Genética Molecular: Tema 16
1. El ADN como Molécula Portadora de la Información Genética
El ADN es la molécula que contiene la información de las características biológicas de los seres vivos.
¿Cómo se logró identificar el ADN como molécula portadora del mensaje genético? Consideraciones de partida:
Molécula químicamente estable.
Capacidad de replicarse y originar copias.
Capacidad de transmisión de una generación a otra.
Susceptible de experimentar cambios (variabilidad).
Los cromosomas se dividen y transmiten a la descendencia. Los cromosomas están compuestos por ADN y proteínas.
Material Genético en Procariotas y Eucariotas
Procariotas
En procariotas, el material genético está libre en el citoplasma y no está asociado a ninguna otra molécula (ADN desnudo).
Casi todo el ADN sirve como información para la síntesis de proteínas.
El gen codificador de cada proteína se compone de una secuencia continua de nucleótidos.
Eucariotas
En eucariotas, el ADN está circunscrito al núcleo, donde se encuentra asociado a histonas, y también en orgánulos membranosos como mitocondrias y cloroplastos.
Un 10% (o menos) de esta molécula se emplea para codificar proteínas.
Casi la mitad del ADN en eucariotas es altamente repetitivo; estas secuencias no son codificantes.
Existen secuencias no codificadoras (intrones) intercaladas entre los segmentos codificadores (exones).
2. Replicación del ADN
La replicación del ADN es semiconservativa.
Es imprescindible que el ADN pueda formar réplicas exactas de sí mismo para que la información genética se transmita fielmente a las células hijas durante la división. Este proceso es conocido como replicación o autoduplicación.
Modelos posibles para la replicación del ADN:
Conservativa: La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra completamente nueva.
Semiconservativa: Una hebra de cada doble hélice procede de la original, mientras que la otra se sintetiza de novo (modelo de Watson y Crick).
Dispersiva: En cada doble hélice existen fragmentos de la original y fragmentos nuevos.
Experimento de Meselson y Stahl
Demostraron experimentalmente la hipótesis semiconservativa.
2.1. Mecanismo de la Replicación
La replicación ocurre durante la fase S del ciclo celular.
Replicación en Procariotas:
Inicio de la replicación
La Helicasa separa las dos hebras de ADN al romper los enlaces de hidrógeno.
Las topoisomerasas eliminan las tensiones generadas por las helicasas.
Para ello, cortan una o dos de las hebras (Topoisomerasa I o Topoisomerasa II / girasa).
Las hebras se mantienen separadas por la acción de proteínas SSB.
Formación de las nuevas hebras
La ADN polimerasa III sintetiza las hebras complementarias a partir de las originales.
Necesita una hebra molde, que es leída en dirección 3’→5’.
La hebra nueva se sintetiza en sentido contrario (5’→3′).
Necesita un extremo 3′-OH libre, proporcionado por un ARN cebador o primer sintetizado por la primasa.
La ADN polimerasa III avanza y se forma la burbuja de replicación con una horquilla en cada extremo.
Una hebra se sintetiza de forma continua a partir de un primer: la hebra líder.
La otra se sintetiza en segmentos (fragmentos de Okazaki).
La ADN polimerasa I elimina los primers y rellena los huecos con ADN.
Una ligasa une los fragmentos de Okazaki.
Finalización
Cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de patrón se enrollan, originando una doble hélice.
Diferencias en el Proceso Replicativo entre Procariotas y Eucariotas
2.2. Corrección de Errores
La ADN polimerasa III comete errores (baja frecuencia) y añade nucleótidos no complementarios.
Aquellos nucleótidos mal emparejados se eliminan por la acción de nucleasas.
Procedimiento de corrección de errores tras la replicación:
Endonucleasas: Detectan errores y cortan la cadena anómala.
Exonucleasas: Eliminan el fragmento incorrecto.
ADN polimerasa I: Sintetiza el segmento correspondiente al fragmento eliminado.
ADN ligasas: Unen el nuevo segmento al resto de la cadena.
Genética Molecular: Tema 17
1. El Dogma Central de la Biología Molecular
La información genética contenida en el ADN da lugar a la síntesis de proteínas, que son responsables de las características estructurales y funcionales de un organismo. Esto se conoce como expresión genética.
Propuesta actual del dogma central de la biología molecular.
2. La Transcripción
Proceso de síntesis de ARN a partir de ADN, de manera que el mensaje genético se copie desde su forma original a otra que se pueda utilizar directamente para la síntesis de proteínas específicas.
La síntesis de ARN es llevada a cabo por la ARN polimerasa dependiente de ADN.
Características de la ARN polimerasa:
Une ribonucleótidos mediante enlaces nucleotídicos, siempre en sentido 5’→3′.
Necesita una molécula de ADN como molde o patrón; esta es leída en dirección 3’→5′ y la cadena de ARN sintetizada es complementaria de ella.
Su velocidad es elevada y la tasa de error es mayor que la de la ADN polimerasa.
2.1. La Transcripción en Células Procariotas
Proceso mediante el cual se sintetiza ARN a partir de una hebra de ADN. Se lleva a cabo en el citoplasma, en ausencia de núcleo y ocurre en una sola etapa. El ARN producido es principalmente de tipo mensajero (ARNm), que será utilizado para la síntesis de proteínas.
La formación de la cadena de ARN finaliza cuando la polimerasa llega a la señal de terminación.
La transcripción es necesaria para obtener tres tipos de ARN: ARNm, ARNr y ARNt.
Los ARNr y los ARNt requieren un proceso adicional de maduración para ser funcionales.
