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Departamento de Biología y Geología

Departamento de Biología y Geología IES “La C Creueta” reueta” ONIL

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Hemos estudiado en temas anteriores que el ADN tiene como función albergar el mensaje genético del organismo y transmitirlo a la descendencia. Este mensaje genético ha de estar escrito en la molécula de ADN en la única variable que presenta esta sustancia, que es la secuencia de bases nitrogenadas. Sin embargo, ¿Cómo se transmite dicho mensaje íntegro de una generación a la siguiente? ¿Cómo se expresa dicho mensaje en los caracteres biológicos del organismo? La genética molecular da respuesta a estos dos interrogantes.

1. El ADN portador de la información genética En la actualidad tenemos muy claro que el ADN es el portador de la información hereditaria, sin embargo, esto no siempre fue así. Durante un tiempo se pensó que probablemente fueran las proteínas las portadoras de esta información hereditaria. Las primeras evidencias de que era el ADN el portador de la información hereditaria las obtuvo en 1928 Frederick Griffith. Su descubrimiento fue un poco casual, ya que se encontró con él mientras buscaba una vacuna contra la neumonía producida por la bacteria Streptococcus pneumoniae. Griffith, trabajaba con ratones y con dos cepas de esta bacteria patógena: - Cepa S. Formada por bacterias con cápsula que provocan la enfermedad cuando se inoculan en un animal sano. - Cepa R. Formada por bacterias sin cápsula que no provocan la enfermedad.

Estos experimentos permitieron a Griffith deducir que en las bacterias muertas existía “algo” (que él llamó principio transformante) que era captado por las bacterias vivas no virulentas y que transformaba sus caracteres hereditarios convirtiéndolas en virulentas. En 1944, Oswald T. Avery y sus colaboradores demostraron que lo que Griffith llamó principio transformante era en realidad el ADN. 2

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Sin embargo, seguían existiendo dudas y había científicos que seguían pensando que podían ser las proteínas las portadoras de la información genética. Fue en 1952 cuando Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron que realmente era el ADN el portador de la información genética. Para ello llevaron a cabo el siguiente experimento trabajando con el bacteriófago T2 (los bacteriófagos son virus que parasitan bacterias) Hay que especificar que los bacteriófagos están formados por una cápsula de proteínas y en su interior se encuentra el ADN. Prepararon dos cultivos de bacteriófagos, a uno de ellos le marcaron su ADN con 32P y al otro les marcaron sus proteínas con 35S. A continuación, inocularon estos bacteriófagos en sendos cultivos de la bacteria Escherichia coli. Y se obtuvieron los resultados que aparecen en el esquema de la izquierda. Sin embargo, hoy en día se sabe que no siempre es el ADN el portador de la información hereditaria, en algunos virus es el ARN es portador de esta información.

2. Concepto molecular de gen En 1941 George W. Beadle y Edward L. Tatum, trabajando con hongos filamentosos como Neurospora y Penicillium descubrieron que los genes dirigían la formación de enzimas, de tal forma que cada enzima está producida por un gen específico. Este descubrimiento los llevó a la hipótesis: un gen, una enzima. Según la cual el gen contiene la información necesaria para que los aminoácidos se unan en un determinado orden y formen una enzima. En general podemos considerar que un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para que se sintetice una proteína determinada. En procariotas, prácticamente toda la información contenida en el ADN se emplea para la síntesis de proteínas. Sin embargo, en eucariotas tan solo un 10% de la información total de ADN se utiliza para la síntesis de proteínas.

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3. Flujo de la información genética Una vez demostrado que es el ADN el portador de la información hereditaria para dar lugar a las proteínas, había que encontrar quién era el intermediario que transportaba esta información desde el núcleo, donde se encuentra el ADN, hasta los ribosomas en los que se lleva a cabo esta síntesis de proteínas. Las informaciones llevadas a cabo por Jacob y Monod indicaron que este papel lo lleva a cabo un ARN al que se llamó ARN mensajero. Partiendo de esta información Francis Crick postuló lo que se conoce como “dogma central de la biología molecular”. Este se puede resumir de la siguiente manera: “La información genética contenida en el ADN pasa al ARNm durante la transcripción, este sale del núcleo y lleva la información hasta los ribosomas, donde tiene lugar la traducción o síntesis de proteínas; en la traducción además se sintetizan otros ARN como el transferente que transporta los aminoácidos y el ribosómico que forma parte de los ribosomas”

En la actualidad la forma en que se expresa este flujo genético ha sufrido algunas modificaciones. Esto es debido a que se han encontrado un tipo de virus, los retrovirus como el del SIDA, que almacenan su información genética en forma de ARN en lugar de ADN. Estos virus poseen una enzima llamada transcriptasa inversa, que sintetiza ADN a partir de la información contenida en el ARN del virus. Este proceso recibe el nombre de retrotranscripción o transcripción inversa. El descubrimiento de la transcriptasa inversa por el virólogo Howard M. Temin en 1970, obligó a redefinir el dogma central de la biología molecular, que ahora queda de la siguiente forma:

4. Duplicación o replicación del ADN Cuando Watson y Crick describieron la estructura del ADN en 1953, incluyeron en su comunicación una sugerencia sobre cómo podía duplicarse el ADN. Propusieron que la duplicación era semiconservativa (B), es decir, que cada molécula hija está formada por una cadena de la molécula madre, que actúa como molde, y una cadena recién formada. Sin embargo, este no era el único modelo propuesto, existían otras dos hipótesis que intentaban explicar la replicación eran: conservativa (A) y dispersiva (C). 4

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En 1958 Meselson y Sthal realizaron unos sencillos experimentos con Escherichia coli y demostraron que la hipótesis correcta era la semiconservativa.

4.1. Replicación del ADN. Modelo de Watson y Crick

La replicación o duplicación es el proceso mediante el cual el ADN es capaz de realizar copias de sí mismo, tiene lugar durante la Fase S del ciclo celular y sigue el modelo semiconservativo. De este proceso se encargan entre otras unas enzimas conocidas como ADN polimerasas, pero además de estas se precisan un conjunto de proteínas y enzimas que desenrollan las hebras: el replisoma. El replisoma está formado por más de 50 proteínas que intervienen en la replicación, entre las que se encuentran también enzimas correctoras. Vamos a estudiar a continuación el mecanismo de replicación en PROCARIOTAS, concretamente en la bacteria Escherichia coli. Este mecanismo lo podemos separar en tres fases: a. Desenrollamiento y apertura de la doble hélice. b. Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN. c. Corrección de errores.

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a. Desenrollamiento y apertura de la doble hélice Existen un grupo de enzimas que son los encargados de esta cuestión: - Helicasa, separa las dos hebras de ADN al romper los puentes de hidrógeno existentes entre las bases nitrogenadas complementarias (“origen de la replicación”). - Topoisomerasa (topoisomerasa I y topoisomerasa II o girasa), facilitan la apertura, eliminando las tensiones originadas por las hebras al desenrollarse (la desespiralización). Se origina la “burbuja de replicación”; según se va abriendo se le denomina “horquilla de replicación”. - Proteínas SSBP, se encargan de mantener abiertas las dos cadenas, facilitando de este modo su lectura.

b. Síntesis de dos nuevas cadenas. El enzima encargado de la síntesis es la ADN polimerasa III (ADNpol III) esta utiliza nucleótidos trifosfato y mediante la hidrólisis de dos grupos fosfato, obtiene la energía necesaria para la formación de los enlaces fosfodiéster. Sin embargo, este enzima se encuentra con dos problemas: 1. Es incapaz de iniciar por si solo la síntesis de una nueva cadena de ADN. Es decir, no puede iniciar la síntesis de nuovo, solo alargar. 2. Solo “sabe leer” en el sentido 3’⎯→ 5’ y por tanto sintetizar en el sentido 5’⎯→ 3’. Esto es un problema teniendo en cuenta que las dos cadenas se hallan situadas en antiparalelo.

¿Cómo se resuelven estos problemas? 1. El primer problema queda resuelto con la aparición de un enzima, una ARN polimerasa, denominada PRIMASA que sí que puede sintetizar cadenas “desde cero” y fabrica una pequeña cadena de ARN llamada CEBADOR, a partir de este cebador ya puede empezar a alargar la ADNpol III. 2. De las dos cadenas que forman el ADN una está orientada en dirección 3’⎯→ 5’, esta es copiada de forma “continua” (en 5’⎯→ 3’) y se denomina hebra conductora. La otra cadena se encuentra orientada en 5’⎯→ 3’ (antiparalelo), y por tanto la ADNpol III es incapaz de leerla; ¿qué es lo que hace?, espera a que la doble hélice se haya abierto lo suficiente y lee en el sentido que ella sabe (previa síntesis de un cebador), fabricando un pequeño fragmento denominado “fragmento de Okazaki”, por tanto, esta cadena se va sintetizando a pequeños fragmentos y más lentamente que la otra, por ello se le denomina hebra retardada. Una vez copiadas las dos cadenas hay que “eliminar” los cebadores, de ello se encarga la ADN polI con su actividad exonucleásica, y ella misma se encargará de rellenar dichos huecos. Por último, la ADN ligasa une estos nuevos fragmentos a los ya existentes quedando así completas las dos cadenas.

c. Corrección de errores. La actividad de la ADN polimerasa debe ser exacta, rápida y fiel, pues la continuidad de la vida depende de que la información genética se transmita con total fidelidad.

