGA o UAG) no es reconocido por ningún ARNt, sino por factores de liberación que se sitúan en el sitio A, y hacen que se separe la cadena polipeptídica del ARNt. 5
