5.2. Genética. Bases moleculares de la herencia

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5- Genética2. Bases moleculares de la herencia

Biología. Grupo 2Curso 2014-2015

1. Replicación y reparación del DNA

• La replicación del DNA es semiconservativalas dos cadenas de nucleótidos del DNA se separan y cada una sirve como molde sobre el que se sintetiza una nueva cadena. La doble hélice de cada molécula hija del DNA contiene una cadena de la molécula original y una cadena sintetizada de nuevo.

Replicación: proceso por el cual se sintetiza una copia de una molécula de DNA.

• Origen de replicación en los cromosomas

Los orígenes de replicación son las zonas del DNA donde se inicia el proceso de replicación. En ellos se produce la apertura de la doble hélice, formándose una burbuja de replicación que va creciendo de forma bidireccional.

Una doble hélice de DNA abierta en su origen de replicación. Las proteínas iniciadoras reconocen el origen y separan las dos hebras de la doble hélice.

1.1. Replicación

Figure 6-4 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)

(Alberts y col, 3ª ed, Fig. 6.4)

•La síntesis de DNA se produce siempre en dirección 5'→3‘.

Cada burbuja tendrá dos horquillas de replicación, uniones en forma de Y, que irán desenrollando la hélice de DNA en direcciones opuestas, mientras que las dos cadenas se van replicando.

En la replicación interviene la DNA polimerasa que sintetiza DNA nuevo utilizando una de las cadenas antiguas como molde. Cataliza la adición de nucleótidos en el extremo 3' -OH de la desoxirribosa que será complementario al de su misma posición en la cadena molde. Hay varios tipos de DNA polimerasa.

• La síntesis de DNA nuevo se produce en las horquillas de

replicación

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La cadena 3' → 5' servirá de molde para la síntesis de la nueva cadena, que crece sin interrupción en dirección 5' → 3‘: cadena líder o hebra continua.

Horquilla de replicación: las dos cadenas de DNA recién sintetizadas tienen polaridad opuesta.

La otra hebra que debe seguir el sentido 3' → 5‘ crece mediante cadenas cortas de DNA, fragmentos de Okazaki, que se unirán y constituirán lacadena retrasada o hebra discontinua.

Para sintetizar la cadena retrasada, la DNA polimerasa debe "volver hacia atrás"; sintetiza fragmentos cortos (fragmentos de Okazaki) en la dirección 5’→ 3', y luego se mueve en dirección opuesta a lo largo de la cadena molde (hacia la horquilla) antes de sintetizar el nuevo fragmento.

La DNA polimerasa es tan precisa que comete un error cada 10 millones de nucleótidos que copia. Esta baja tasa de error se debe a que durante la síntesis del DNA, la enzima corrige su propio trabajo.

La actividad exonucleasa 3 → 5' realiza la función de corrección durante la lectura. La enzima revisa el nucleótido que acaba de incorporar y, en el caso de añadir una base incorrecta se detiene y la elimina, reemplazándola por la correcta. Después, la replicacion continúa.

Debido a que la DNA polimerasa siempre necesita revisar el nucleótido anterior para poder añadir el nuevo la enzima no puede iniciar un nuevo fragmento. RNAs de longitud corta (10-12 nucleótidos) actúan como cebadores o primers para que tenga lugar la síntesis de DNA, son sintetizados por RNA polimerasa (primasa).

• La DNA polimerasa es autocorrectora

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• La maquinaria de replicación es muy compleja

ADN girasa

Primasa

Replicación del DNA bacteriano: el DNA bacteriano tiene un solo origen de replicación.

ADN helicasa (helicasa): separa la doble hélice de ADN a medida que la recorre, rompe los puentes de hidrógeno.

ADN girasa (topoisomerasa): relaja la tensión que se va acumulando por la apertura de la horquilla.

Proteínas de unión a la cadena sencilla: se unen a cada hebra de ADN impidiendo la renaturalización mientras se copian ambas cadenas.

