ADN como portador genético: la replicación en genomas procariotas y eucariotas

El ADN como portador de información genética

Esta presentación hace referencia a las páginas 294-302 del libro

1. Identificación del ADN como portador de la información genética.
2. 1. ADN y cromosomas.
3. 2. Concepto de gen.
4. 3. Los genomas procariota y eucariota: características generales y diferencias.
5. Conservación de la información: la replicación del ADN.
6. 1. Etapas de la replicación: modelo procariota.
7. 2. Diferencias entre el proceso replicativo de eucariotas y procariotas.

Requisitos del ADN como portador de información genética

Antes de que se identificara la molécula portadora del mensaje genético, ya se sabía que esta debía cumplir ciertos requisitos:

• Tenía que ser químicamente estable para que la información contenida en la molécula no sufriera alteraciones.
• Debía ser capaz de replicarse y originar copias de sí misma que pasaran a las células hijas durante la división celular, asegurando así la pervivencia de la infor- mación biológica de una célula determinada en su estirpe.
• Además, era necesario que esa información pudiera transmitirse de una gene- ración a la siguiente para permitir que las características biológicas pasaran a la descendencia.
• Por último, aunque fuera químicamente estable, la molécula debía ser suscepti- ble de experimentar cambios que posibilitaran la aparición de cierta variabilidad, hecho que permite explicar la evolución y diversidad de los seres vivos.

Aunque el ADN ya se conocía desde su descubrimiento en 1869 por el científico suizo Friedrich Miescher, se consideraba que eran las proteínas, y no el ADN, las portadoras de la información genética.

Experimento de Hershey y Chase

En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase, demostraron de forma concluyente que el material genético del bacteriófago T2 era el ADN, y no una proteína. Para ello, prepararon dos cultivos de virus bacteriófagos:

• El primero utilizaba un isótopo radiactivo de fósforo, por lo que el ADN de los virus estaba marcado con 32P.
• En el otro cultivo, los virus tenían marcadas sus proteínas con un isótopo de azufre (35S), también radiactivo.

ADN marcado (32P) proteínas marcadas (355) bacteriófago fijación de los bacteriófagos a la bacteria A inyección de ADN NA bacteria marcada bacteria no marcada C 2 reproducción de los virus y lisis bacteriana bacteriófagos marcados bacteriófagos no marcados

Genomas procariota vs eucariota

La secuencia de bases nitrogenadas del ADN constituye la información codificada que las células emplean para sintetizar sus proteínas. Sin embargo, la organización de esa secuencia es distinta en células procariotas y en eucariotas.

Características del ADN en células procariotas

En las células procariotas:

• El material genético se encuentra libre en el citoplasma y no está asociado a ninguna otra molécula (ADN desnudo).
• Casi todo el ADN sirve como información para la síntesis proteica.
• El gen codificador de cada proteína se compone de una secuencia continua de nucleótidos.

Genomas procariota vs eucariota: Células eucariotas

Características del ADN en células eucariotas

En las células eucariotas:

• El ADN está circunscrito al núcleo, donde se encuentra asociado a histonas, y a orgánulos membranosos (mitocondrias y cloroplastos).
• Solo un 10 % (o incluso menos) de esta molécula se emplea para codificar proteí- nas. El resto tiene funciones poco conocidas, como la regulación del ADN codi- ficante u otros aspectos de la actividad de los genes.
• Casi la mitad del ADN en eucariotas es altamente repetitivo, lo que significa que existen secuencias de nucleótidos repetidas cientos o miles de veces. Puede ser- vir como ejemplo la secuencia ACAAACT del genoma de Drosophila virilis, que se repite 12 millones de veces. EI ADN altamente repetitivo no lleva información para la síntesis proteica y quizá desempeña un papel importante en la estabilidad de la estructura de los cromosomas.
• Otra característica distintiva del ADN de las células eucariotas es que las secuen- cias nucleotídicas que codifican para proteínas no suelen ser continuas, sino que existen secuencias no codificadoras intercaladas entre los segmentos codifica- dores. Los fragmentos de ADN codificadores se denominan exones, y los que no llevan información para la síntesis proteica se llaman intrones.

Cromatina

· En las células eucarióticas el ADN está asociado a proteínas (histonas) formando una estructura empaquetada y compacta llamada cromatina (se tiñe con facilidad con colorantes básicos).

sección transversal de un solenoide ADN nucleosoma ADN nucleosoma «collar de cuentas» histona H. ADN espaciador 30 nm solenoide cromosoma 1 400 nm 300 nm bucles radiales 700 nm

• Las histonas presentan baja masa molecular y una elevada proporción de lisina y arginina.
• La unidad elemental de la cromatina se denomina fibra elemental, que tiene aspecto de "collar de cuentas". Estas "cuentas" se denominan nucleosomas, formado por ocho histonas (H2A, H2B, H3, H4 y H1) en las que se enrolla dos vueltas de ADN (146 pares de bases).
• Los nucleosomas están unidos por ADN espaciador (54 pares de bases).
• La ultraestructura de la cromatina interfásica se corresponde con la fibra de 30 nm o solenoide. Cuando comienza la profase se produce un superenrollamiento que terminará dando lugar a los cromosomas mitóticos.

