La expresión del mensaje genético

1. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

Toda la información genética que contiene un organismo se denomina GENOMA

Un GEN es un segmento de ADN, situado en una zona de un cromosoma; que contiene toda la información necesaria para que mediante la transcripción y la traducción se sintetice una proteína determinada.

La síntesis de ARN a partir del ADN se llama TRANSCRIPCIÓN y la formación de proteínas se llama TRADUCCIÓN.

• Existen algunos genes que sólo se transcriben y no se traducen, ya que solo llevan información para ARNt y ARNr.

• Los únicos genes que se transcriben y traducen, porque poseen información para formar proteínas, son los ARNm.

• Existen secuencias no codificantes, que no se transcriben ni se traducen.

1.- DUPLICACIÓN O REPLICACIÓN del ADN: el ADN se copia

2.- TRANSCRIPCIÓN: a partir del ADN se obtiene ARNm que lleva la información del ADN desde el núcleo a los ribosomas del citoplasma para la síntesis proteica.

3.- TRADUCCIÓN: desde ARNm a aminoácidos, con intervención del ARNt y del ARNr

4.- RETROTRANSCRIPCIÓN O TRANSCRIPCIÓN INVERSA: los virus con ARN poseen un enzima, la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa que sintetiza ADN complementario del ARN vírico.

ARN

El mensaje genético se realiza en dos etapas sucesivas, en las que el ARN es un

intermediario imprescindible.

3 TIPOS:

ARN mensajero: Copia de una parte del ADN. Información utilizada por los ribosomas para unir los aminoácidos en el orden adecuado.

ARN ribosómico: Forma parte de los ribosomas. Participa en el proceso de uníón de los aminoácidos para sintetizar las proteínas

ARN transferente: Transporta los aminoácidos hasta los ribosomas.

2. TRANSCRIPCIÓN

Es el proceso por el cual, se pasa, de una secuencia de bases nitrogenadas del ADN a una secuencia de bases nitrogenadas del ARN.

Ocurre en el interior del núcleo. • Necesita:

• Una cadena de ADN que actúe como molde o patrón, denominada ” Hebra molde”.

• Las enzimas: ARN-

Polimerasa

ADN dependientes (en eucariotas hay tres y en procariotas una)

• Ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.

• Proceso: Iniciación, Elongación, Terminación y Maduración, en eucariotas.

• Existen tres ARN polimerasas en eucariotas:

– ARN poli I, transcribe la información correspondiente al ARNr.

– ARN poli II, transcribe la información correspondiente al ARNm.

– ARN poli III, transcribe la información correspondiente al ARNt.

3. El código genético

• Es la relación que existe entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituyen una proteína.

• La relación que existe entre la secuencia de nucleótidos, escrito en el ARNm mediante un alfabeto formado por 4 bases nitrogenadas, y la secuencia de aminoácidos de una proteína, escrito con 20 aminoácidos distintos.

• Como existen 20 aminoácidos y 4 tipos de nucleótidos, la relación no podía ser 1 aa- 1 nucleótido, tampoco 1 aa-2 nucleótidos (42 =16), sino como mínimo 1aa-3 nucleótidos (43 =64).

• Los tripletes de bases del ARNm se denominan codones.

• Los tripletes de ADN correspondientes son los codόgenos.

• Existen 61 codones codificadores de aminoácidos

• 3 (UAA, UAG, y UGA) llamados sin sentidos que señalán el final del mensaje y no especifican ningún mensaje.

• Y un codón (AUG) que codifica el aminoácido metionina, es la señal de comienzo.

• El código genético tiene las siguientes carácterísticas:

Está formado por una secuencia lineal de bases nitrogenadas.

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

Existen tres tripletas UAG, UAA, UGA indican fin de la traducción que no codifican ningún aminoácido, son las tripletas » sin sentido», de «paro» o » stop». El codón AUG además de codificar para la metionina, actúa como triplete de inicio.

Tiene carácter universal (Todos los seres vivos lo emplean; con ciertas excepciones, por ejemplo, el de las mitocondrias, que tiene algunas diferencias 

El código es degenerado (pues el número de tripletas (64) es superior al de aminoácidos existentes en las proteínas (20). Cada aminoácido viene codificado por más de un triplete, además el número de tripletes varía de 2 a 6, es decir la degeneración no es uniforme

4. TRADUCCIÓN

• Proceso mediante el cual se transforma la información contenida en la secuencia de bases del ARNm en una secuencia de aminoácidos contenida en una proteína.

• Se lleva a cabo en los ribosomas.

