Genética Molecular: Replicación, Transcripción y Mutación del ADN

Genética Molecular: Química de la Herencia

TEMA 11
GENÉTICA MOLECULARAEP
IES Alfonso VI
Olmedo - Valladolid
Biología
2º Bachillerato

Bloque B: Genética Molecular

Índice:

1. La genética molecular o química de la herencia
2. El ADN como portador de la información genética. Concepto de gen
3. Relación con la síntesis de proteínas

Replicación del ADN

1. Replicación de ADN
2. Etapas de la replicación y enzimas implicadas
3. Diferencias entre eucariotas y procariotas

ARN y Expresión Génica

1. El ARN y la expresión génica. Transcripción y Traducción.
2. Transcripción del ADN en procariotas y eucariotas. Etapas y enzimas
   implicados.
3. Traducción o biosíntesis de proteínas: etapas principales del proceso.
4. El código genético. Concepto y características
5. Resolución de ejercicios prácticos sobre la transcripción y traducción:
   sentido de la síntesis, y codones característicos (codones de inicio y final de
   traducción).

Mutación y Evolución

1. Mutación y evolución
2. Concepto y tipos de mutaciones: genéticas, cromosómicas y genómicas.
3. Agentes mutagénicos físicos y químicos: concepto y ejemplos.
4. Relación entre las mutaciones, la replicación del ADN, la evolución y la
   biodiversidad
5. Importancia de la regulación de la expresión génica en la diferenciación
   celular

.
Severo Ochoa.
Bioquímico y biólogo molecular español
Premio Nobel de Fisiología y Medicina (1959)
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2º Bachillerato

Bloque B: Genética Molecular

La Genética Molecular o Química de la Herencia

1. La genética molecular o química de la herencia

El ADN como Portador de Información Genética

1.1. El ADN como portador de la información genética.
Hoy sabemos que la molécula que contiene la información de las características
biológicas de los seres vivos es el ADN. Pero, aunque el ADN ya se conocía desde
que fuera descubierto por F. Miescher (1869), se consideraba que eran las
proteínas, y no el ADN, las portadoras de la información genética.
La historia del descubrimiento de que era el ADN el portador de la información
hereditaria, arranca de los experimentos de Griffith (1928) con la bacteria
Streptococcus pneumoniae o neumococo (causante de la neumonía humana y
extremadamente patógeno para el ratón).
Esta bacteria debe su virulencia a la presencia de una cápsula de polisacáridos que
le da un aspecto liso y le hace resistente a los mecanismos de defensa del organismo
infectado (neumococo S). Existe una cepa mutante de estas bacterias que no posee
esta cápsula y que no es, por tanto, patógena (neumococo R).
Griffith descubrió que la inyección de neumococos R vivos junto con neumococos S
muertos por calor, era capaz de producir la muerte de un ratón en 24 horas.
Dedujo entonces que la información genética se había transferido de una cepa a
otra mientras habían estado juntas. Las bacterias S muertas debía haber causado
la transformación de las bacterias R vivas, de forma que estas habían adquirido la
capacidad de sintetizar la cápsula protectora.

Cepa
S
Muerte por
calor
Mezcla de Cepa R
viva con S muerta por
calor
Cepa
S
Cepa
R
Ratón Muere
Ratón vive
Ratón vive
Ratón Muere
En 1944 Avery, Macleod y McCarty, observaron que la capacidad transformante de
las cepas virulentas de Streptococcus pneumoniae desaparecía cuando se añadían
enzimas que destruían el ADN. Dedujeron entonces que el factor transformante era
el ADN.
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Concepto de Gen

Concepto de gen
El concepto de gen ha evolucionado a lo largo de la corta historia de la genética.
Mendel, en 1865, denominó "factores hereditarios" a aquellos factores
responsables de la transmisión de caracteres a la descendencia de forma
independiente.
Después del redescubrimiento de las leyes de Mendel empezó a utilizarse el término
gen para designar a estos factores hereditarios y, durante toda la mitad del siglo
XX el gen fue considerado como la unidad del material hereditario.
Con el descubrimiento de la estructura del ADN (Watson y Crick, 1953), se
comprendió que los genes guardaban la información para proteínas y para los
diversos tipos de ARN que participan en la síntesis de proteínas.
En esencia, un gen es:

• Una unidad hereditaria y, cuando la célula se divide, el gen transmite su mensaje
  a la descendencia.
• Cada gen puede presentar dos o más formas alternativas llamadas alelos.
• La región del cromosoma ocupada por un gen recibe el nombre de locus.
• El conjunto de genes o material genético de un organismo constituye el genoma.

