Las características o propiedades que debe reunir cualquier molécula para ser el material hereditario son las siguientes:

Transcripción

1 GENÉTICA MOLECULAR

2 ÍNDICE EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 2. CONCEPTO DE GEN. HIPÓTESIS DE LA COLINEARIDAD 3. REPLICACIÓN DEL ADN 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: 4.1. TRANSCRIPCIÓN 4.2. TRADUCCIÓN 5. LA REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA 6. LAS MUTACIONES 7. LAS MUTACIONES Y LA EVOLUCIÓN

3 Las características o propiedades que debe reunir cualquier molécula para ser el material hereditario son las siguientes: CAPACIDAD DE ALMACENAR INFORMACIÓN BIOLÓGICA DE UNA FORMA ESTABLE. POSIBILIDAD DE REPLICARSE Y TRANSMITIRSE DE UNA CÉLULA A OTRA Y DE UNA GENERACIÓN A LA SIGUIENTE. LLEVAR INFORMACIÓN PARA SINTETIZAR OTRO TIPO DE MOLÉCULAS Y ESTRUCTURAS. SER SUSCEPTIBLE DE MUTACIÓN (Y RECOMBINACIÓN)

4 EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA ADN Molécula que constituye los genes. Contiene información para controlar la síntesis de proteínas de una célula u organismo. Es capaz de autocopiarse con gran fidelidad. Tiene un nivel bajo de mutación Está localizado en los cromosomas.

5 EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: EXPERIMENTO DE GRIFFITH (1928)

6 EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: EXPERIMENTOS DE GRIFFITH (1928) Conclusión de los experimentos de Griffith: Existe una sustancia presente en los restos de los neumococos S muertos por calor que es capaz de transformar a los neumococos R vivos en S vivos. Esta sustancia fue denominada por Griffith el Principio Transformante. Principio Transformante CEPA R CEPA S

7 EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: Experimentos de Avery, McCarthy y McLeod (1944) Avery, McLeod y McCarthy, retomaron los experimentos de Griffith y los reprodujeron en condiciones de laboratorio, sin utilizar ratones. Descubrieron que el "principio transformante" descrito por Griffith era el ADN EXPLICACIÓN DEL EXPERIMENTO: Cuando las células S son tratadas con calor, su ADN se fragmenta en numerosos trozos y se rompe la célula. Al mezclar las dos cepas ocurre que algunos de estos fragmentos de ADN penetran en las células R vivas. El fragmento de ADN de la cepa S se une al ADN de la cepa R y al replicarse todo el ADN da lugar la bacteria virulenta. Este proceso se conoce en la actualidad como transformación bacteriana.

8 EL ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: Alfred D. Hershey y Martha Chase (1952) En 1952, Alfred D. Hershey y Martha Chase mediante experimentos realizados con virus bacteriófagos confirmaron definitivamente los resultados obtenidos anteriormente. La comunidad científica admite por fin que el ADN es la molécula portadora de la herencia

9 2. Concepto de Gen. Experimentos de Beadle y Tatum con el moho rojo del pan (Neurospora crassa) (Mutantes auxótrofos) Lograron relacionar directamente la información contenida en el ADN con la síntesis de proteínas. La conclusión de sus trabajos se expresó en su teoría un gen-una enzima.

10 2. Concepto de Gen. un gen-una enzima Un gen es un fragmento de ADN que contiene la información para la síntesis de una enzima. un gen-una cadena polipeptídica Un gen es un fragmento de ADN que contiene la información para la síntesis de una cadena polipeptídica. Posteriormente, se comprobó que la información para la síntesis de cualquier proteína, no solo de las enzimas, se encuentra en la secuencia de bases del ADN. Además algunas proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica.

11 2. Concepto de Gen. Hipótesis de la colinealidad. Francis Crick propuso la hipótesis de la colinealidad: resume conocimientos de la transmisión de la información genética

12 2. Concepto de Gen. Hipótesis de la colinealidad. Dogma central de la biología molecular: Un gen se expresa mediante dos procesos: Transcripción y Traducción. Los ribosomas no entienden el código del ADN. Es necesario cambiarlo, transcribirlo, a un código comprensible. El código del ARN es interpretado, traducido, por los ribosomas.

13 2. Concepto de Gen. Hipótesis de la colinealidad. Dogmas en ciencia?