• El proceso es prácticamente igual en eucariotas y procariotas, existen algunas diferencias

DIFERENCIAS EN LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

1. Ocurre en Citosol

1. Ocurre en el Núcleo

2. Promotores más frecuentes: TTGACA, TATAAT

2. Promotor más frecuente: TATA o CAAT

3. Un tipo de ARN polimerasa

3. ARN polimerasa I (ARNr), II(ARNm) y III (ARNt)

4. Transcripción continua

4. Transcripción con intrones y exones

5. El ARN transcrito primario no porta restos en sus extremos

5. El ARN transcrito primario lleva:

– Resto metil-guanosina trifosfato (extremo5’)

– Resto poli-A (extremo 3’)

6. El ARN transcrito primario actúa como ARNm sin necesidad de maduración, pero es precursor del ARNr y ARNt

6. El ARN transcrito primario sufre el proceso de maduración para originar el ARNm, ARNr y ARNt

7. ARNm policistrónico (codifica para más de una cadena polipeptídica)

7. ARNm monocistrónico (codifica para una sola cadena polipeptídica)

Ingeniería genética

1. La Ingeniería genética y biotecnología

La biotecnología: es el uso de organismos vivos o sus derivados para generar productos de interés para el ser humano (como alimentos, fármacos u otras sustancias químicas) o solucionar problemas medioambientales

2. INGENIERÍA GENÉTICA

Es el conjunto de técnicas basadas en la manipulación artificial y deliberada del ADN de los organismos.

Mediante la ingeniería genética se puede:

– quitar o añadir uno o más genes a un organismo,

– aumentar el número de moléculas de ADN,

– clonar células e individuos completos,

– crear organismos genéticamente modificados (OGM), etc.

Existen varias técnicas de ingeniería genética, entre las que destacan:

– Obtención de ADN recombinante, es una de las técnicas de manipulación de ADN más usadas, por eso la ingeniería genética también recibe el nombre de tecnología del ADN recombinante.

– La clonación del ADN es una técnica para producir varias copias de un gen específico o de un fragmento de ADN dentro de una célula huésped.

– La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica in vitro que permite obtener de forma muy rápida un elevado número de copias de un fragmento dado de ADN.

– La secuenciación del ADN es una técnica para conocer el orden de los nucleótidos que forman parte de un fragmento de ADN, de un gen, o incluso del genoma completo.

– La tecnología CRISPR/Cas es la técnica utilizada para editar o corregir el genoma de cualquier célula.

2.1. Tecnología del ADN recombinante

• Se denomina ADN recombinante, a las moléculas de ADN en las que se han introducido genes exógenos, que se expresan en un hospedador diferente del organismo del que proceden.

2.2. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

• Mediante esta técnica se consigue generar muchas copias de ADN a partir de un fragmento de ADN.

• Es más rápida y sencilla porque se trabaja in vitro, sin necesidad de recurrir ni a ADN recombinantes ni a cultivos de células huésped.

2.3. La clonación de organismos vivos

• La clonación es una técnica que permite obtener una copia idéntica de una molécula, célula u organismo ya desarrollado, a partir de su ADN.

• Dos clones son individuos genéticamente idénticos.

• La ingeniería genética permite desarrollar tres tipos de clonación:

• Clonación molecular. Permite hacer copias de ADN.

• Clonación de células. Se pueden obtener células genéticamente idénticas que se pueden utilizar para reparar tejidos enfermos sin que se produzca rechazo.

• Clonación de organismos completos. Se obtienen individuos genéticamente idénticos.

b) Cite tres ejemplos concretos en los que se utilicen microorganismos en diferentes ámbitos de la biotecnología, que sean diferentes al ejemplo del enunciado. 

– Uso en la industria farmacéÚtica: Síntesis de antibióticos, Síntesis de hormonas (insulina,

hormona de crecimiento, etc…), Síntesis de vacunas recombinantes, Síntesis de toxoides…

– Tratamiento de problemas medioambientales o biorremediación: Uso de microorganismos en la

eliminación de mareas negras, Depuración de aguas residuales y compostaje, Lixiviación

microbiana o biolixiviación, Bioacumulación (líquenes, musgos, etc…), Control de plagas…

– Industria alimentaria: Aplicación en la fabricación de pan, yogurt, vino y cerveza… –

– Industria energética: Síntesis de bioalcoholes, biogás o gas natural y bioaceites.

La base molecular de la Herencia

El material genético en procariotas y eucariotas

Procariota

– Material genético libre en el citoplasma no asociado a ninguna otra molécula (ADN desnudo).