ADN polimerasa: cataliza la unión de nucleótidos. Añade nucleótidos solamente en la dirección 5’ → 3’. Es incapaz de comenzar una cadena de DNA.

Primasa o ARN primasa: sintetiza los cebadores de RNA.

DNA ligasa: sella los espacios que han quedado tras eliminar los cebadores de ARN por una ADN polimerasa.


• Un sistema de reparación de apareamientos erróneos del DNA elimina los errores de replicación que se escapa a la maquinaria de replicación

Los errores de copiado poco frecuentes que tienen lugar durante la replicación del DNA son detectados por las proteínas de reparación de apareamientos erróneos. La precisión global de la replicación es de un error por cada 1.000 millones de nucleótidos copiados.

Un apareamiento erróneo del DNA distorsiona la geometría de la doble hélice. La distorsión es reconocida por las proteínas reparadoras de apareamiento erróneo que eliminan esa zona de DNA. El espacio libre es reemplazado por una DNA polimerasa.

La replicación en las células eucariotas es similar a la replicación bacteriana, aunque los cromosomas eucariotas lineales poseen muchos orígenes de replicación (ori) cada uno de los cuales produce dos horquillas de replicación.


(Cooper y Hausman, 2010. La célula. 5ª ed. Fig. 16.15)

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1.2. Mantenimiento de la información genéticaLas Mutaciones son cambios en la información genética transmisibles por herencia.

Son la fuente de la variabilidad genética y la evolución pero pueden ser fatales para los organismos. Sin ellas y la variación genética que generan los organismos no podrían adaptarse a los cambios del medio ambiente y estarían en peligro de extinción.

• Algunas mutaciones son espontáneas, se producen por cambios químicosnaturales, en la estructura del DNA, como la pérdida de una base púrica de un nucleótido (despurinación) y la desaminación, pérdida de un grupo amino de una base, que pueden alterar las propiedades de apareamiento de las bases y causar errores en las siguientes rondas de replicación.



•Numerosos agentes ambientales, incluidas ciertas sustancias químicas y la radiación, pueden dañar el DNA: mutaciones inducidas.

•La radiación ionizante es mutagénica, porque puede alterar las estructuras de las bases y romper las cadenas de DNA.

•La luz ultravioleta produce dímeros de pirimidinas.

•Las mutaciones tienen diversos efectos fenotípicos, por ejemplo altera la secuencia codificante de modo que un aminoácido sustituye a otro, por lo que el daño sufrido debe ser reparado.

La radiación ultravioleta promueve la formación de enlaces covalentes entre dos bases primidínicas adyacentes formando por ejemplo dímeros de timina.



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•La estabilidad de los genes depende de la reparación del DNA

Casi todos los mecanismos de reparación dependen de la existencia de dos copias de la información genética, una en cada cadena de la doble hélice.

La mayoría de los daños crean estructuras que nunca son encontradas en una cadena de DNA no dañada, por lo tanto, la cadena buena se distingue con facilidad de la mala.

Fases básicas en la reparación del DNA dañado:

1. Reconocimiento del El DNA dañado que va a ser eliminado por diferentes mecanismos. Estos involucran a nucleasas, rompen los enlaces covalentes que unen los nucleótidos dañados al resto de la molécula de DNA y dejan un pequeño espacio en una de las cadenas de la doble hélice.

2. Una DNA polimerasa de reparación se une y rellena el espacio al hacer una copia complementaria de la información almacenada en la cadena inalterada.

3. Una ligasa sella o une el espacio.

(Alberts y col, 3ª ed, Fig. 6.26)Figure 6-26 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)

2. Expresión y regulación génica

•En el sentido más amplio, la expresión génica es el proceso en que la información contenida en una secuencia de DNA se traduce en un producto que tiene un efecto en la célula u organismo que lo expresa (cadena polipeptídica o RNA).

•La expresión de la información genética codificada en un gen supone normalmente la síntesis de una molécula de RNA utilizando un molde de DNA.

2.1. Síntesis del RNA

Transcripción: síntesis de toda molécula de RNA presente en una célula a partir de un molde de DNA.

