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TEMA 14
GENÉTICA MOLECULAR
Experimentos que demostraron que el ADN es el portador de la información genética
Griffith (1928): las bacterias S poseen un factor
transformante que se transmite a las células
vivas R y las convierte en virulentas
Avery : el factor transformate es el ADN
EL CONCEPTO DE GEN
Desde un punto de vista estructural, un GEN es un fragmento de ADN que contiene la
información genética para un determinado carácter.
Desde un punto de vista funcional, un GEN se define como un fragmento de ADN que
contienen la información necesaria para sintetizar una proteína.
Beadle y Tatum (1958): hipótesis un gen-una enzima. Un gen una proteína.
GENOMA: conjunto de genes de un organismo.
•Procariotas: un solo cromosoma circular. Algunas bacterias poseen plásmidos
que se replican independientemente.
•Eucariotas: la mayor parte del genoma constituye la cromatina localizada en el
núcleo de la célula. Otra parte del ADN se encuentra en las mitocondrias y
cloroplastos.
LA REPLICACIÓN DEL ADN
•
La replicación es el proceso a través del cual el ADN hace una copia de sí
mismo.
•
La replicación es de tipo semiconservativo ya que cada nueva hélice está
formada por una de las cadenas originales y una cadena de nueva síntesis.
•
Durante la replicación enzimas específicas reemplazan los nucleótidos, que
por error han sido incorrectamente apareados.
1. La replicación comienza con la rotura de los enlaces de hidrógeno que unen
las bases complementarias entre las dos cadenas de ADN.
2. Las hélice comienza a desenrollarse.
3. Cada cadena parental constituye el molde para la síntesis de una nueva
cadena.
4. Una cadena se sintetiza de una vez (5’-3’) mientras que la otra (3’-5’) se
sintetiza en pequeños fragmentos llamados fragmentos de Okazaki.
5. A medida que las dos hebras se van separando, enzimas específicas (ADN
pol) van leyendo la secuencia e incorporando los nucleótidos
complementarios.
6. Conforme se van formando las nuevas cadenas se establecen enlaces de
hidrógeno entre las bases y las hebras se van enrollando.
7. El resultado son dos moléculas de ADN iguales entre sí e iguales a la
molécula original.
LA EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
-
Las proteínas son macromoléculas constituidas por unidades
más pequeñas denominadas aminoácidos.
-
En la naturaleza existen 20 aminoácidos diferentes.
-
Cada aminoácido tiene un ARNt propio.
-
La información contenida en el ADN está organizada en forma
de tripletes. Cada triplete constituye una de las tres
combinaciones de tres nucleótidos.
ADN –proteínas
1. Transcripción : proceso que consiste en copiar la información
contenida en el ADN a una molécula de ARNm. La
complementariedad es G-C A-U. Este proceso ocurre en el
núcleo. El ARNm sintetizado sale al citoplasma a través de los
poros nucleares.
2. Traducción: consiste en traducir el mensaje contenido en el
ARNm en un polipéptido.
TRANSCRIPCIÓN
Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ADN se copia en una
molécula de ARN
EUCARIOTAS
PROCARIOTAS
VIRUS de ARN:
• ARN replicasa: capaz de fabricar copias del ARN
• Transcriptasa inversa: sintetiza ADN a partir de ARN
• Tiene lugar en el interior del núcleo
• Enzima: ARN polimerasa
• Una en procariotas
• Tres en eucariotas
ARNpol I: formación del ARNr
ARNpol II: síntesis de ARN m
ARNpol III: síntesis de ARNt y un ARNr de pequeño tamaño.
• Nucleótidos: AGCU . Se unen mediante un enlace éster entre el H3PO4 situado en la
posición 5’ del ribonucleótido fosfato y el –OH en posición 3’ del último ribonucleótido
de la cadena de ARN en formación.
FASES
• Iniciación
• Elongación
• Terminación
• Maduración
UNIDAD DE TRANSCRIPCIÓN
• Región del DNA que se extiende desde el promotor y el terminador.
El ARN que se sintetiza en dirección 5’-3’ es el tránscrito primario.
• En procariotas puede ser el producto de varios genes continuos. En
eucariotas es el producto de un solo gen.
INICIACIÓN
• La ARN pol II reconoce las
secuencias promotores.
