GENÉTICA Conceptos: Genética. Es la ciencia que estudia la herencia biológica, es decir, la transmisión de los caracteres morfológicos y fisiológicos de un ser vivo a sus descendientes. Genética mendeliana o mendelismo. Es la parte de la Genética que estudia la transmisión de los caracteres hereditarios, teniendo en cuenta las proporciones matemáticas en que aparecen estos caracteres. Genética molecular. Estudia las moléculas que contienen la información biológica y los procesos bioquímicos de su transmisión y manifestación. Un gen es un fragmento de ADN que lleva codificada la información para la síntesis de una proteína. Los genes son las unidades estructuraes y funcionales de transmisión genética. El conjunto de genes que posee un individuo se denomina genotipo, y las características que muestra el individuo fenotipo. Locus (en plural loci). Es el lugar que ocupa un gen en el cromosoma. Cada cromosoma posee muchos loci. Carácter. Es cada uno de los rasgos morfológicos o fisiológicos de un individuo. Ej. color del pelo color de ojos etc. -Carácter cualitativo: Cuando presenta unas pocas alternativas (generalmente dos) claras, fáciles de observar; Ejemplo semilla lisa o rugosa -Carácter cuantitativo: Cuando puede presentarse en diferentes grados entre dos valores extremos. Depende de varios pares de alelos. Ej. el color de la piel. Cuando los genes que los determinan se localizan en los autosomas se denominan caracteres autosómicos. Si están en los heterocromosomas se llaman caracteres ligados al sexo. Cromosomas homólogos o autosomas. Son los dos cromosomas iguales, que en los seres diploides forman cada una de las parejas. Cada uno de ellos procede de un progenitor, por eso la información genética no coincide. En cada pareja de cromosomas homólogos, tenemos los mismos genes, a la misma altura, que controlan los mismos caracteres (uno nos lo da el padre y el otro la madre). Por ello, en los seres diploides, todos los caracteres están regulados por dos genes; sin embargo, en los haploides, solo por uno. Los alelos que controlan un carácter pueden ser iguales (homocigótico) o distintos (heterocigótico). Los cormosomas sexuales o heterocromosomas no se llaman homólogos aunque sean XX en las mujeres. Alelos o alelomorfos. Son las diferentes alternativas que puede presentar un gen, debido a las mutaciones. En la mayoría de los casos cada gen presenta dos alelos, aunque a veces hay más de dos, cuando ocurre esto forman una serie alélica. El alelo más extendido se denomina alelo normal, mientras que los otros, más escasos, se denominan alelos mutados. Alelo dominante. Un alelo se dice que es dominante cuando tienen mayor fuerza de expresión y se manifiestan siempre, se representan por letras mayúsculas. -Alelo recesivo. Un alelo se dice que es recesivo cuando tienen menor fuerza de expresión, sólo se manifiesta cuando el otro alelo es igual que él. Cuando va con el dominante, queda oculto. Se representan por letras minúsculas. -Alelos codominantes. Dos alelos son codominantes cuando los dos tienen igual fuerza de expresión, son equipotentes, se manifiestan los dos. En la herencia intermedia no hay dominancia y aparece una mezcla de los dos genes. Genes letales: dificultan el desarrollo del ser y provocan su muerte. Alelismo múltiple: En algunos casos, hay más de dos alternativas para un mismo carácter. Grupos sanguíneos(a,b,0). Haploide. Individuo en el que los cromosomas de sus células son todos diferentes, es decir, no hay parejas de homólogos y el nº de cromosomas es n. Estos seres sólo poseen un gen para cada carácter. Diploide. Individuo en el que en todas sus células menos en los gametos los cromosomas son iguales dos a dos, es decir están agrupados en parejas. Los gametos sólo poseen un cromosoma de cada pareja y por ello tienen la mitad de cromosomas que las demás. Estos seres poseen dos genes para cada carácter, que pueden llevar la misma o distinta información. Homocigótico o raza pura. Un individuo es homocigótico o raza pura para un carácter, cuando los dos alelos que determinan dicho carácter son iguales. Pudiendo ser homocigótico dominante o recesivo según que los dos alelos sean dominantes o recesivos. Se representan por dos letras iguales mayúsculas o minúsculas según que sea dominante o recesivo AA o aa. Heterocigótico o híbrido para un carácter es cuando los dos alelos que determinan dicho carácter son diferentes. Se suelen representar por dos letras iguales, una mayúscula y otra minúscula Aa. Si el individuo es híbrido para dos caracteres se denomina dihíbrido, si es para muchos polihíbrido. Genes ligados Son genes que se encuentran en el mismo cromosoma, por ello no se heredan independientemente, En el ligamiento absoluto van al mismo gameto y por ello se heredan juntos. Esto ocurre cuando la distancia entre los loci de ambos genes es muy pequeña y no puede haber sobrecruzamiento. Si están separados es lig. Relativo.