Con los conocimientos actuales y con respecto a los genes sabemos que:

• Hay genes fragmentados o discontinuos que están compuestos por varias
  secuencias codificantes o exones, separadas por otras no codificantes o
  intrones.
• Hay unidades de transcripción compleja. Se ha descubierto que existen genes
  que se transcriben a ARNm diferentes, según el lugar en el que actúan las
  ribonucleoproteínas del núcleo (RNPpn).
• Hay genes superpuestos o solapados. Este sistema se ha detectado en virus
  cuyo pequeño tamaño obliga a aplicar estrictos criterios de economía. Así en un
  mismo fragmento de ADN se superponen varios genes y dependiendo de la pauta
  de lectura puede dar lugar a ARNm distintos.
• Hay genes estructurales y genes reguladores. Los genes estructurales son
  aquellos cuya función consiste en almacenar y transmitir la información
  necesaria para codificar los ARNr, los ARNt y el orden de los aminoácidos en
  las proteínas estructurales (ARNm). Los genes reguladores controlan la
  expresión de los genes estructurales.
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Relación con la Síntesis de Proteínas

1.2. Relación con la síntesis de proteínas
Francis Crick enunció en 1970 el Dogma Central de la Biología Molecular que describe cómo
se produce el flujo de la información genética que se encuentra en el ADN:

El ADN copia una parte de su mensaje sintetizando una molécula de ARN mensajero
(Transcripción), que es utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína
(Traducción)

Actualmente sabemos que existen excepciones a
este dogma, como los retrovirus que poseen ARN
como material genético y gracias a la enzima
retrotranscriptasa sintetizan ADN utilizando como
molde su ARN, o los priones que son proteínas
alteradas que se comportan como agentes
infecciosos.

Propuesta inicial de Crick (1970)
Replicación
Transcripción
Traducción
DNA
RNA
Proteína
Modificaciones posteriores
Replicación
Replicación
Replicación
Transcripción
Traducción
DNA
RNA
Proteína
Transcripción
inversa

Replicación del ADN

Etapas y Enzimas Implicadas en la Replicación

2.1. Etapas de la replicación y enzimas implicadas
Los organismos vivos deben reproducir con exactitud la información genética que será
trasmitida a su descendencia, para perpetuar los caracteres propios de su especie. A este
proceso por el cual la molécula de ADN produce una copia exacta de sí misma, se le da el
nombre de replicación.
Watson y Crick, al mismo tiempo que publicaban el modelo de la estructura en doble hélice
del ADN, se dieron cuenta de cómo debía ser el mecanismo de su replicación y propusieron
una hipótesis semiconservativa de la replicación o duplicación del ADN, que, durante un
tiempo, coexistió con otras dos hipótesis: Hipótesis conservativa e hipótesis dispersa.
Finalmente, y gracias a pruebas
experimentales, se confirmó la
hipótesis semiconservativa de Watson y
Crick según la cual la doble hélice se
abre y las 2 hebras actúan como molde
para la síntesis de una hebra
complementaria, dando lugar dos nuevas
moléculas de ADN. Cada nueva molécula
está formada por una hebra de la
molécula original y otra de nueva
(a) Replicación
(b) Replicación
dispersiva
conservativa
(c) Replicación
semiconservativa
síntesis.
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Proceso de Replicación del ADN

La replicación es un proceso:
· Bidireccional ya que se produce a partir de un
punto determinado del ADN denominado
origen de replicación. A partir de ese punto,
las dos cadenas se separan y la replicación
avanza copiándose las dos cadenas a la vez en
ambos sentidos.
· Multienzimático ya que participan distintas
enzimas.