• La ARN pol II tiene acción helicasa.
• Se forma la horquilla de replicación.
ELONGACIÓN
Se unen nucleótidos fosfato.
En eucariontes tras los primeros 30 nuc
se añade una caperuza formada por
metil-guanosil-P que será señal del
inicio de lectura durante la traducción.
TERMINACIÓN
• PROCARIONTES:
• La señal de terminación es una secuencia palindrómica formada por
GC seguidas de varias T que originan un bucle al final de la secuencia.
•
EUCARIONTES:
•
El ARNpol transcribe secuencias regiones de ADN que exceden la
longitud de la secuencia codificante.
•
La secuencia AAUAA aparece unos nucleótidos antes de la señal de
terminación.
•
La enzima poli A añade en el extremo 3’ una cola de poli A
MADURACIÓN
• PROCARIONTES:
• El ARNm puede ser traducido directamente a proteínas.
• El ARNt y el ARNr se encuentran en una larga cadena (tránscrito
primario) que es cortada por enzimas específicos para dar los
correspondientes ARNt y ARNr
•
EUCARIONTES:
•
Cada gen consta de intrones (secuencias no codificantes) y exones
(secuencias codificantes).
•
Participa la enzima RNPpn (ribonucleoproteína pequeña nucleolar).
•
Un mismo ARNm puede dar lugar a distintos genes dependiendo del
proceso de maduración.
MADURACIÓN DEL ARNm (SPLICING)
EL CÓDIGO GENÉTICO
EL CÓDIGO GENÉTICO
• Es universal. Excepciones en bacterias y en mitocondrias.
• Es degenerado: varios codones codifican para el mismo
aminoácido (61 codones codificantes.
• Codones de término UGA, UAG, UAA : algunos codones no
codifican para ningún aa sino que marcan el final del proceso de
traducción.
• El codón de inicio AUG es la señal de inicio para que comience
la traducción y codifica para el aa metionina.
• No hay solapamiento
TRADUCCIÓN
RIBOSOMA
TRADUCCIÓN
1. ACTIVACIÓN ATP
2. INICIACIÓN
3. ELONGACIÓN
4. TERMINACIÓN
GTP
TRADUCCIÓN
1. ACTIVACIÓN
aa +
ARNt
Aminoacil ARNt- sintetasa
ATP AMP+PPi
Aminoacil-ARNt
TRADUCCIÓN
1. INICIACIÓN
1º Complejo de iniciación
• La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm
• Entra en el sitio P un aminoacil ARNt (UAC)
• El primer ARNt lleva unido N-formil metionina en
bacterias y metionina en eucariotas.
2º Unión de la subunidad grande del ribosoma
Estos procesos están regulados por los factores de iniciación y requieren
gasto de GTP
TRADUCCIÓN
2. ELONGACIÓN
• El siguiente aminoacil-ARNt entra en el sitio A del ribosoma
• Formación del enlace peptídico entre el aa que ocupa el sitio
P y el que se encuentra en el sitio A.
• Desplazamiento de ARNt del sitio P al sitio E desde donde
sale del ribosoma.
• Desplazamiento del ARNt peptidil al sitio P.
• Entrada de un nuevo aminoacil ARNt al sitio A.
La unión de los aa está catalizada por el propio ARNr (riboenzima)
TRADUCCIÓN
3. TERMINACIÓN
• Reconocimiento del codón de término.
• Entrada de un ARNt que reconoce la señal de término al
sitio A.
• Liberación de la cadena polipeptídica.
• Liberación del último ARNt.
• Separación de las dos unidades de los ribosomas.
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
EN PROCARIOTAS: EL OPERÓN
Descrito por Monod y Jacob en E.coli (50’)
Consta de las siguientes partes:
• Promotor (P): secuencia de nucleótidos de ADN a la que se une la ARN polimerasa para
inicial la transcirpción de un gen o un conjunto de genes.
• Genes estructurales: aquello que codifican la síntesis de las proteínas implicadas en un
mismo proceso metabólico.
Se transcriben sin interrupción de modo que el ARNm resultante lleva información
para varias proteínas (ARN policistrónico).
• Operador (O): secuencia de nucleótidos situados entre el promotor y los genes
estructurales.
• Gen regulador (r ): puede estar situado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano y
codifica la proteína que actúa de represor. Cuando la proteína represora se asocia al
operador impide la transcripción.
