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El ADN portador de la información genética.
Duplicación del ADN.
Síntesis de proteínas.
Características del código genético.
Regulación de la expresión genética.
El ADN portador de la información genética.
La molécula de ADN es la portadora de la información genética (excepto en los
virus de ARN). Se llegó a la siguiente conclusión, a partir de las siguientes
observaciones y experiencias:
Presencia de ADN en el núcleo y en los cromosomas.
La cantidad de ADN en individuos de la misma especie es constante.
Cuanto más compleja es una especie, mayor cantidad de ADN contiene.
La luz ultravioleta de 360 nm. es la más absorbida por el ADN y es,
precisamente esta radiación, la que provoca las mutaciones.
La prueba definitiva la aportaron las observaciones de Griffith, 1928, sobre
transformaciones en bacterias:
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Duplicación del ADN
Este proceso permite el paso de información genética a las células hijas. A partir de
la estructura de la doble hélice propuesta por Watson y Crick, es fácil pensar cómo
puede producirse: Se separan las dos hebras y los nucleótidos se van uniendo por
complementariedad.
Se propusieron tres hipótesis: Conservativa, semiconservativa y dispersiva.
La comprobación experimental fue realizada por Meselson y Stahl:
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La síntesis del ADN requiere de: la enzima ADN polimerasa III (ADNpol III); la
presencia de desoxirribonucleótidos 5’ trifosfatos de A, T, G y C; iones Mg++; un ADN
patrón; y un extremo 3’ libre de otra cadena que actúa como cebador (la ADNpol III es
incapaz de iniciar una cadena y se limita a añadir desoxirribonucleótidos a una cadena
existente).
La dirección de crecimiento de la hebra o cadena será siempre 5’
3’, es
decir sólo se unen los nucleótidos al extremo 3’ de la cadena de ADN ya formada.
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En un principio se pensó que el crecimiento era unidireccional, cuando en realidad
es bidireccional. Pero ¿Cómo podía sintetizarse la cadena de 3’
5’ si ninguna
ADNpol lo hacía? La respuesta la dio el científico Okazaki, que propuso el siguiente
mecanismo para la duplicación:
En bacterias
1. Existe una secuencia de ADN que será el origen de la duplicación, denominada
señal de iniciación.
2. La enzima helicasa separa las dos hebras, la girasa elimina las tensiones y las
proteínas SSB estabilizan la separación de las dos cadenas.
3. Esto da origen a la burbuja de replicación.
4. El fragmento cebador lo sintetiza la ARNpol, y es un fragmento de ARN de unos 10
nucleótidos denominado PRIMER.
5. Ahora la ADNpol III ya puede ir añadiendo los nucleótidos al extremo 3’
formándose la denominada cadena continua o conductora. La energía para el
proceso se obtiene de los propios dnucleótidos 5’ trifosfatos.
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6. Sobre la otra hebra la ARNpol debe esperar a que la burbuja tenga un tamaño de
unos 1000 nucleótidos a cada lado para poder sintetizar el primer, al que añadirá
dnucleótidos la ADNpol III, formándose el denominado fragmento de Okazaki.
Cada vez que se abre la cadena, se repite el proceso formándose la denominada
cadena discontinua o retardada.
7. Para completar las cadenas, debe actuar la ADNpol I que es capaz de retirar todos
los fragmentos de ARN y sustituirlos por ADN y finalmente interviene la
ADNligasa para unir todos los fragmentos separados.
En Eucariotas
El proceso es similar con ciertas particularidades:
1. Las histonas del ADN original se quedan en la hebra conductora,
sintetizándose nuevas para la retardada.
2. Existen muchos puntos de origen de la replicación, lo que da origen a las
unidades de replicación o replicones.
3. Los fragmentos de Okazaki tienen un tamaño de sólo 100 a 200 nucleótidos.
3. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
La información del ADN podía generar directamente una proteína, sin embargo
debía existir un intermediario, ya que el ADN se encuentra en el núcleo, mientras que
los ribosomas están en el citoplasma. Este era el ARNm y el proceso se realiza en dos
etapas:
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Transcripción
Consiste en la síntesis de moléculas de ARN complementarias de ADN. Las
enzimas que lo llevan a cabo son las ARNpol (son muy complejas, formadas por
muchos polipéptidos). La ARNpol I fabrica los ARNr, la ARNpol II fabrica los ARNm
y la ARNpol III fabrica los ARNt.
Las proteínas se obtienen a partir de los ARNm y en su formación tienen lugar
los siguientes procesos:
1. Iniciación: La ARNpol reconoce y se une a una secuencia específica llamada
promotor.
2. Alargamiento: Se produce por la unión de sucesivos nucleótidos
complementarios de las bases de una de las cadenas del ADN. La dirección de
crecimiento es 5’
3’.
3. Terminación: Se produce cuando se llega a la región terminadora del gen.
Con estos procesos, el ARN de procariotas ya está listo para ser traducido en los
ribosomas, pero no así el de las células eucariotas que debe sufrir una serie de
transformaciones de constituyen la maduración y que le permiten salir del núcleo.
Primero en el 5’ se le añade un 7 metil Guanosina 3P, después se le añade una cola
de poliAdenina de unos 200 nucleótidos en el extremo 3’ y por último se eliminan los
intrones, o zonas sin información para la proteína.
Ahora ya se puede denominar ARNm y salir del núcleo a través de los poros
celulares.
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Traducción
Consiste en la fabricación de la proteína según la información del ARNm. Los
aminoácidos son transportados por los ARNt y el proceso tiene lugar en los ribosomas.
Se distinguen las siguientes etapas:
1.- Activación de los aminoácidos.