– Casi todo el ADN sirve como información para la síntesis proteica

– Los genes están formados por secuencias continuas de nucleótidos que sirven todos para la síntesis de proteínas

Eucariota

– Material genético en el núcleo asociado a proteínas (histonas) y en orgánulos (mitocondrias y cloroplastos).

– Sólo el 10% tiene información útil.

– Los genes poseen secuencias sin sentido (intrones) que separan las secuencias con sentido (exones).

– Casi la mitad del ADN es repetitivo

1. La replicación del ADN

• El ADN es la molécula portadora de la información genética.

• Un gen es simplemente un fragmento específico de ADN, es decir, una secuencia de nucleótidos que controla una estructura y/o una función celular.

El ADN es el portador de la información genética y debe transmitirse fielmente a cada una de las células hijas obtenidas tras la división celular. 

Antes de la división celular se produce una copia del ADN lo cual produce réplicas

exacta de sí mismo. Esto se conoce como replicación o autoduplicación , asegura que todas las células de un organismo pluricelular mantengan la misma identidad.

• DEFINICIÓN DE REPLICACIÓN: La replicación del ADN es el proceso mediante el cual a partir de una molécula de ADN progenitora o parental se sintetizan dos moléculas idénticas, con la misma secuencia que el ADN.

Una vez que Watson y Crick dieron a conocer la estructura molecular del ADN con las dos hebras de sentidos opuestos, se planteó el problema de cómo se replicaba el ADN y se propusieron tres modelos de replicación.

HIPÓTESIS sobre la replicación

1. Semiconservativa: una hebra de cada doble hélice procede de la original, mientras que la otra se sintetiza de nuevo

2. Conservativa: la doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra completamente nueva

3. Dispersiva: en cada doble hélice existen fragmentos de la original y fragmentos nuevos

1.1. Mecanismo de replicación

Se lleva a cabo durante la fase S del ciclo celular. Ocurre en procariotas y eucariotas, aunque los procesos son distintos en ambos tipos celulares

ETAPAS DE LA REPLICACIÓN

A. INICIO DE REPLICACIÓN

Es llevada a cabo por enzimas muy específicas:

– La HELICASA se encarga de romper los puentes de hidrógeno entre bases nitrogenadas y separar ambas hebras.

– Las TOPOISOMERASAS se encargan de eliminar las torsiones entre hebras.

– La TOPOISOMERASA I actúa en una hebra

– La GIRASA (topoisomerasa II) en las dos.

• Las proteínas estabilizadoras de la cadena sencilla (SSB) que se unen a la hebra molde una vez separada para evitar que se vuelvan a enrollar mientras se produce la copia.

• La replicación comienza cuando la enzima helicasa reconoce una secuencia de nucleótidos específica, punto de iniciación, y rompe los puentes de hidrógeno entre las bases produciendo la apertura de la doble hélice, de forma que en esa zona se van separando las 2 cadenas de nucleótidos.

• Se forma una estructura llamada burbuja de replicación, que se va abriendo en ambos sentidos dado que la replicación es bidireccional y que da lugar a dos horquillas de replicación , por su forma de Y, una en cada extremo de la burbuja donde se van formando las nuevas cadenas de ADN

• Como consecuencia de la separación de la doble hélice, se producen superenrollamiento en las zonas vecinas, por lo que existen otros enzimas, las girasas o topoisomerasas, que rebajan la tensión y van desenroscando las cadenas.

• Una vez separadas las dos cadenas, estas se mantienen abiertas gracias a la acción de las proteínas SSB que se unen a las hebras individuales y las estabilizan.

B. FORMACIÓN DE NUEVAS HEBRAS

La síntesis de las hebras complementarias a partir de las original se lleva a cabo por la acción de tres enzimas:

ADN POLIMERASA III

ARN PRIMASA (ARN polimerasa ADN independiente)

ADN POLIMERASA I o LIGASA

• Cada una de las hebras abiertas funciona como molde de una nueva.

• La ADN polimerasa III es la enzima principal, encargada de ir colocando los nucleótidos complementarios, formando dos nuevas hebras replicadas.

• Utiliza nucleótidos trifosfato, que proporcionan la energía (ATP, GTP….).

– La ADN polimerasa III, no puede por sí sola comenzar una nueva cadena únicamente puede prolongar una preexistente.

– Como la ADN polimerasa necesita un extremo del que partir para iniciar la síntesis, otra enzima, la ARN polimerasa llamada primasa sintetiza un fragmento corto, de unos diez nucleótidos, de ARN cebador o “primer” en el origen de replicación de las dos hebras de ADN de la burbuja de replicación.

