Concepto de Gen
En genética clásica o mendeliana, el gen se define como la unidad elemental de la herencia, responsable de una característica concreta (un carácter). En genética molecular, un gen es una región del genoma que contiene la información necesaria para sintetizar un polipéptido.
La mayoría de los genes son fragmentos de ADN que codifican una cadena polipeptídica. Las proteínas complejas pueden ser codificadas por un conjunto de genes. También existen genes que no se traducen, sino que realizan funciones reguladoras (inicio y final de la transcripción). Otros genes forman ARNt y ARNr, por lo que tampoco se traducen.
En eucariotas, los genes poseen regiones codificantes llamadas exones alternadas con otras regiones no codificantes, los intrones, que se transcriben a ARNm pero que no se traducen a aminoácidos y han de ser eliminados.
Experimento de Avery, McCarty y McLeod (1944)
Trataron las muestras de Griffith con enzimas para destruir diversas sustancias. Las RNA-asas, proteasas, lipasas y carbohidratasas no eliminaron la actividad transformadora. Solamente la destrucción del DNA elimina esta actividad.
CONCLUSIÓN: El «principio transformador» es DNA.
Diferencias entre Procariotas y Eucariotas
Los procariotas tienen un cromosoma circular en el citoplasma, con una secuencia continua, sin exones ni intrones. Casi toda la información genética es traducida a secuencia proteica. Algunas bacterias contienen plásmidos, que son pequeñas moléculas de ADN circular que tienen genes como los de resistencia a antibióticos. Los plásmidos se replican de forma independiente y pueden ser transferidos a otras bacterias.
En los eucariotas, la mayor parte del ADN está en el núcleo, y sus genes están compuestos de exones e intrones. Algunos orgánulos, como las mitocondrias y los cloroplastos, contienen fragmentos propios de ADN. Menos de un 10 % codifica proteínas, el resto presenta secuencias repetitivas.
Procariotas
- Semiconservativa
- Se copian las dos cadenes, pero en una hebra el proceso es continuo y en la otra hebra discontinuo
- Bidireccional, a la vez desde el punto inicial
Replicación del DNA: Experimento de Meselson y Stahl (1957)
Meselson y Stahl (1957) diseñaron un experimento para tratar de averiguar la forma en la que se realiza la replicación del ADN en E. coli. Diseñaron un experimento en el que marcaban el ADN de la bacteria E. coli con Nitrógeno pesado N15, para ello hicieron crecer las bacterias durante varias generaciones sucesivas en un medio que contenía como única fuente de Nitrógeno N15. Durante esas generaciones, el ADN de las bacterias se había sintetizado con bases nitrogenadas con Nitrógeno pesado (N15). Posteriormente, comprobaron que podían distinguir el ADN del las bacterias que crecían en un medio normal (con N14) del ADN de las bacterias que habían crecido durante 14 generaciones en N15. Para ello extrajeron el ADN de ambos tipos de bacterias y lo centrifugaron. El resultado fue que la densidad del ADN de las bacterias que habían crecido en presencia de N15 era mayor que el ADN de las bacterias que habían crecido con N14.
Una vez comprobado que eran capaces de distinguir el ADN de ambos tipos de bacterias, continuaron el experimento de la siguiente forma: Las bacterias que habían estado creciendo en Nitrógeno pesado (N15) las pasaron a un medio de cultivo que contenía N14 (Nitrógeno normal) y a distintos tiempos, media generación, una generación, dos generaciones, tres generaciones de replicación, tomaban una muestra del cultivo bacteriano, extraían el ADN y centrifugaban en gradiente.
Mecanismo de Replicación
Ocurre en la fase S del ciclo celular
Se necesitan:
- DNA molde
- Desoxirribonucleótidos trifosfato de A, T, G y C
- Energía (en forma de dNTP)
- DNA-polimerasas y otras enzimas
Enzimas
- Girasas o topoisomerasas → Desenrolla la doble hélice.
- Helicasas → Rompen los puentes de H y separan las dos hebras de DNA.