(Lehinger, 5ª ed. Fig. 24.2 )

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1. Selectivo: en un momento determinado se transcriben sólo unos genes concretos. Existen puntos de inicio, promotores, y de fin de transcripción.

• De las dos cadenas del DNA una actúa como cadena molde.

•Características generales y mecanismo de la transcripción

2. Reiterativo: síntesis del mismo segmento de RNA cientos/miles de veces.

• Cualquiera de las hebras del DNA puede servir como molde.

3. RNA polimerasa: enzima encargadas de la síntesis del RNA.

•Síntesis dirección 5´→3´.

•Antiparalela al molde.

•No necesita cebador.

•No tiene actividad exonucleasa de corrección de pruebas.

4. Bases complementarias:

C-G, G-C, A-U, T-A

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• Transcripción en procariotas

La RNA polimerasa, sólo un tipo, junto con el factor sigma se une al promotor. Una vez comenzada la síntesis de RNA el factor σ se libera y la RNA polimerasa continúa la síntesis del RNA hasta que, en su recorrido encuentre la señal de terminación. La RNA polimerasa se libera.

En eucariotas: hay varias clases de ARN polimerasas en función de la clase de RNA transcrito. Necesita factores de transcripción, proteínas, para formar el complejo de transcripción activo.

• Diferencias entre el gen eucariota y el procariota

Los genes de procariotas son compactos y continuos.

Los genes de eucariotas son discontinuos, contiene intrones (secuencias no codificantes) y exones (secuencias codificantes) que serán eliminados en un proceso denominado corte y empalme (splicing).

Genes procariotas y eucariotas están codificados de forma diferente.

Promotor: Secuencia que determina el sitio de inicio de la transcripción.


Promoter

Promoter


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•La maduración del RNA eucariota

Los RNA transcritos a partir de DNA (pre-mRNA) sufren modificaciones en el núcleo antes de ser traducidos a proteínas.

Modificación de los extremos:

• Adición de un casquete o caperuza o cap: adición de un nucleótido modificado en el extremo 5' del RNA (7-metil-guanosina) que hace la función de caperuza.

• Poliadenilación del RNA: adición de un gran número de poliadeninas (cola de poli-A) en el extremo 3'. Esta cola cierra el extremo de cualquier pre-mRNA.

•Proceso de corte y empalme o splicing: al pre-mRNA se le retiran las secuencias no codificantes (intrones) dejando únicamente las secuencias codificantes (exones) unidas.

• Diferencias en los procesos de expresión génica en procariotas y eucariotas

Célula procariota: debido a que no hay núcleo los procesos de transcripción y traducción, son simultanéos, al mismo tiempo que los genes son transcritos, son inmediatamente traducidos.

Célula eucariota: la transcripción y síntesis de proteínas están espacial y temporalmente separadas en las células eucarióticas; esto es, la transcripción se lleva a cabo en el núcleo y produce una molécula de Pre-ARNm.

El pre-ARNm procesado produce el ARNm maduro, que sale del núcleo y es traducido en el citoplasma.

Traducción: síntesis de una cadena polipeptídica a partir de ARN mensajero

•Los aminoácidos que forman esa proteina van a colocarse en el orden que define la secuencia de nucleótidos del ARNm. (Campbell, 7ª ed, Fig. 17.3)

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2.2. El código genéticoGrupo de reglas que especifican la correspondencia entre los tripletes o codones de nucleótidos y los aminoácidos de las proteínas.

Características:

• Universal: es el mismo para todas las especies.

• Redundante: varios codones dan lugar al mismo aminoácido.

• No es ambiguo, ningún codón codifica dos aminoácidos diferentes.

•Codones de término o stop: tripletes que no codifican aminoácidos, indican a la maquinaria de traducción que el mensaje se ha terminado de leer.

•Codón de iniciación: indica el inicio de un mensaje que codifica a una proteína. Es el codón (AUG) que codifica a la metionina.