14 3. REPLICACIÓN DEL ADN Modelo conservativo Modelo semiconservativo Modelo dispersivo Propuesto por Watson y Crick. Modelo aceptado actualmente

15 3. REPLICACIÓN DEL ADN En 1958, Meselson y Stahl demostraron científicamente la hipótesis semiconservativa: /120076/bio22.swf

16 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Modelo semiconservativo

17 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación El mecanismo de replicación fue conocido gracias a las investigaciones de numerosos científicos, entre ellos Severo Ochoa y su equipo. Descubrieron y aislaron una enzima de E. coli, la ADN-polimerasa, capaz de sintetizar ADN in vitro. Su patente fue la más rentable de España, generando hasta 1 millón de euros al año. Para que luego digan que invertir en I+D no es rentable

18 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación En el proceso de replicación, las enzimas Helicasas rompen los enlaces de H y separan las dos cadenas de ADN (consumiendo ATP). Las enzimas Topoisomerasas y girasas cortan una o ambas hebras de ADN para eliminar las tensiones producidas por el desenrollamiento. Después, vuelven a unir los fragmentos. Las proteínas estabilizadoras (SSB) se unen a cada hebra de ADN manteniendo ambas hebras separadas y facilitando el paso de la maquinaria de replicación.

19 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación Se forma así una burbuja de replicación, donde la síntesis de ADN es bidireccional: En cada horquilla de replicación, la lectura de la hebra molde es en dirección 3 5 y la síntesis de la nueva cadena 5 3. Las ADN polimerasas avanzan en dirección 5 3 sobre hebras antiparalelas, luego en direcciones opuestas y a ambos lados del origen de la replicación. Se forman así dos horquillas de replicación.

20 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación Discontinuidad de la síntesis: La hebra que crece en dirección 5 3 es la hebra conductora o líder. En la otra hebra el molde tiene dirección 5 3, luego la ADN polimerasa no puede leer y sintetizar. Por este motivo la síntesis se produce en fragmentos discontinuos y a esta hebra se la llama retardada.

21 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación Una vez se ha formado la burbuja de replicación a partir del reconocimiento de una señal ori C, una ARN polimerasa o primasa sintetiza un pequeño fragmento de ARN tomando como molde el ADN. Se forma así un cebador o primer que proporciona un extremo 3 -OH libre sobre el que la ADN polimerasa podrá añadir nucleótidos. A continuación, la ADN polimerasa III lee la hebra molde en dirección 3 5 y sintetiza la nueva cadena en dirección 5 3. Se forman así los fragmentos de Okazaki en la hebra retardada.

22 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación A continuación la ADN polimerasa I, con función exonucleasa y polimerasa, elimina los fragmentos de ARN y rellena los huecos uniendo nucleótidos por complementariedad. Una enzima ligasa une los fragmentos de ADN de dicha hebra retardada.

23 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación Se completa así la formación de ambas hebras complementarias: /dl/120076/micro04.swf

24 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación Reparación de errores, para mantener la fidelidad de copia: Actividad autocorrectora de las ADN polimerasas: La ADN polimerasa III y I revisan las cadenas formadas y pueden detectar y sustituir nucleótidos mal colocados Corrección postrreplicativa: Existe toda una maquinaria postreplicativa que detecta errores o fragmentos de ADN anómalos y los eliminan. La probabilidad de error disminuye así hasta uno por cada nucleótidos incorporados, aunque también se producen mutaciones que generan variación.

25 3. REPLICACIÓN DEL ADN: Mecanismo de la replicación REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS: (Diferencias con procariotas) Existen numerosos puntos de inicio de la replicación, luego se forman muchas burbujas de replicación en vez de una. ADN unido a histonas (formando nucleosomas) que también se duplican, lo que ralentiza la replicación. Existen cinco tipos distintos de ADN polimerasa. Los fragmentos de Okazaki son de menor tamaño.

26 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN Proceso por el cual una molécula de ADN pasa la información a una molécula de ARN En la transcripción un ADN genera un ARN complementario (ARNm) Solo se trascribe un fragmento de la hebra molde, no la hebra entera El ADN permanece inalterado al final del proceso LOCALIZACIÓN: Procariotas: citoplasma Eucariotas: núcleo

27 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN ELEMENTOS QUE INTERVIENEN ADN molde. Ribonucleótidos trifosfato de A, U, C y G (NTPs) ARN polimerasa. Se fija sobre el ADN molde Lectura sobre el ADN molde 3 5. Polimeriza en dirección 5 3 Reconoce las secuencias de terminación de la transcripción. Cofactor sigma (en procariotas), factores basales y factores de activación (en eucariotas) Enzimas que reconocen el lugar de inicio de la transcripción en el ADN Favorecen la unión de la ARN polimerasa en ese lugar concreto.

28 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN ARN polimerasa, en procariotas hay una, pero en los eucariotas hay tres : ARN polimerasa I que produce la síntesis del ARN ribosómico. La ARN polimerasa II o transcriptasa que se encarga de la transcripción de los genes que originan ARN mensajeros. La ARN polimerasa III que produce los ARN transferentes.