• El ARN cebador coloca los primeros nucleótidos de la nueva cadena dejando libre el extremo 3’

• La ADN polimerasa podrá ahora ir añadiendo los nucleótidos al extremo 3’

• La ADN polimerasa lee la cadena molde en sentido 3’5 ́,pero construye la nueva cadena en sentido 5 ́ 3 ́

• Las POLIMERASAS añaden nucleótidos solamente en sentido (5 ́→3 ́). En consecuencia, las dos cadenas no se replican de la misma forma.

• La replicación continua es posible en la cadena molde (3 ́→5 ́) donde la ADN-polimerasa se mueve en el sentido que la horquilla se abre y sintetiza la llamada cadena adelantada, conductora o continua.

• La ADN-polimerasa que se mueve en la otra hebra parental, en sentido contrario a la horquilla de replicación, va sintetizando pequeños fragmentos denominados fragmentos de Okazaki.

• Estos fragmentos se forman por la síntesis de varios ARN cebadores a lo largo de la cadena que sirve de molde.

• La ADN polimerasa, cambia los fragmentos de ARN cebador por ADN

• Los fragmentos de Okazaki se unen mediante acción de la LIGASA, que rellena los huecos dejados por los ARN cebadores retirados.

C. Finalización

El proceso acaba cuando las dos horquillas de replicación se encuentran en el extremo diametralmente opuesto al origen de replicación. Al acabar el proceso, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de patrón aparecen enrolladas en forma de doble hélice.

1.2. CORRECCIÓN DE ERRORES

• La replicación no concluye hasta que no se comprueba que la copia es correcta.

• El ADN es la única molécula capaz de efectuar una reparación de sí misma.

• Se ha calculado que el ADN polimerasa introduce un nucleótido de manera incorrecta por cada 10.000 millones de nucleótidos que introduce.

• Si los errores no son letales para el organismo y son transmisibles, pueden resultar beneficiosos para la especie al ser fuente de variabilidad genética.

• En la corrección de los errores intervienen varias enzimas:

1. ENDONUCLEASAS: Detectan y cortan la cadena anómala

2. EXONUCLEASAS: se encargan de eliminar el fragmento incorrecto

3. ADN polimerasa sintetiza el fragmento eliminado

4. Y la ADN ligasa vuelve a unir los segmentos de la hebra réplica

Anexo : Enzimas que intervienen en el proceso de replicación

• Girasa (topoisomerasa): desenrolla la doble hélice

• Helicasa: rompe los puentes de hidrógeno, abre la doble hélice

• Proteínas SSB: (single-stranded DNA binding) mantienen abiertas y separadas las cadenas, para que actúen las polimerasas

• ARN-primasa: sintetiza el cebador o primer para empezar la replicación, que es el fragmento de ARN inicial. Usa el molde de ADN y añaden nucleótidos en sentido 5 ́→3 ́.

• ADN-polimerasa: une cada nucleótido a la hebra en formación en sentido 5 ́→3 ́.

• ADN-ligasa: enlaza fragmentos de nucleótidos de una misma hebra

• ADN-endonucleasa: corta enlaces entre nucleótidos de una misma hebra

• ADN-exonucleasa: elimina fragmentos de nucleótidos erróneos de una hebra

Diferencias en el proceso de replicación de eucariotas y procariotas

Procariotas 

Cromosoma: Contiene un solo cromosoma formado por un solo ADN circular situado en el nucleído.

ADN polimerasas: 3 

Inicio del proceso: La copia se inicia en un solo origen de replicación, de forma bidireccional

Burbujas de replicación: Sólo una 

Velocidad de replicación: mayor 

Fragmento de Okazaki: Mayores de 1000 a 2000 nucleótidos

Eucariotas

Cromosoma: Contienen más cromosomas y más grandes, formados por ADN lineal, situado en el núcleo.

ADN polimerasas: 5

Inicio del proceso: Al haber más cantidad de ADN la copia se inicia simultáneamente en varios orígenes de replicación, o replicones, en cada cromosoma, de forma bidireccional.

Burbujas de replicación: varias

Velocidad de replicación: menor

Fragmento de Okazaki: Pequeños de 100 a 200 nucleótidos

A) Explique qué significa que la replicación es semiconservativa

El término “semiconservativa” se refiere a que cada cadena preexistente de ADN sirve de molde para la síntesis de una cadena nueva

B) ¿Qué significa que la replicación del ADN es bidireccional?

Formada la horquilla de replicación, la síntesis de ADN se realiza en ambas direcciones de la horquilla