Los aminoácidos en presencia de la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa y de ATP,
son capaces de unirse a un ARNt específico y dar lugar a un aminoacil-ARNt
liberándose AMP y 2Pi y quedando libre el enzima.
2.- Iniciación de la síntesis.
El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. A estos se asocia el
aminoacil-ARNt, gracias a que el ARNt tiene en una de sus asas un triplete de
nucleótidos llamado anticodón, que se asocia al primer triplete del ARNm según la
complementariedad de sus bases. A este grupo de moléculas se une la subunidad
ribosómica mayor formándose el complejo ribosomal o complejo activo. Estos procesos
están catalizados por los llamados factores de iniciación (FI). El primer triplete o codón
que se traduce en eucariotas es el AUG que corresponde al aminoácido Metionina, en
procariotas corresponde a la Fenilmetionina.
3.- Alargamiento de la cadena polipeptídica
El complejo ribosomal posee dos centros: el centro peptidil o centro P, donde se
sitúa el primer aminoacil-ARNt y el centro aceptor de nuevos aminoacil-ARNt o centro
A, El radical COOH del aminoácido iniciador, se une con el radical amino NH2 del
aminoácido siguiente mediante enlace peptídico. El centro P queda pues ocupado por un
ARNt sin aminoácido y sale del ribosoma.
Se produce entonces la translocación ribosomal en el sentido 5’
3’ El dipeptidilARNt queda ahora en el centro P. Todo esto es catalizado por los factores de
elongación (FE) y precisa GTP,
Según la información del tercer codón aparece el tercer aminoacil-ARNt que
ocupa el centro A. Se forma el tripéptido en A y posteriormente el ribosoma, realiza su
segunda translocación.
4.- Terminación de la síntesis.
El final de la síntesis viene informado por los llamados tripletes sin sentido:
UAA, UAG y UGA No existe ningún ARNt cuyo anticodón sea complementario de
ellos y por tanto la biosíntesis se interrumpe. Indica que la cadena polipeptídica ha
terminado. Este proceso viene regulado por los factores R.
Un mismo ARNm puede ser leído (traducido) por varios ribosomas a la vez, uno
detrás de otro (polirribosomas).
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Características del código genético
Se sabe que los componentes de las proteínas son 20 aminoácidos. Como tenemos
20 aminoácidos diferentes, como mínimo necesitamos que la información se cada
aminoácido sea por tres bases nitrogenadas, denominadas tripletes o codones. Como al
combinar las tres bases nos dan 64 posibles codones, todos los aminoácidos tienen
varios tripletes, excepto la Metionina y el Triptófano. Debido a esto se dice que el
código genético es degenerado.
El ser degenerado es una ventaja, ya que los errores producidos, por ejemplo por
mutaciones, muchas veces no se aprecian.
El código genético es universal, excepto para el ADN mitocondrial, donde hay
algunos cambios.
El código genético no es ambiguo, sino determinado, ya que a cada triplete le
corresponde siempre el mismo aminoácido.
En el descubrimiento del código genético tuvo una importancia trascendental el
aislamiento de la enzima polinucleótido fosforilasa, por Severo Ochoa en 1955. Este
enzima permite unir nucleótidos entre sí “in vitro”.
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5. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
La cantidad de enzimas presentes en una célula, depende del proceso que se esté
realizando. Cuando varíe el proceso, los enzimas deben desaparecer y formarse otros
nuevos para intervenir en el nuevo proceso. De esta forma se consigue una gran
economía que impera en todas las células y además se evita un posible caos metabólico.
El control de los enzimas que deban fabricarse se lleva acabo a nivel del ADN,
controlando el ARNm que se vaya a transcribir.
En BACTERIAS se descubrió el modelo de OPERÓN que regula el uso de la
glucosa o lactosa como sustrato por parte de la bacteria E. coli.
En el cromosoma de E. coli se distinguen las siguientes partes relacionadas con
el uso de la lactosa:
Cuando no hay lactosa, el represor, que es una proteína sintetizada a partir del
gen regulador, se une al operador e impide la transcripción de los genes estructurales.
En presencia de lactosa, ésta se une al represor y lo anula, de forma que los
genes estructurales pueden sintetizarse.
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Además se descubrió otro control a través del AMPc. Este se forma a partir de
ATP por la enzima Adenilato ciclasa, que se encuentra en la cara interna de la
membrana.
El AMPc se une a la proteína activadora del catabolismo (CAP), formándose es
complejo [AMPc-CAP], que se une al promotor y ayuda a la unión de la ARNpol que
transcribirá los enzimas estructurales.
Cuando aumenta la concentración de glucosa, disminuye la concentración de
AMPc y no se podrá unir la ARNpol y no se transcribirán los genes estructurales.
Cuando no hay glucosa ocurrirá lo contrario.
En EUCARIOTAS
Las células de los organismos pluricelulares responden a las variaciones
hormonales del medio. Todas las células llevan la misma información genética, pero no
se manifiestan todos sus genes. La diferenciación celular, aparece porque se condensan
distintas zonas de los cromosomas en las diferentes células, que además presentarán
distintos receptores en sus membranas.
El control de la expresión es distinto según el tipo de hormona:
a) Hormonas lipídicas: Atraviesan la membrana y se unen a proteínas receptoras
formándose el complejo H-R que va al núcleo y se une a secuencias determinadas del
ADN, induciendo la transcripción de determinados genes. Por ejemplo, las hormonas
anabolizantes provocan la síntesis de proteínas musculares.
B) Hormonas proteicas: No pueden atravesar la membrana. Se unen a recetores
formándose el complejo H-R, que provoca la reacción en el interior por parte de la
Adenilato ciclasa del paso de ATP a AMPc. El AMPc viaja al núcleo y activa las
proteínas reguladoras de la transcripción.
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