29 ARN polimerasa II o transcriptasa Qué debe hacer? Reconocer las secuencias de inicio de transcripción. Recorrer la hebra molde en sentido 3 5. Reconocer qué ribonucleótido corresponde a cada nucleótido de ADN. Catalizar formación del enlace éster entre ribonucleótidos. Hidrolizar el pirofosfato del nucleótido monofosfato. Reconocer la secuencia de terminación de la transcripción.

30 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN: Iniciación Reconocimiento por la del centro promotor. En procariotas: región rica en A y T. Dos centros promotores: ( 35, TTGACA y a 10 TATAAT. (necesario cofactor SIGMA) En eucariotas: el promotor más frecuente está 25, TATA, llamado caja TATA (necesarios Factores de Inicio de la Transcripción) (TF) Creación de la burbuja de transcripción

31 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN: Elongación ARN polimerasa: Lectura 3 5 Adición de NTPs 5 3 por complementariedad (formación de enlaces fosfodiéster entre nucleótidos) Eucariotas: Unión de CAP en 5 (metgtp) que evita la degradación del ARNm y servirá de inicio para la traducción.

32 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN INICIACIÓN Y ELONGACIÓN

33 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ashanimat/molgenetics/transcription.swf TRANSCRIPCIÓN: Terminación Reconocimiento de secuencia de terminación: al llegar a ella la ARN pol libera el ARN sintetizado. Procariotas: secuencia palindrómica (que se lee igual de izquierda a derecha que al contrario) rica en bases G y C. Eucariotas: secuencia de finalización TTATTT. El ARN se separa del ADN formando el transcrito primario. Adición de la cola poli-a (en eucariotas) en el extremo 3 del ARN (interviene en procesos de maduración y de transporte al citoplasma).

34 Secuencias reguladoras Factores de inicio Secuencia TATA (-25) Factores proteicos de la transcripción Posicionamiento de la ARN pol II Promotor Secuencia CAAT (-80) Potenciadoras Secuencia repetida GC (-120) Factores activadores Desempaquetamiento de cromatina. Acoplamiento factores basales y ARN pol II (coactivadores) Silenciadoras Factores represores Impiden acción de los activadores Terminación Secuencia TTATTT

35 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN: Maduración TRANSCRITO PRIMARIO ARN m (sólo en eucariotas, en el NÚCLEO celular) SPLICING: eliminación de los intrones por la RNPpn unión de los exones por ARN ligasas

36 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRANSCRIPCIÓN: Maduración Un mismo gen puede madurar de diferentes maneras, originando diferentes proteínas: om/olc/dl/120077/bio25.swf

37 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: RETROTRANSCRIPCIÓN Los retrovirus están compuestos por una cápside proteica en cuyo interior hay ARN y una enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa: La retrotranscriptasa sintetiza ADN utilizando como molde el ARN viral. Se forman moléculas híbridas ADN- ARN Se destruye el ARN y se forma un ADN de doble hebra (copiando la complementaria) que se integra en el ADN de la célula huésped (provirus). Cuando el provirus se activa, el ADN viral se expresa dando lugar a nuevos virus activos.

38 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRADUCCIÓN Consiste en la traducción del mensaje contenido en el ARNm a proteína. La clave que relaciona las secuencias de nucleótidos del ARNm con las secuencias de aminoácidos de las proteínas. es el código genético.

39 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRADUCCIÓN EL CÓDIGO GENÉTICO: Es universal. Cada aa está codificado por tres nucleótidos (tres bases) que reciben el nombre de triplete o codón. (4 3 =64 codones, tres de ellos de fin -sin sentido-). Es degenerado: un mismo aminoácido puede estar codificado por más de un codón (61 codones=20 aa), debido a la flexibilidad de la tercera base del triplete.

40 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: TRADUCCIÓN La lectura del ARNm se realiza sin espacios, separaciones ni superposiciones. La traducción tiene lugar en el citoplasma y la realizan los ribosomas.

41 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN ACTIVACIÓN DE AMINOÁCIDOS Y FORMACIÓN DE LOS COMPLEJOS DE TRANSFERENCIA: Los aminoácidos no pueden unirse directamente al codón que los codifica. Antes deben ser activados y unidos a un ARNt, mediante la enzima aminoacil-arntsintetasa (altamente específica). En el citoplasma (fuera del ribosoma), aminoácido y ARNt se unen formando el complejo de transferencia. El anticodon del ARNt determina el codón al que se unirá y por tanto el aminoácido que transporta.