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La actividad de las ADN polimerasas I y III en E. coli conlleva un error de apareamiento cada 106 nucleótidos. Sin embargo, ambas enzimas, además de polimerasa tienen actividad exonucleasa. Así, después de cada proceso de polimerización, estas enzimas “comprueban” el nucleótido adicionado y, si es incorrecto, lo eliminan y sustituyen por el adecuado. La actividad correctora reduce las probabilidades de error a uno por cada 108 pares de bases. Además de la corrección de pruebas existe un mecanismo corrector postreplicativo. Este mecanismo lo realizan las enzimas correctoras del replisoma. En primer lugar, debe reconocerse la cadena de nueva síntesis, donde está el error, y distinguirla de la cadena molde original. Luego se elimina el error cortando un fragmento del ADN que lo contiene mediante una endonucleasa. Finalmente, la ADN polimerasa I rellena el hueco y una ligasa unirá los fragmentos. La corrección postreplicativa reduce la probabilidad de error a uno por cada 1010 pares de bases. Se consiguen identificar los errores durante la corrección post replicativa, porque en la cadena molde, las secuencias GATC tienen la A metilada, mientras que en la réplica aún se tarda un tiempo en metilarse. 1/106 1/108 1/1010

4.2. Replicación en eucariotas

La replicación en eucariotas se produce en la fase S del ciclo celular y es similar a la de procariotas, pero mucho más compleja, por lo que presenta semejanzas y diferencias. A. Semejanzas. - Es semiconservativa y bidireccional. - Existe una hebra conductora, que se sintetiza de forma continua, y una hebra retardada, que se sintetiza de forma discontinua mediante fragmentos de Okazaki. - Se precisa de cebadores para iniciar la síntesis de las cadenas.

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B. DIFERENCIAS - La replicación en eucariotas es mucho más lenta: unas decenas de nucleótidos por segundo frente a los 1.000 de E. coli. - Sólo se realiza en la fase S del ciclo celular. - En eucariotas hay 5 ADN polimerasas: α (sintetiza el cebador y la hebra retardada); β (ligasa: une fragmentos de Okazaki); γ (replica el ADN mitocondrial); δ (sintetiza la hebra conductora); ε (polimeriza los fragmentos de Okazaki). - Los fragmentos de Okazaki son más pequeños. - El ADN de eucariotas está asociado a histonas, que también han de duplicarse. Las histonas nuevas y antiguas se distribuyen al azar entre las hebras hijas. - El genoma eucariota es mucho mayor que el de los procariotas. Consta de numerosas cadenas lineales de ADN. Dado que, además, la replicación es más lenta, duplicar todo el ADN con el modelo procariota tardaría semanas. Para hacerlo en sólo unas horas, los eucariotas presentan numerosas burbujas de replicación. En humanos puede haber unos 30.000 puntos de inicio.

5. La expresión génica La expresión genética consiste en el paso de ADN a proteína. Transcurre en dos etapas sucesivas: - Transcripción (síntesis de ARN). Una cadena del ADN de un gen actúa como molde para la síntesis de ARN complementario. No todo el ADN se expresa. Sólo los genes con información para fabricar una cadena peptídica serán transcritos a ARNm y traducidos a proteínas. - Traducción (síntesis de proteínas). La información contenida en el ARNm transcrito será traducida a una cadena peptídica por los ribosomas, según el código genético, que relaciona la secuencia de bases del ARNm con la secuencia de aas de la proteína

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Aunque la expresión de los genes es universal existen diferencias entre procariotas y eucariotas. PROCARIOTAS GENES

Continuos

ADN

Casi sin histonas y poco empaquetado

ARNpol

Solo un tipo

TIPOS DE GENES

LOCALIZACIÓN MADURACIÓN

Policistrónicos, contienen información para más de una proteína, por eso sus ARNm son policistrónicos Transcripción y traducción no separadas ni en el espacio ni en el tiempo Nunca en el que originará ARNm

EUCARIOTAS Poseen exones (que se transcriben y traducen) e intrones (que se transcriben y no se traducen, ya que se eliminan en la maduración) Con histonas y muy empaquetado (se desempaqueta antes de la transcripción) • ARN polimerasa I. para los ARNr • ARN polimerasa II. Para los ARNm. • ARN polimerasa III. Para los ARNt. Generalmente son monocistrónicos, contienen información para una sola proteína Transcripción y traducción separadas en el espacio y en el tiempo Maduración siempre

Los errores cometidos en el proceso de transcripción son más numerosos que los que tienen lugar durante la replicación del ADN, aunque estos se pueden tolerar ya que no se transmiten a la descendencia.