Origen de replicación
5
in
-315
5
5'
Burbuja 3
de replicación
5'
3
5
3
3
5' 3'
Hebra retardada
1
5
5 3 5
5
"3"
5'3: 53
3
3
Hebra conductora
Hebra retardada
Horquilla
de replicación
X
34
3' 5' 3' 5 3 5'
5
A partir de una secuencia específica de nucleótidos (origen de replicación), la doble
hélice comienza a abrirse gracias a la enzima helicasa, que rompe los puentes de
hidrógeno que hay entre las bases nitrogenadas complementarias y separa las dos
hebras. Como hay una helicasa trabajando en un sentido y otra en el sentido opuesto
se origina una horquilla de replicación en cada extremo y el proceso avanza en las
dos direcciones (bidireccional).

Primasa
DNA
helicasa
5'
3
Cadena retrasada
Cebador de RNA
5
Movimiento de helicasa
Cadena adelantada
Proteínas de unión
del DNA monocatenario
(SSB)
3'
Como la doble hélice tiene
enrollamiento plectonémico (sólo
pueden separarse las dos cadenas
si la hélice gira), deben actuar las
enzimas topoisomerasas que la
desenrolla y las separa.
Después, se unen a ellas las
proteínas SSB (proteínas estabilizadoras de cadena sencilla) y evitan que se
enrollen de nuevo.
A continuación, comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una
de las originales mediante la acción de la enzima ADN polimerasa III, que presenta
las siguientes características:

1. Necesita una hebra molde de ADN, que recorre en sentido 3'-5'.
2. Une mediante enlaces fosfodiéster los desoxirribonucleicodos en sentido 3'-5'.
3. Utiliza nucleótidos trifosfato que aportan la energía necesaria para la unión
   (dATP, dCTP, dGTP, dTTP).
4. No puede comenzar la síntesis por sí misma, solo puede añadir nucleótidos al
   extremo 3' libre de una cadena en formación. Es necesario que exista
   previamente una cadena a la que añadir nucleótidos.
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3
5'
3
3º
5
Hebra conductoraIES Alfonso VI
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Síntesis de Hebras Complementarias

Por eso la enzima primasa (ARN polimerasa ADN dependiente), sintetiza una cadena
corta de ARN denominada cebador o primer, que es complementaria de la cadena
de ADN molde. Después la ADN polimerasa III ya podrá añadir
desoxirribonucleicos a esta cadena iniciada y el cebador será posteriormente
eliminado.
Como la ADN polimerasa III recorre la
cadena molde en sentido 3'-5', la síntesis de
una de las hebras es continua, la enzima
avanza sobre ella a medida que se va abriendo
la doble hélice. A esta hebra se la llama
hebra conductora o líder.

ADN polimerasa
cebador
nueva cadena
1 de ADN
2
3'k
3'
1
cadena
anterior
GAATCACT
CTTAGTGAC
Sin embargo, como la otra cadena es
3
antiparalela, la síntesis ha de producirse a
Cadena
5'
lider
medida que va avanzando la apertura de la
3
5'
doble hélice. Se realiza, por tanto, de forma
Cadena
5
3
Fragmentos
3'
5'
de Okazaki
rezagada
discontinua, en pequeños fragmentos
llamados fragmentos de Okazaki (en honor
al investigador que los descubrió). Por eso su síntesis es más lenta y la nueva hebra
resultante se llama hebra retardada.
Igual que sucedía en la síntesis de la hebra conductora, la primasa sintetizará el
cebador y, después, la ADN polimerasa III añadirá desoxirribonucleicodos
originando los fragmentos de Okazaki.

ADN polimerasa I
ADN polimerasa III
ADN ligasa
Primasa
Cebador ARN
5'
Cadena
rezagada
3'
3
Fragmentos de Okazaki
Helicasa
5'
5'
Cadena
líder
3'
Topoisimerasa
Pinza deslizante
ADN polimerasa III
Proteína de unión
a cadena sencilla
Para finalizar el proceso de replicación, debe actuar la ADN polimerasa I que
elimina los cebadores (ya que tiene actividad exonucleasa) y añade
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51
15'