•Las moléculas de tRNA unen los aminoácidos a los codones

Representación esquemática del tRNA

El tRNA es una molécula adaptadora, tiene una estructura en forma de hoja de trébol, con un brazo que expone una secuencia de tres bases que son complementarias al codón del mRNA (anticodón) y con otro brazo en el otro extremo de la molécula al que se une un aminoácido.

Existe al menos un tRNA para cada aminoácido.

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•Los ribosomas son maquinas de traducir mensajesEl ribosoma tiene tres sitios que pueden ser ocupados por tRNA: el sitio A donde solo podrá unirse un tRNA portando un único aminoácido; el sitio P donde entrará la molécula de tRNA con el péptido naciente unido; y el sitio E (salida.)

(Campbell, 7ª ed, Fig. 17.13)

Polypeptide

tRNA withamino acidattachedRibosome

tRNA

Anticodon

35

mRNA

Aminoacids

Codons

El comienzo de la traducción de un mensajero se produce cuando la subunidad pequeña del ribosoma comienza a leer el mensaje. Para que sea capaz de detectar el inicio de un mensaje, el ribosoma debe unirse fuertemente a una región no codificante del extremo 5' del mRNA.

La subunidad pequeña hace coincidir los tRNA con los codones del mRNA, mientras que la subunidad grandecataliza la formación de enlaces peptídicos.

En eucariotas se requiere la ayuda de factores de iniciación que reconocen el extremo cap del mRNA.

(Campbell, 7ª ed, Fig. 17.13)

•2. 3. El proceso de síntesis de proteínas1.- Activación de los aminoácidos para su posterior unión al tRNA correspondiente.

2.- Iniciación de la traducción: formación del complejo de iniciación: subunidad pequeña del ribosoma, el mRNA, subunidad grande.

3. - Elongación: formación de enlaces peptídicos se van incorporando los sucesivos aminoácidos codificados en el mensaje genético hasta que se encuentra el codón de terminación finalizando la traducción de dicho mensaje.

4.- Terminación: ocurre cuando un codón de parada se coloca en el sitio A. No hay ningún tRNA con este anticodón que lleve cargado un aminoácido.

(Alberts y col, 3ª ed, Figs. 7.33 y 38)

Las proteínas son traducidas por polirribosomas:ribosomas que traducen simultáneamente la misma molécula de mRNA.

Figures7-33 and 7-38 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)

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2.4. Regulación de la expresión génicaExpresión génica: proceso por el cual un gen ejerce sus efectos sobre una célula u organismo al dirigir la síntesis de una proteína con una actividad característica

¿Cómo controla la célula o un organismo pluricelular, cuándo debe expresar unos genes y no otros? Tanto en bacterias como en los organismos eucariotas se pueden diferenciar dos tipos de genes:

Genes estructurales juegan un papel esencial en el metabolismo o en la formación de estructuras en la células. Los genes reguladores son genes cuyos productos están implicados en la regulación de la expresión de otro gen.

En el DNA existen secuencias reguladoras, van a jugar un importante papel en la regulación de la expresión de los genes que están próximas a ellas.

•Estas secuencias de DNA regulador son necesarias para que un determinado gen se exprese o se inhiba, para ello, deben unirse proteínas reguladoras.

• Las células regulan la expresión de sus genes estructurales gracias a la colaboración de los genes reguladores

¿Cómo actúa una secuencia reguladora? No actúa por sí misma, sino que será necesaria que las proteínas reguladoras (codificadas por los genes reguladores) se unan a la secuencia.

La regulación génica se refiere tanto a la estimulación de la expresión de determinados genes, regulación positiva, como a la inhibición de la expresión de los mismos, regulación negativa. En la regulación positiva, las proteínas reguladoras se denominan activadores, y en la regulación negativa, inhibidores.

(Alberts y col, 3ª ed, Figs. 8.3)

La expresión génica eucarionte puede controlarse en etapas diferentes. Para la mayoría de los genes el principal sitio de control es el inicio de la transcripción (1).


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