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6. Transcripción: biosíntesis de ARN La transcripción, es la primera fase de la expresión génica, durante la cual se transfiere la información del ADN al lenguaje del ARN, que se puede utilizar directamente para la síntesis de proteínas específicas. Las principales características de la transcripción son: es selectiva (existen zonas del ADN que no se transcribe) es monocatenaria (solo transcribe una de las dos cadenas del ADN) y es reiterativa (un mismo gen puede transcribirse muchas veces). -

ELEMENTOS NECESARIOS EN LA SÍNTESIS DEL ARNm

a. Una cadena de ADN molde. De las dos cadenas del ADN, sólo se transcribe una (hebra molde), mientras la complementaria no lo hace (hebra informativa o codificante). La hebra molde tiene secuencias reconocidas por las enzimas que intervendrán en la transcripción (secuencias promotoras). La hebra molde siempre se lee en dirección 3’ - 5’, al tiempo que el ARNm se sintetiza en dirección 5’ - 3'. b. Ribonucleótidos. Los ribonucleótidos de A, G, C y U deben estar activados, es decir, en su forma trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP), lo que les dará la energía para su esterificación. c. La ARN polimerasa II o transcriptasa. La ARN polimerasa II es la encargada de sintetizar el ARNm. Para ello debe reconocer las secuencias promotoras que indican el comienzo de la transcripción. Para hacerlo necesita la colaboración de otras proteínas: los factores de transcripción. -

Proceso de la transcripción en eucariotas.

Es un proceso muy complejo y para asegurar su eficacia y precisión existen tres clases de secuencias reguladoras en los genes, todas ellas son activadas mediante factores de transcripción: - el promotor - las secuencias potenciadoras - las secuencias silenciadoras.

Comprende cuatro etapas: - Iniciación - Elongación - Terminación - Maduración.

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a. Iniciación La ARN polimerasa II reconoce y se une a una región del ADN cercana al iniio de la transcripción, denominada promotor, es una zona rica en timinas y adeninas conocida como TATA box. El promotor indica dónde debe empezar la síntesis y qué cadena debe utilizarse como molde. En eucariotas la ARN polimerasa se une a una subunidad denominada factor  , que la ayuda a reconocer y fijarse a la región promotora (sitio de iniciación del gen). En una zona más lejana se encuentran las secuencias potenciadoras (enhancers) que se encargarán de desempaquetar la cromatina y facilitar la unión de los llamados factores basales con la ARNpolII, incrementando la velocidad de las síntesis. Entre las secuencias potenciadoras se encuentran las secuencias silenciadoras (silencers) a las que se unen los factores represores de la transcripción reduciendo la velocidad de esta.

b. Elongación Una vez fijada la ARN polimerasa II, el factor  se libera. Se produce el desenrollamiento de una vuelta de la doble hélice. La ARN polimerasa II recorre la hebra en sentido 3’→5’ y la cadena de ARN se va sintetizando en dirección 5’→3’. Se transcriben tanto intrones como exones. Durante esta etapa, cuando ya se han leído unos 30 nucleótidos, se coloca la caperuza en el extremo 5’ formada por una “metil guanosina trifosfato”. Esta caperuza es reconocida por los ribosomas como lugar de inicio de traducción.

c. Terminación La ARN polimerasa II continúa añadiendo ribonucleótidos hasta que se encuentra con una señal de terminación o poliadenilación TTATTT, que determina el fin de la transcripción. Un enzima añade una cola conocida como cola-poli A. De este modo se ha fabricado el ARN transcrito primario. Este ARN contiene tanto intrones como exones.

d. Maduración Tras la formación de ARN primario tiene lugar el proceso de maduración, ya que se deben eliminar los intrones y unir entre sí los exones antes de que se inicie el proceso de la traducción. En este proceso intervienen las llamadas ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPpn) o espliceosomas. Son enzimas constituidas por una parte proteica y por ARN. Este proceso consiste en hacer cortes entre intrones y exones: - Los intrones se enrollan formando una especie de lazos y la RNPpn se encarga de realizar los cortes (o splicing). Esto es posible ya que su fragmento de ARN que constituye la enzima posee secuencias de bases complementarias a las del intrón. - Una vez eliminados estos, otra enzima (ligasa) se encarga de unir los exones.

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La unión de los exones a veces produce una reorganización que da lugar a secuencias distintas de ARNm, dando así lugar a proteínas diferentes. Esto permite aumentar la diversidad genética de las células y ayuda a “economizar genes” ya que de un mismo gen se pueden obtener distintas proteínas.

7. La Traducción Es el proceso mediante el cual se descodifica el mensaje genético que contiene el ARNm para que se sintetice una proteína. Recuerda que únicamente se transcriben y se traducen aquellos genes que corresponden al ARNm. No se traducen aquellos que corresponden a los distintos tipos de ARN

7.1. El código genético El descubrimiento del código genético se realizó entre 1950 y 1960 y fue consecuencia del trabajo realizado por numerosos investigadores ent...