GENÉTICA Experimentos de Mendel: Leyes de Mendel 1. Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación filial

Transcripción

1 GENÉTICA Un gen es una unidad estructural y funcional de transmisión genética. Es un fragmento de ADN que lleva codificada la información para la síntesis de una proteína. El conjunto de genes que posee un individuo se denomina genotipo, y las características que muestra el individuo fenotipo. A la misma altura en un cromosoma se tiene el gen de un carácter. A las diferentes posibilidades de un mismo gen se les llama alelos. Experimentos de Mendel: Mendel experimentó con la especie del guisante en sus investigaciones debido a: o Existencia de caracteres cualitativos bien definidos y tiempo de generación corto o Obtención de numerosos individuos en cada generación y posibilidad de reproducción por autofecundación o Cultivo sencillo y barato Leyes de Mendel 1. Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación filial Al cruzar dos individuos distintos homocigóticos (puros) todos los descendientes de la primera generación filial son idénticos entre sí. La explicación a esto está en la formación de gametos (meiosis), que se separan recibiendo cada uno un gen. Como los progenitores son homocigóticos todos los gametos de cada uno son iguales. Al ser ambos progenitores distintos, toda la primera generación filial saldrá igual porque cada descendiente recibe un gameto de cada progenitor. 2. Ley de separación de los alelos Cuando se cruzan entre sí los individuos de la primera generación filial, se obtiene una descendencia no uniforme debido a la separación de los alelos implicados en el carácter estudiado. La explicación de esta ley está igualmente en la meiosis. Esta vez los individuos son heterocigóticos y dan lugar a dos gametos distintos. 3. Ley de la independencia de los factores hereditarios Cada par de alelos se transmite de forma independiente y por tanto se obtiene varias combinaciones, algunas de las cuales no están presentes en los parentales. Esta tercera ley tiene excepciones, y es que cuando los genes están ligados en el mismo cromosoma. En este caso, ya que en la meiosis se da crossingover, dos genes en un mismo cromosoma pueden heredarse independientemente. Existen algunos casos en los que las leyes de Mendel parecen no cumplirse, aunque no es así. o Codominancia y herencia intermedia o Interacción génica: consiste en la influencia que existe entre genes en la expresión de un fenotipo. Si esta interacción modifica el 9:3:3:1 recibe el nombre de epistasia. En ella, un gen suprime la acción de otro. o Genes letales: dificulta el desarrollo del ser y provoca su muerte. Alelismo múltiple: En algunos casos, no hay solo dos alternativas para un mismo carácter. grupos sanguíneos. Teoría cromosómica de la herencia En la formación de los gametos, el número de unidades hereditarias se reduce a la mitad y se restaura en la fecundación. Sutton y Boveri sugirieron que la separación cromosómica durante la meiosis era la base para explicar las leyes de Mendel. o Los genes se localizan en los cromosomas o Cada gen ocupa un lugar en un cromosoma (locus) o Los loci se encuentran situados linealmente a lo largo de los cromosomas o Los alelos se encuentran en los loci de los cromosomas homólogos, por lo que existe un par para cada carácter. Determinación del sexo o Sistema XX/YY o Sistema ZZ/ZW o Sistema XX/X0 Aunque el sexo viene determinado fundamentalmente por mecanismos genéticos, existen casos en los que se encuentra implicados factores ambientales. Herencia ligada al sexo. Cromosomas sexuales X e Y, segmento homólogo, segmento diferencial, caracteres ginándricos (sus genes van en el segmento diferencial del X y holándricos (sólo en el Y). Los caracteres cuyos genes se localizan en los segmentos diferenciales de los cromosomas X e Y, presentan herencia ligada al sexo puesto que se heredan de forma diferente en un sexo que en otro. Si el carácter está determinado por genes que van en el segmento diferencial del cromosoma X, los llamamos ginándricos. Las hembras debido a que poseen dos X podrán ser homocigóticas o heterocigóticas para ese gen. Mientras que los machos debido a que sólo tiene un X solo podrán ser hemicigóticos. Hemofilia y daltonismo son recesivos y las hembras portadoras no padecen la enfermedad. Herencia influida por el sexo (calvicie). Por influencia hormonal es dominante en el varón y recesiva en hembra.