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
EN EUCARIOTAS
• Peor conocido que en procariotas.
• Presencia de activadores y de promotores
• Proteínas que activan la transcripción
• miARN’s y ARN’s de interferencia
• Hormonas esteroideas
LAS MUTACIONES
Las mutaciones son cambios aleatorios que se producen en el ADN de un
organismo. Constituyen una fuente de variabilidad genética y un motor para la
evolución de las especies.
Según el efecto sobre
el individuo
Perjudiciales: confieren una desventaja para la supervivencia
del individuo, pudiendo llegar a provocar su muerte.
Beneficiosas: Aumentan la probabilidad de supervivencia del
individuo.
Neutras: no afectan a la supervivencia del individuo ni positiva
ni negativamente.
Somáticas: son aquellas que afectan a las células somáticas. No
Según el tipo de células son heredables.
Germinales: afectan a los gametos. Se pueden transmitir a las
que se ven afectadas
siguientes generaciones.
Según el tipo de
material genético que
se ve afectado
Génicas: provocan cambios en la secuencia de nucleótidos del
ADN.
Genómicas: producen variación en la dotación cromosómica de
una especie.
Cromosómicas: ocasionan cambios que afectan a la estructura
interna de los cromosomas
GÉNICAS
• Transiciones: cambio de una base púrica-púrica o pirimídinica-pirimidínica.
• Transversiones: cambio de una base púrica por otra pirimidínica o viceversa
• Deleciones: pérdida de una base.
• Inserciones: inserción de una base.
GENÓMICAS
• Euploidias: cambio en el número de juegos cromosómicos.
• Monoploidía: un solo juego cromosómico.
• Poliploidía: más de un juego cromosómico
• Alopoliploidía: incorporación de un juego cromosómico de otra especie
GENÓMICAS
• Aneuploidias: cambio en el número de cromosomas (2n ± x).
• Monosomía (2n-1): pérdida de un cromosoma.
• Sexuales: X0 Turner
Y0 letal
• Automosomas: es letal
• Trisomía (2n + 1): más de un juego cromosómico
• Sexuales:
XXY Klinefelter
XXX Triple X
XYY Duplo Y
• Autosomas:
21 Síndrome de Down
13 Síndrome de Patau
18 Síndrome de Edward
Trisomía (2n + 1) autosomas
Síndrome de Down (21)
• 1/1500
• Rasgos mongoloides
• Retraso mental
• Enfermedades de los aparatos circulatorio, digestivo y endocrino.
Síndrome de Patau (13)
• Mueren entre los 3 meses y el año de vida
• Malformaciones múltiples
Síndrome de Edwards (18)
• Muerte pre y perinatal
• Malformaciones y retraso mental
Trisomía (2n + 1) cromosomas sexuales
Klinefelter
• 75% de los casos a un cariotipo (47, XXY).
(56% materno-44%paterno)
• Mosaicismo
• 20% de los casos son mosaicos con las
variantes (48, XXXY) y (48, XXYY)
Triple X (superhembras)
• 1/1500
• Mayor altura
• Retraso mental
• Problemas de coordinación
• 5% de los casos (49, XXXXY)
Duplo Y (supermachos)
• Talla elevada
• Niños normales
• Extremidades largas
• CI inferior al de sus hermanos
• Tendencia al sobrepeso (acumulación de
grasa subcutánea)
• Mamas ligeramente desarrolladas
• Testículos pequeños
• Retraso en el habla, trastornos emocionales
Monosomía
Síndrome de Turner
• Aspecto infantil
• Infertilidad
• Baja estatura
CROMOSÓMICAS
• Traslocaciones e inversiones.
• Delecciones o inserciones
• Duplicaciones
AGENTES MUTAGÉNICOS
FÍSICOS
Radiaciones no ionizantes
•
Radiación UV: Radiaciones de corta longitud de onda.
•
Provoca la formación de un enlace covalente entre dos bases pirimídicas contiguas con la
formación de dímeros de citosina o de timina.
•
Impide que estas bases puedan aparearse.
•
Paraliza la replicación
•
Lesiones en la piel
Radiaciones ionizantes:
•
Longitud de onda muy corta (muy energéticas)
•
Rayos X, γ, y radiaciones α, β de explosiones nucleares.