- Proteínas SSB, → Unión a DNA monocatenario (para que no se formen los puentes de H)
- Primasa → Síntesis de RNA cebador o primer.
- DNA polimerasas I, II y III → Síntesis de DNA
- Ligasa → Unión de los fragmentos adyacentes mediante un enlace éster.
Mecanismo de Acción
Comienza en oriC, o punto de origen de replicación.
Se necesitan dos complejos multienzimáticos que avancen en sentidos opuestos.
Se forma una burbuja que avanza en las dos direcciones, horquillas de replicación.
DNA-pol son enzimas procesuales, que realizan dos acciones a la vez: leen y unen
- Avanzan sobre hebra → LECTURA en sentido 3´→ 5´
- Añaden nucleótidos complementarios → CATÁLISIS en sentido 5´→ 3´ (45.000 npm)
Se presentan dos problemas:
- Les DNA-pol no comienzan “de novo”, requieren un fragmento preexistente al cual unir nucleótidos.
- No se pueden copiar las dos hebras, porque solamente se une al extremo 3´.
Solución Problema 1
- La primasa sintetiza un fragmento de RNA, el primer o cebador, de 40-50 nucleótidos
- La pol III une nucleótidos de DNA al extremo 3´
- La pol I hidroliza el RNA del cebador (actividad exonucleasa) y lo sustituye por DNA (polimerasa)
- No está claro el papel de la pol II, (puede sustituir a la pol I)
Solución Problema 2
- Crecimiento continuo de la cadena conductora o cadena avanzada en sentido 5´→3´ (se necesita 1 cebador para comenzar)
- Crecimiento discontinuo de la cadena ralentizada o cadena retardada en pequeñas zonas (se necesiten muchos cebadores)
- Quedan pequeños fragmentos de 1000-2000 nucleótidos, los fragmentos de Okazaki
Transcripción
La transcripción es la formación de ARNm a partir del ADN. Constituye el mecanismo para la expresión de la información genética
Introducción. Genes Estructurales
Sintetizan proteínas (enzimas), cuya acción se manifiesta en la producción de caracteres del organismo. Supone la transcripción y la traducción
Genes Reguladores
Su expresión no produce directamente ningún carácter del organismo, sino que regulan los procesos de replicación, de transcripción o de traducción. Pueden sintetizar rRNA, tRNA (transcripción) o proteínas reguladoras (traducción) que se unen al DNA
MECANISMO DE TRANSCRIPCION: • Es un proceso selectivo, no hace falta copiar toda la información del cromosoma, solo la del gen de interés. • Reiterativo, se realizan varias transcripciones del mismo gen, (sintetizar cantidad abundante de alguna proteína) • Sólo se trabaja en una hebra de ADN, llamada hebra molde, la otra cadena es la informativa o codificante. • Asimétrico, cualquiera de las dos hebras puede ser la hebra molde, pero corresponde a genes diferentes.
La información pasa del DNA al mRNA durante la interfase. (G1 y G2 principalmente) Se necesita: – Cadena DNA como molde – ribonucleótidos trifosfato, que proporcionan los monómeros y la energía necesaria – RNA-polimerasas (1 en procariotas y 3 en eucariotas)
PROCARIOTAS ❑Solo se copia un fragmento (GEN) de 1 hebra → MOLDE ❑La otra es la CODIFICADORA, que coincide con el RNA formado (cambiando T per U) ❑ En un gen, la hebra molde siempre es el mismo. ❑La unidad de transcripción o gen está formada por una región codificadora, (se transcribe) y dos no codificadoras, (no se transcriben), el PROMOTOR y el TERMINADOR. ❑RNA-pol es también una enzima procesiva ❑Lee el DNA en sentido 3’→5’ i sintetiza el RNA en sentido 5’→3’, pero no necesita cebador. ❑ Velocidad de transcripción, 30-40 nucleótidos/segundo ❑ Es un holoenzima formado por 4 subunidades ❑ Necesita la unión con una subunidad (s) para cambiar su conformación y activarse
Iniciación
La ARN polimerasa cambia de configuración para poder reconocer y fijarse a una región concreta del ADN llamada promotor.