2 REPLICACIÓN DEL ADN Hipótesis acerca de los mecanismos de la replicación del DNA: conservadora, semiconservadora y dispersiva. Cuando Watson y Crick elaboraron su modelo de doble hélice, indicaron también el mecanismo para llevar a cabo la replicación del ADN: separación de las dos cadenas y síntesis de la cadena complementaria. Otros investigadores plantearon distintas hipótesis que proponían tres posibles formas de replicación. Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra completamente nueva. Semiconservativa. Una hebra de cada doble hélice procede de la original; la otra se sintetiza de nuevo. Dispersiva. En cada doble hélice existen fragmentos de la original y fragmentos nuevos. Inicio de la replicación La replicación comienza en ciertas zonas del ADN donde existen determinadas secuencias de nucleótidos. En primer lugar interviene la enzima helicasa, que separa las dos hebras de ADN al romper los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. La separación genera tensiones que son eliminadas por las topoisomerasas. Formación de nuevas hebras Comienza la síntesis de hebras complementarias mediante la enzima ADN polimerasa III, que presenta las siguientes características: Recorre la hebra original en sentido 3 5 Une nucleótidos en sentido 5 3 (la nueva hebra crece en este sentido) Utiliza nucleótidos trifosfato (que aportan energía) La síntesis no puede comenzar por sí misma. Es necesario que exista una cadena corta de ARN denominada ARN cebador. El ARN cebador es sintetizado por la enzima primasa que, utilizando ADN como molde, sintetiza ARN complementario de este. A medida que la doble hélice del ADN original se va separando se forma la burbuja de replicación. Existe una horquilla de replicación en cada extremo, pues el proceso es bidireccional. La síntesis de una de las hebras es continua, ya que a medida que se abre la doble hélice, la ADN polimerasa III va avanzando y añadiendo nuevos nucleótidos a la cadena en formación. Dicha hebra se denomina hebra conductora. Sin embargo, la otra cadena es complementaria, y la ADN polimerasa debería recorrerla en sentido 5 3 añadiendo nucleótidos en sentido 3 5, lo cual no es posible. La síntesis en este caso es discontinua y se produce en segmentos separados. Esta cadena se denomina hebra retardada. Los segmentos de ADN sintetizados de este modo se conocen como fragmentos de Okazaki, y cada uno necesita un ARN cebador para iniciar su síntesis. Los fragmentos de Okazaki se unen gracias a la acción de las enzimas ligasas. La enzima ADN polimerasa I elimina los ARN cebadores. Esta misma enzima rellena el hueco dejado por el ARN cebador eliminado. Finalización Al acabar el proceso, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de patrón aparecen enrolladas originando una doble hélice. Expresión del mensaje genético Corrección de errores La ADN polimerasa III no une los nucleótidos que no sean complementarios, aunque en ocasiones se produce un error. En estos casos el nucleótido mal emparejado es eliminado por la acción de enzimas nucleasas. Existe un proceso posreplicativo de corrección de errores en el que participan varias enzimas: Endonucleasas: detectan errores y cortan la cadena anómala. Exonucleasas: eliminan el fragmento incorrecto. ADN polimerasas: sintetizan el fragmento sustitutivo. ADN ligasas: lo unen al resto de la cadena.

3 La información genética de la célula es la causa de la síntesis de proteínas específicas, entre ellas las enzimas. A raíz de varios experimentos en los que se alteraba el ADN, se enunció la hipótesis un gen-una enzima, según la cual cada gen (fragmento de ADN) lleva información para una enzima. Posteriormente, esta hipótesis fue ampliada, ya que el gen podía codificar una proteína cualquiera. Algunas proteínas están constituidas por más de una cadena polipeptídica, por lo que se dice que cada gen codifica una cadena polipeptídica. El dogma central de la biología molecular dice que El ADN copia una parte de su mensaje sintetizando una molécula de ARN mensajero (transcripción) la cual constituye la información utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína (traducción). Aunque este dogma afirma que la información genética pasa del ADN al ARN, existen algunas excepciones como los retrovirus, que poseen ARN como material genético y cuando se introducen en una célula pueden sintetizar ADN. Transcripción Consiste en copiar una parte del mensaje genético desde ADN a ARN que se puede utilizar para sintetizar proteínas. La síntesis del ARN se produce gracias a la acción de ARN polimerasa ADN dependiente, que tiene las siguientes características: Une nucleótidos en sentido 5 3 Utiliza nucleótidos trifosfato (cuya ruptura produce energía) Necesita ADN como patrón para establecer la secuencia de bases del ARN. La cadena de ARN sintetizada es complementaria de la de ADN y por tanto, igual a la otra hebra de ADN. Se fija a regiones específicas del ADN (genes promotores) para comenzar su acción. Transcripción en células procariotas Existe una única ARN polimerasa que se une al cofactor y se debe fijar a una zona del ADN (por ejemplo TATAATG). La ARN polimerasa fijada al ADN produce el desenrollamiento de la doble hélice. Comienza la actividad sintetizadora del ARN (sentido 5 3 ). La formación de la cadena de ARN finaliza cuando la polimerasa llega a una zona del ADN denominada señal de terminación. El ARNm se puede utilizar para la síntesis proteica sin que el proceso de transcripción haya finalizado. Los ARN transcritos que originarán ARNr y ARNt requieren un proceso adicional de maduración para ser funcionales. Transcripción en células eucariotas Existen tres ARN polimerasas: -ARN polimerasa I: Transcribe la información correspondiente a los ARN ribosómicos. -ARN polimerasa II: Se encarga de la transcripción de los genes origen de los ARN mensajeros. -ARN polimerasa III: Es responsable de la producción de los ARNt, ARNr y realiza la transcripción de los genes que portan información para las histonas. Fases Iniciación: La ARN polimerasa II se una a una zona del ADN llamada promotor. Elongación: Cuando el proceso de transcripción ya está en marcha y se han unido los primeros 30 ribonucleótidos, se añade al extremo 5 una caperuza (metilguanosina) que permitirá la identificación de este extremo en el proceso de traducción posterior. Como en los procariotas, hay una secuencia en el ADN que indica el final de la transcripción. Finalización: La ARN-Pol continúa añadiendo ribonucleótidos a la cadena de ARN hasta que reconoce una señal de terminación (TTATTT). Maduración: En las células eucariotas los genes constan de fragmentos con sentido (exones), es decir, que llevan información útil y de fragmentos sin sentido (intrones) que también se transcriben pero que son posteriormente cortados. En este proceso intervienen espliceosomas. Una vez obtenida una copia del mensaje genético en forma de ARNm, esta dirige la síntesis de proteínas en los ribosomas. El código genético Se denomina código genético a la relación entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituye una proteína. El ARN tiene sus bases en una secuencia concreta que determina el orden en que han de engancharse los aminoácidos. El código genético es la clave que permite la traducción del mensaje genético. Hay cuatro bases nitrogenadas distintas para los 20 aminoácidos. Cada señal que codifica para un aminoácido concreto está constituida por tres bases consecutivas (triplete). De esta forma existen 64 tripletes distintos. Los tripletes del ARNm se denominan codones. Existen 61 codones codificadores de aminoácidos y 3 que señalan el final del mensaje y no especifican ningún Aa. Hay también un codón (AUG) que además de codificar para metionina, es la señal de comienzo.

4 Severo Ochoa descubrió la enzima polinucleótidofosforilasa, capaz de sintetizar ARN a partir de nucleótidos sin necesidad de ADN. Se dedujo que el triplete UUU codificaba para fenilalanina, el CCC para prolina, el AAA para lisina y el GGG para glicocola. Posteriormente se descifraron el resto de tripletes. El código genético tiene las siguientes características: Está formado por una secuencia lineal de bases. Entre los codones no hay espacios. Tiene carácter universal (los ribosomas de una célula pueden traducir cualquier ARNm sea cual sea su procedencia). El código es degenerado, no existe el mismo número de señales codificadores en el ARN que aminoácidos van a ser codificados. Expresión o traducción del mensaje (síntesis de proteínas) En la traducción se necesitan: Ribosomas, donde se realiza la síntesis de proteínas ARNm, que lleva la información para sintetizar cada proteína ARNt, que aporta los aminoácidos Aminoácidos, que van a formar la cadena polipeptidica Enzimas Aminoacil, RNA-t sintetasa, peptidasas Energía, GTP Factores de iniciación IF y terminación. 0. Preparación El ARNt se activa con ATP gracias a la aminoacil-arnt-sintetasa. Estas enzimas acoplan cada Aa a su molécula de ARN. El Aa + ARNt + ATP da lugar al complejo aminoacil-arnt. El ARNt a través de su anticodón reconoce el codón del ARNm. Se necesitan dos señales para comenzar la traducción: La lectura comienza por el triplete más próximo a la caperuza. 