•
Apertura de anillos y fragmentación de las bases
•
Mutaciones cromosómicas
QUÍMICOS
Desaminantes:
Ácido Nitroso (HNO2):
• Desaminación de las bases nitrogenadas (C en U y A en hipoxantina)
• Incorporación incorrecta de bases
Aquilantes
•
Añaden grupos etilo o metilo
•
Induce errores en la replicación
•
Etil-metano-sulfonato (EMS) Metil-metano-sulfonato (MMS) y Dietil-sulfonato (DES) , gas
mostaza.
Sustancias análogas:
•
Pueden sustituir a las bases nitrogenadas y provocar transiciones.
•
5-bromouracilo en lugar de T y la 2-aminopurina en lugar de A
Agentes intercalantes:
•
Acridina y proflavina : Se insertan entre las bases del ADN dando lugar a inserciones o
deleciones de un solo pb.
•
Benzopireno: se intercala entre dos cadenas de ADN y las une covalentemente.
MUTACIONES INDUCIDAS
SISTEMAS QUE EVITAN LOS ERRORES ANTES DE QUE OCURRAN
• Superóxido dismutasa: este enzima convierte los radicales superóxido en peróxido de
hidrógeno.
• Catalasa: este enzima convierte el peróxido de hidrógeno en agua.
REPARACIÓN DIRECTA DEL ADN
• Fotorreactivación: sistema de reparación directa de los daños producidos por la luz UV
• Transferasa de grupos alquilo (metilo o etilo): elimina los grupos alquilo producidos por el
EMS o por NG. El enzima metiltransferasa transfiere el grupo metilo de la O-6metilguanina a una cisteína (cys) de la enzima.
Reparación directa:
fotorreactivación
Reparación por escisión: daños uv
MUTACIONES NATURALES
SISTEMAS DE REPARACIÓN DEL ADN
a) Reparación de bases mal apareadas
b) Reparación por escisión de bases
c) Reparación por escisión de nucleótidos
d) Reparación por rotura de la doble cadena
SISTEMAS DE REPARACIÓN DEL ADN
ADN polimerasa
E. Coli
Mamíferos
Función
I
α
Llenado del intervalo y síntesis de la hebra
retardada
II
ε
β
γ
Corrección y reparación del ADN
Reparación del ADN
Síntesis de ADN mitocondrial
III
δ
Procesiva, síntesis de la cadena directriz
• Tasa de mutación en humanos 106
• Mayor parte de las mutaciones se acumulan en regiones no
codificantes.
MUTACIÓN Y CÁNCER
Cáncer: enfermedad causada por la proliferación descontrolada de células que
invaden tejidos y órganos (metástasis).
Características de las células cancerosas:
• Se originan a partir de una única célula cancerosa.
• Proliferan continuamente.
• Pierden características fenotípicas.
• Provocan tumores.
Genes implicados
PROTOONCOGENES
• Genes normales presentes en todas las células.
• Implicados en mecanismos de control y diferenciación celular
• Se suelen encontrar reprimidos.
• La mutación de uno de los alelos es suficiente para alterar su función y
transformarlo en un oncogén.
Transformación de un protooncogén en oncogén
• Mutación Puntual (Cáncer de vejiga)
• Reorganización cromosómica
SUPRESORES DE TUMORES (antioncogenes):
• Controlan negativamente la proliferación celular
• Implicados en mecanismos de proliferación celular
• Se suelen encontrar reprimidos.
• Tienen que mutar los dos alelos
GENES DE REPARACIÓN DEL ADN
• Impiden la acumulación de mutaciones en el ADN
• Están activados
• Tienen que mutar los dos alelos
Factores de crecimiento
• Activadores de la proliferación
• Intervienen en la síntesis de proteínas implicas en la progresión del ciclo
celular desde la fase G1 a la fase S.
• Inhibidores de la proliferación. Intervienen en la síntesis de proteínas que
pueden conducir a un incremento de la proliferación celular.
Origen vírico
• Retrovirus (virus tumorales de ARN)
• Virus tumorales de ADN: Papovirus, Adenovirus, virus del herpes
• Transforman las células en tumorales al insertarse en el ADN huésped.
LA BIOTECNOLOGÍA
La biotecnología es la utilización de los seres vivos, o parte de ellos, con el fin de
obtener productos de interés para las personas.