42 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN INICIACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA Ocurre en los ribosomas, constituidos por dos subunidades y tres zonas o sedes funcionales: Sede P (peptidil) donde se produce el enlace peptídico entre aminoácidos. Sede A (aminoacil) por la que entran los complejos de transferencia a excepción del primero, que entra directamente en el lugar P.

43 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN FORMACIÓN DEL COMPLEJO DE INICIACIÓN 1. Factores de iniciación (FI) + GTP + Subunidad menor (40S) + ARNt i Met 4. Liberación de FI y unión de subunidad grande (60S) al complejo. 2. Otros FI hacen que complejo anterior reconozca caperuza del ARNm. 3. Rastreo (5 3 ) del codón AUG de iniciación con gasto de ATP. 3. Unión del ARNt i Met (anticodón UAC) con el codón AUG del ARNm.

44 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN ELONGACIÓN Catalizado por el complejo enzimático peptidil transferasa. Unión de aminoácidos entre si y la cadena queda unida al último ARNt que ha llegado. Etapas: o Entrada del ARNt - aminoácido. o Formación del enlace peptídico. o Translocación.

45 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN ELONGACIÓN Complejo de iniciación completamente formado. Sitio P ocupado con ARNt i Met. Sitios A y E vacíos. Llegada del ARNt Thr al sitio A. Intervienen FE-1 y GTP Formación del enlace peptídico entre Met y Thr. Ambos quedan unidos al ARNt de la Thr. Cataliza ARNr 23S del complejo peptidil transferasa Movimiento del complejo traductor un codón en dirección 3. Interviene FE-2 y GTP. Liberación del sitio A.

46 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN ELONGACIÓN Elongación

47 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN TERMINACIÓN La síntesis termina al reconocer el complejo traductor el codón STOP. El Factor de terminación RF se une al codón de terminación e impide que se aloje otro aminoacilarnt en el sitio A. La peptidil transferasa transfiere la cadena en formación a una molécula de agua lo que provoca la liberación de la cadena peptídica en formación.

48 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA. EUCARIOTAS

49 4. LA EXPRESIÓN GÉNICA: ETAPAS de la TRADUCCIÓN nnini/flashanimat/molgenetics/tra nslation.swf /micro06.swf

50 5. LA EXPRESIÓN GÉNICA. REGULACIÓN EN PROCARIOTAS :Modelo del operón ARN-polimerasa Promotor Operador Genes estructurales Dirección de la transcripción Gen regulador Codifica la proteína reguladora Represor activo Inductor (alolactosa) EL OPERÓN LACTOSA Complejo inactivo represor-inductor Promotor Operador ADN ADN Transcripción bloqueada La ARN polimerasa no puede unirse al ADN Transcripción desbloqueada

51 5. LA EXPRESIÓN GÉNICA. REGULACIÓN EN EUCARIOTAS Control de la TRANSCRIPCIÓN (control en la diferenciación celular y de tejidos) Control del PROCESAMIENTO del RNA transcrito Control del TRANSPORTE del mrna del núcleo al citoplasma Control de la TRADUCCIÓN de los mrna a proteínas en el citoplasma. Control de la DEGRADACIÓN (vida media) del mrna Control de la ACTIVIDAD PROTEICA (mediante su activación e inactivación)

52 5. LA EXPRESIÓN GÉNICA. REGULACIÓN EN EUCARIOTAS La regulación hormonal: hormonas esteroideas Proteína receptora Unión del complejo al ADN celular NÚCLEO Transcripción Hormonas esteroideas en el sistema circulatorio Complejo hormona-receptor ARNm Proteínas Traducción de las proteínas inducidas por esteroides CITOPLASMA Cada hormona tiene acceso a todas las células, sin embargo, sólo responden las células diana, que contienen un receptor específico en su citoplasma.

53 6. MUTACIONES. CLASIFICACIÓN

54 6. MUTACIONES. Mutaciones génicas

55 6. MUTACIONES

56 6. MUTACIONES

57 6. MUTACIONES: AGENTES MUTÁGÉNICOS

58 7. MUTACIONES Y EVOLUCIÓN Mutaciones con efectos beneficiosos Ocasionalmente una mutación mejora la función de una proteína. Conformación espacial más adecuada para su función. Sitio activo con mejores propiedades fisicoquímicas para la catálisis. Proporciona ventajas adaptativas. Selección positiva. Sustitución del gen salvaje por gen mutado. neodarwinismo

59 Mutaciones y cáncer División y funcionamiento controlados. Células normales Mutaciones carcinogénicas Mutágenos Pérdida del control Célula maligna o tumoral División y funcionamiento independiente. Tumor benigno Confinamiento Tumor maligno Metástasis Verruga Cáncer o neoplasia