1. Fase de iniciación Cuando el ARNm llega al citoplasma, una subunidad ribosómica se une al extremo 5 donde se encuentra el codón AUG iniciador. El ARNt con su anticodón (UAC) deberá situarse con el aminoácido transportado donde esté el codón correspondiente a su anticodón. Una vez unido el ARNt al ARNm se forma el complejo de iniciación formado por ARNt + ARNm + subunidad ribosómica. Posteriormente se acopla la subunidad mayor del ribosoma formando el complejo activo. El ribosoma posee dos lugares a los que se puede unir el ARNt: Triplete iniciador AUG (Met) Caperuza de metilguanosina Lugar P: en el que se une el primer ARNt (Met) -Lugar A: en un principio se encuentra desocupado 2. Fase de elongación Se inicia cuando un segundo ARNt entra en el sitio A. Los Aa se unen entre sí mediante un enlace peptídico gracias a una enzima. El ARNt, sin Aa sale del ribosoma por el sitio E y se produce la translocación ribosomal. De esta forma se va formando la cadena de Aa hasta que llega el codón de finalización. 3. Fase de terminación En un momento determinado aparece en el sitio A un codón sin sentido (UAA, UAG ) con lo que no entrarán más ARNt. Cuando aparece el codón de terminación, un factor de liberación para la traducción. El péptido estará acabado y se liberará en el citoplasma y los ribosomas quedan con las subunidades separadas para iniciar una nueva traducción. Diferencias en la traducción de procariotas y eucariotas En procariotas -La transcripción y traducción se dan a la vez y en el mismo lugar -Los ribosomas son 70S -Los genes son unidades continuas En eucariotas -Transcripción y traducción son procesos independientes -No todos los genes se transcriben -Los genes están fragmentados (hay intrones y exones)

5 Regulación de la expresión génica Se debe regular la síntesis proteica acorde a las necesidades de cada momento. La regulación se realiza principalmente en el proceso de transcripción. Regulación en procariotas Sigue el modelo del Operón (Jacob y Monod en 60). La regulación se hace a través de genes reguladores que codifican proteínas llamadas represoras. Estas impiden que actúe la ARN-Polimerasa frenando así la transcripción y por tanto la síntesis proteica. Un Operón consta de los siguientes elementos: Promotor (P): Es la secuencia de ADN a la que se une la ARN-Polimerasa para iniciar la transcripción. Genes estructurales: Codifican la síntesis de proteínas que intervienen en una misma ruta metabólica Gen operador: Es la secuencia de ADN a la que se puede unir una proteína represora. Se sitúa entre el promotor y los genes estructurales. Gen que codifica la proteína represora. Cuando esta se une al operador impide que la ARN-Polimerasa se pueda unir al ADN. Existen inductores que asociándose a los represores los inactivan permitiendo el trabajo de la ARN-Polimerasa. A esto se le llama inducción enzimática. Un ejemplo es el operón LAC, responsable del catabolismo de la lactosa en una bacteria EscherichiaColi, donde la lactosa actúa como inductor. Otro mecanismo de regulación en procariotas Algunos operones funcionan según la represión enzimática. En esta, el gen regulador codifica la formación de un represor inactivo que puede impedir la transcripción cuando se activa. Esto ocurre cuando aparece un correpresor. Un ejemplo sería el operón HIS donde el correpresor es la histidina. Regulación en eucariotas Se produce mediante activación de la transcripción de unos genes y la represión de otros. No todos los genes se expresan igual en todas las células, aunque todas tienen los mismos genes. Por ejemplo, la hemoglobina sólo se sintetiza en los glóbulos rojos, los anticuerpos sólo se sintetizan en los linfocitos Se da una compleja regulación en los organismos eucariotas, especialmente en los pluricelulares. Esta regulación se da, por un lado, al inicio de la transcripción sobre la actividad de la ARN-polimerasa. Por otro lado, hay una regulación hormonal. Hay dos tipos: Las hormonas esteroideas penetran dentro de la célula y tras su unión con ciertas proteínas, pasan al núcleo y allí se fijan a unas secuencias del ADN induciendo la transcripción de determinados genes. Las hormonas peptídicas no atraviesan la membrana, sino que se unen a receptores específicos presentes en ella, lo cual provoca la activación de la enzima adenilatociclasa que cataliza la síntesis de AMPc a partir de ATP. Este AMPc actúa como un mensajero intracelular y activa proteínas reguladoras de la transcripción. En eucariotas, al existir la maduración del ARN (eliminación de intrones), puede ser que sea un punto de regulación pues pueden sintetizarse mensajeros que en unas células maduran y en otras no.