2.2. La Transcripción en Células Eucariotas
Tres ARN polimerasas:
ARN polimerasa I: Síntesis de los ARNr (excepto el 5S).
ARN polimerasa II: Síntesis de los ARNm.
ARN polimerasa III: Síntesis de ARNt, ARNr 5S y los ARN de las histonas.
La transcripción también está presente en genes de mitocondrias y cloroplastos.
Maduración del ARN
Característica de la transcripción en eucariotas, excepto para las histonas.
Proceso mediante el cual se modifica el ARN recién sintetizado para convertirse en una molécula madura funcional.
Puede incluir la eliminación de intrones.
Es esencial para la expresión génica adecuada y la regulación de la síntesis de proteínas.
En cuanto al ARNt, se modifican algunas bases.
La formación de ARNr es compleja.
3. El Código Genético
Relación que existe entre la secuencia de bases nitrogenadas de los nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituye una proteína.
El ARNm contiene la información dictada por el ADN en forma de “lenguaje nucleotídico” para la síntesis de proteínas.
La secuencia del ARNm se lee de tres en tres nucleótidos (tripletes o codones).
Cada codón determina qué aminoácido se añade a la cadena polipeptídica en formación.
Existen 64 codones, tres de ellos de terminación (codones sin sentido): UAG, UAA, UGA.
Características:
Forman una secuencia lineal sin espacios ni separaciones y se leen de forma continua.
Es “degenerado”: Existen más codones que aminoácidos proteinogénicos. Salvo para Trp y Met, existe más de un codón para cada aminoácido.
Es universal: Es el mismo para todos los organismos vivos, aunque existen excepciones.
4. La Traducción
Proceso de síntesis de proteínas a partir de ARNm transcrito desde el ADN, siguiendo la secuencia de bases específicas para cada gen.
Se produce la unión de aminoácidos mediante enlace peptídico. La secuencia de aminoácidos viene determinada por la secuencia de nucleótidos según el código genético.
La realizan los ribosomas.
Activación de los aminoácidos
Ocurre en el citoplasma.
Cada aminoácido se une a un ARNt específico, catalizado por la Aminoacil-ARNt sintetasa.
El ARNt actúa como intermediario o “intérprete”.
Presenta una estructura en cuatro brazos.
Fases:
Iniciación: El ARNm se une al ribosoma y se coloca en la posición correcta para comenzar la síntesis de proteínas.
Elongación: La secuencia de aminoácidos se va formando según la información codificada en el ARNm a medida que el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm.
Terminación: La síntesis de proteínas se detiene cuando se llega a un codón de terminación. La proteína recién sintetizada se libera del ribosoma y se pliega en su estructura tridimensional funcional.
Cada una de estas fases está controlada por una serie de factores que aseguran la precisión y eficiencia del proceso de traducción. También existen mecanismos de control de calidad que detectan y corrigen errores durante la síntesis de proteínas, para asegurar que la proteína final tenga la secuencia correcta de aminoácidos.
4.1. La Traducción en:
Procariotas:
Transcripción y traducción ocurren en el citoplasma y son casi simultáneos.
El ARNm es menos estable y policistrónico.
Los ribosomas reconocen secuencias de inicio de la traducción.
Los ribosomas son más pequeños (70S).
El primer ARNt lleva formilmetionina.
Poseen factores de iniciación y elongación propios.
Eucariotas:
Transcripción y traducción son procesos separados en el espacio y el tiempo.
El ARNm es más estable y monocistrónico.
Los ribosomas reconocen la caperuza del extremo 5’.
Los ribosomas son más grandes (80S).
El primer ARNt lleva metionina.
Poseen factores de iniciación y elongación propios.
5. Regulación de la Expresión Génica
Implica no malgastar moléculas y energía, y sintetizar las proteínas necesarias solo en el momento necesario dentro del ciclo de vida de la célula.
5.1. La Regulación en Procariotas
La regulación la llevan a cabo todos los organismos vivos, pero es más compleja en los pluricelulares.
Se realiza fundamentalmente interviniendo en el proceso de transcripción, es decir, se controla la producción de los ARNm.
François Jacob y Jacques Monod (1960) propusieron el:
Modelo del Operón:
Genes implicados en la misma ruta metabólica se localizan en zonas adyacentes y su transcripción está controlada por proteínas reguladoras.
Cuatro tipos de genes:
Genes estructurales: Codifican las enzimas que intervienen en la ruta.
Gen promotor: Secuencia de ADN que determina el inicio de la transcripción de los genes estructurales.
Gen operador: Secuencia de ADN donde se une la proteína reguladora para activar o inactivar la transcripción.
Gen regulador: Codifica la proteína reguladora.
Sistema Inducible
Típico en procesos catabólicos.
El gen regulador expresa una proteína represora activa.
El represor impide la transcripción de los genes estructurales.
El represor se inactiva en presencia del sustrato inicial de la ruta, dejando espacio a la ARN polimerasa para que transcriba los genes estructurales.
Sistema Represible
Típico en procesos anabólicos.
El gen regulador expresa una proteína represora inactiva.
La ARN polimerasa puede transcribir los genes estructurales.
El represor se activa en presencia del producto final de la ruta, uniéndose al operador e impidiendo la transcripción de los genes estructurales.
5.2. Regulación en Eucariotas
Regulación a diferentes niveles: transcripción, maduración del ARNm y traducción.
Lo más habitual es la regulación de la transcripción a través de la actividad de la ARN polimerasa.
Importante acción de factores reguladores de la transcripción que responden a diversas señales, como hormonas o la luz, y activan o impiden la acción de la ARN polimerasa.