En el promotor hay unas secuencias de consenso (TTGACA o TATAAT), situadas antes del punto de inicio, que indican dónde debe comentar la síntesis de ARN y qué cadena de ADN tiene que ser transcrita.
Después, la configuración de la ARN polimerasa se abre y desenrolla una vuelta de la hélice de la molécula de ADN, creando burbuja de transcripción, y permitiendo la síntesis de ARN a partir de la cadena que utiliza como molde.
Cuando ya se ha fijado la ARN polimerasa, se libera el factor σ y podrá ser utilizado por otras enzimas para poder reconocer dónde fijarse a otra cadena de ADN.
Elongación
Después de que la ARN polimerasa haya desenrollado una vuelta de hélice del ADN, se desplazará por la cadena molde de ADN en sentido 3’→5′, mientras añade ribonucleótidos a la nueva cadena de ARNm en sentido 5’→3′, siendo ambas cadenas antiparalelas.
Según se va desplazando la ARN polimerasa sobre la cadena de ADN, ésta recupera su configuración inicial de doble hélice.
La ARN polimerasa selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base nitrogenada es complementaria al desoxirribonucleótido de la cadena de ADN molde, y lo une mediante enlace éster, desprendiéndose un grupo pirofostato (PPi). C, G, A y U del ARN se emparejan con G, C, T y A del ADN.
Terminación
La ARN polimerasa sigue añadiendo nucleótidos hasta que llega a una zona del ADN, llamada señal de terminación. Esta zona se caracteriza por tener una secuencia palindrómica (secuencias que se leen de la misma forma de izquierda a derecha que de derecha a izquierda) con muchos nucleótidos con G y C, seguidos de varios con T. Esto permite que se autocomplete el extremo de ARN y se genere un bucle que provoca su separación del ADN. En ese momento, la ARN polimerasa se separa y se vuelve a formar la doble hélice en el ADN.
Maduración
En procariotas, el ARNm recién formado ya puede utilizarse para sintetizar proteínas en el proceso de traducción. En cambio, el ARN que se ha transcrito (ARN transcrito primario) que originará los ARNt y ARNr tienen que tener un proceso de maduración antes de ser funcionales. Se cortan y unen fragmentos hasta obtener el ARN definitivo.
En la transcripción también se producen errores (uno por cada 104-105 nucleótidos unidos), más que durante la replicación del ADN, pero no son tan importantes porque no se transmiten a la descendencia.
CÓDIGO GENÉTICO: Relación entre la secuencia de bases del mRNA y la secuencia de aa de la proteína ❑ Si existen 4 bases y 20 aa, se necesitan tripletes ya que 4 1=4, 42=16, 43=64 George Gamow (big bang) ❑ Cada triplete de bases del mRNA se denomina CODÓN ❑ Los tripletes correspondientes del DNA son CODÓGENOS ❑ En 1955 Severo Ochoa descubre la polinucleótido fosforilasa.
Características: ➢ UNIVERSAL → compartido por casi todos los organismos, incluso virus, (origen común de todos los seres vivos) ➢ DEGENERADO → 1 aa está codificado por más de un codón (excepto Met y Trp) ➢ SIN SOLAPAMIENTOS → tripletes dispuestos de forma lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas
GENOMA ❑ Conjunto de genes de un organismo ❑ De su estudio se encarga la GENÓMICA ❑ Su objetivo es predecir la función de los genes a partir de su secuencia o de les interacciones con otros genes
PROTEOMA ❑ Conjunto de proteínas que se expresan a partir del genoma. ❑ De su estudio y caracterización se encarga la PROTEÓMICA ❑ Varia en el tiempo según los tipos celulares y momento del desarrollo. ❑ La ausencia, presencia o alteración de algunas proteínas se relaciona con determinados estadios fisiológicos. ❑ En patologías concretes, es posible identificar proteínas que permiten diagnosticar la enfermedad o pronosticar su evolución ❑ Estas proteínas se conocen con el nombre de biomarcadores