La biotecnología se viene utilizando desde hace tiempo, por ejemplo para hacer
selección de ganado o al utilizar diversos tipos de microorganismos para la
elaboración de productos como el pan, queso, yogurt etc.
Actualmente, la biotecnología emplea técnicas avanzadas de manipulación de ADN.
Usos de la biotecnología:
•Producción de sustancias terapéuticas: hormonas, vacunas…
•Producción de alimentos: aumento de la productividad de cosechas, plantas
resistentes a plagas, etc.
•Eliminación de metales pesados del medio mediante el uso de bacterias.
•Biorremediación: consiste en la utilización de ciertos hongos y bacterias para
eliminar sustancias contaminantes del medio (pesticidas, hidrocarburos, etc..)
•Producción de energía: obtención de gas metano o bioetanol.
LA INGENIERÍA GENÉTICA
La ingeniería genética consiste en la manipulación del ADN de un organismo para conseguir un objetivo
práctico.
Esta tecnología se lleva a cabo mediante la transferencia de uno o más genes de un organismo a otro, ya sea
de la misma especie o de otra.
Se denomina organismo transgénico a aquel cuyo genoma ha sido modificado con genes procedentes de otros
organismos.
El ADN sintetizado de manera artificial mediante la unión de ADN de orígenes diferentes se denomina ADN
recombinante.
Aplicaciones de la ingeniería genética
•Obtención de fármacos: vacunas, proteínas, hormonas.
•Mejora en la producción agrícola o animal.
•Terapia génica.
Implicaciones
•Ecológicas: alteración del equilibrio natural del medio.
•Sanitarias: aparición de nuevos virus o bacterias patógenas que provoquen nuevas enfermedades.
•Sociales: discriminación por presencia o ausencia de determinados alelos.
•Éticas.
•Legales
LA CLONACIÓN
Clonar un organismo, una célula o una molécula significa hacer una o varias copias idénticas del original.
Se distinguen dos tipos de clonación:
Clonación terapéutica:
Tiene como objetivo tratar enfermedades y regenerar tejidos.
Se utilizan células madre (células no diferenciadas que pueden dividirse indefinidamente dando lugar a
diferentes tipos de tejidos).
Las células madre pueden obtenerse de células somáticas o de embriones tempranos.
Clonación reproductiva:
Tiene por objeto conseguir individuos genéticamente idénticos entre sí.
La primera clonación de un mamífero se realizó en 1997 con el nacimiento de la oveja Dolly.
Técnica de transferencia nuclear: utilización de núcleos de células diferenciadas o de células embrionarias
en un estado de desarrollo temprano.
Consideraciones éticas a la clonación:
Posibilidad de crear individuos artificialmente: en humanos esta prohibido por la ley.
Clonación terapéutica: utilización de embriones desechados en tratamiento de la fertilidad.
LA CLONACIÓN DE
DOLLY
EL PROYECTO GENOMA HUMANO
El PGH nace en la década de los 80’ con el objetivo de conocer la secuencia de
nucleótidos en los cromosomas humanos.
Entre sus objetivos destacaban:
• Identificar todos los genes humanos y conocer su localización en los cromosomas.
• Secuenciar cada gen.
• Determinar la función que realiza cada uno de los genes.
El 12 de febrero de 2002 se publicaron los primeros mapas e interpretaciones del
genoma humano en las revistas Science y Nature
Conocimientos actuales:
• Nuestro genoma tiene unos 25.000 genes. No existe relación entre la complejidad de
un organismo y el número de genes.
• El tamaño es de 2.900 millones de pares de bases.
• Muchos de los genes que poseemos parecen proceder de virus y bacterias (ADN fósil).
• Los seres humanos somos genéticamente muy similares por lo que no se puede hablar
de razas. (99,99% de similitud interracial).
• Cada gen puede estar implicado en la síntesis de varias proteínas
• Los genes que codifican son pocos y están alejados entre sí. La mayor parte del ADN
son interrupciones en la secuencia y secuencias repetidas o ADN de función
desconocida.
Actualmente se sabe que el número de proteínas que sintetiza un individuo es superior
al número de genes que posee, por eso los estudios se basan en la Proteómica, que es el
estudio de conjuntos completos de proteínas que codifican los genomas.