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 carác. Determinación del sexo o Sistema XX/YY o Sistema ZZ/ZW o Sistema XX/X0 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. Los hombres que poseen el gen, la padecen. Daltonismo: Es la incapacidad para distinguir los colores verde y rojo. Es un carácter recesivo determinado por un gen que se localiza en el segmento diferencial del cromosoma X; el alelo recesivo determina daltonismo, mientras que el alelo dominante determina normalidad. Las hembras podrán ser: X D X D (normal); X D X d (normal portadora) X d X d (daltónica) Los hombres podrán ser: X d Y (daltónico); X D Y (normal). -Hemofilia: Es una alteración que se caracteriza por la no coagulación de la sangre. Es un carácter recesivo que está determinado por un gen que se localiza en el segmento diferencial del cromosoma X; el alelo recesivo determina hemofilia mientras que el alelo dominante determina normalidad. Las hemofílicas, no suelen nacer debido a que el gen en homocigosis es letal). -Ictiosis: Es una alteración que afecta a la piel. Está determinado por un gen que va en el segmento diferencial del cromosoma Y por ello sólo lo padecen los hombres. Herencia influida por el sexo (calvicie). Por influencia hormonal es dominante en el varón y recesiva en hembra. GENÉTICA MOLECULAR: Recordar los experimentos de Griffith, que demuestran que el ADN es portador de la información genética. Realizados con neumococos R y S. Se creía que eran las proteínas hasta que se demostró que un neumococo se transforma o toma genes de otro, a través del ADN. El dogma central de la Biología molecular: indica cómo fluye la información genética. 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. Expresión del mensaje genético- 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 Aunque el sexo viene determinado fundamentalmente por mecanismos genéticos, existen casos en los que se encuentra implicados factores ambientales. Con el descubrimiento de los retrovirus, se modifica el dogma: Transcripción Traducción ADN ARN Proteína Retrotranscripción o t. inversa 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. En los procariotas los genes son unidades continuas, mientras que en los eucariotas están fragmentados, es decir están constituidos por fragmentos carentes de información llamados intrones intercalados con otros que si tienen información llamados exones.
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. Etapas de la replicación del ADN: 1- 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. Etapa 2- 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. Etapa 3- Finalización Al acabar el proceso, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de patrón aparecen enrolladas originando una doble hélice. 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.
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. 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: 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) 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). Se realiza a través de proteinas reguladoras llamadas REPRESORES. Éstas impiden que actúe la ARN-polimerasa, frenando así la transcripción y, por tanto, la síntesis de la proteina. Un Operón consta de los siguientes elementos: AL gen que se va a transcribir llamamos GEN ESTRUCTURAL. Recordamos que delante de él está el PROMOTOR, que indica el inicio de la transcripción del gen estructural. Para regular el proceso, entre el promotor (P) y el gen estructural (Ge), se coloca el OPERADOR (O), de esta manera P O Ge. El operador es una parte de ADN a la que se puede unir una proteína reguladora e impedir la transcripción de los genes estructurales. Vemos que el operador está colocado en un lugar estratégico para intervenir en la transcrición. 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
La proteína reguladora se llama REPRESOR porque cuando se une al operador impide que la ARN-polimerasa se pueda unir al ADN y con ello imposibilita la transcripción. Cuando se separa, la transcripción es posible. Las proteinas reguladoras son sintetizadas por genes llamados reguladores. Llamamos OPERÓN al conjunto de estos elementos que forman parte del ADN: Promotor (P), Genes estructurales (Ge), Gen operador (O) Y Gen regulador (éste se puede localizar en cualquier lugar del cromosoma). 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. A su vez, existen moléculas denominadas INDUCTORES, que al asociarse a los represores, los inactivan, permitiendo así que la ARN-polimerasa haga su trabajo de transcribir los genes estructurales. A esto se le llama INDUCCIÓN ENZIMÁTICA, típico de procesos catabólicos. 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 Es más compleja. 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.