Cromosomas y Mitosis

Durante la mitosis la cromatina pasa a ser cromosomas y el grado de empaquetamiento es mayor.

cromátidas telómero brazo corto cinetocoro centrómero brazo bandas satélite constricción secundaria

Clasificación de cromosomas según la posición del centrómero

Según la posición del centrosoma:

cromátidas con brazos de igual longitud cromatidas con brazos de distinta longitud constricción primaria C metacéntrico submetacéntrico acrocéntrico telocéntrico

Componentes del cromosoma

cromátidas telómero brazo corto cinetocoro centrómero brazo largo bandas satélite constricción secundaria

• Cinetocoros: organizadores de microtúbulos. Se encargan del movimiento de los cromosomas hacia el centro del huso acromático, de la separación de cromatidas hermanas en la anafase y de cromosomas homólogos en la meiosis.
• Constricciones secundarias: estan constituidas por organizadores nucleolares y se relacionan con la formación nucléolo.
• Telómeros: son los extremos del cromosoma que evitan que las células pierdan información en cada ciclo de replicación.

Número de cromosomas por especie

Cada especie tiene su propio número característico de cromosomas. Los seres humanos, por ejemplo, tienen 46 cromosomas en una célula corporal típica. Los seres humanos son diploides (2n). Los 46 cromosomas de una célula humana están organizados en 23 pares. Los espermatozoides y óvulos humanos, los cuales tienen un solo cromosoma homólogo de cada par, se dice que son haploides (1n). Cuando un espermatozoide y un óvulo se fusionan, su material genético se combina para formar un conjunto diploide completo de cromosomas. Así, para cada par de cromosomas homólogos en tu genoma, uno de los homólogos proviene de tu madre y otro de tu padre.

xx xxx ex 3 4 5 xx 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0+ 19 XX 20 21 22 23 23

Replicación del ADN en procariotas

ESTE PROCESO ES EN PROCARIOTAS. AL FINAL, SE EXPONDRÁN LAS DIFERENCIAS CON EUCARIOTAS.

Inicio de la replicación

REPLICACIÓN INICIO

• · En primer lugar, interviene en el proceso la enzima helicasa que separa las dos hebras de ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias.
• · La separación y desenrollamiento de ambas hebras genera tensiones que son eliminadas por la intervención de las topoisomerasas. Para ello cortan una de las dos hebras (topoisomerasa I) o la dos (topoisomerasa II o girasa).
• · Una vez separadas se mantienen así por la acción de las proteínas SSB (estabilizadoras).

proteínas SSB topoisomerasa helicasa horquilla de replicación

Formación de nuevas hebras de ADN

REPLICACIÓN FORMACIÓN DE NUEVAS HEBRAS comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las originales, mediante la enzima ADN polimerasa III.

• Necesita un molde de ADN en sentido 3'-5'
• Une nucleótidos en el sentido 5'-3'.
• Utiliza nucleótidos trifosfatos, por lo que proporcionan la energía necesaria para la unión.
• No puede comenzar la síntesis por sí misma ya que necesita un extremo 3' libre. Por ello es necesario una cadena corta de ARN (40-50 nucleótidos) denominada ARN cebador o primer. Este ARN cebador es sintetizado por la enzima primasa a partir de ADN molde. Este cebador se escinde en una etapa posteropr de la replicación.

Desarrollo del proceso de replicación

REPLICACIÓN DESARROLLO DEL PROCESO A medida de que la doble hélice de ADN se va separando, se forma la burbuja de replicación, que es dónde actúa la ADN polimerasa III. La horquilla de replicación avanza en ambas direcciones, por tanto, cuando se va formando la hebra del molde 3'-5' la síntesis es continua. La hebra que se va formando en este sentido se llama hebra conductora. Cuando se copia la hebra molde en sentido 5'-3', la ADN polimerasa III no puede actuar. Por ello, la síntesis es discontinua y se produce en segmentos retardados, denominándose hebra retardada (ya que su síntesis es más lenta).

horquilla de replicación replicación bidireccional desde el origen burbuja de replicación horquilla de replicación

Fragmentos de Okazaki y enzimas en la replicación

REPLICACIÓN DESARROLLO DEL PROCESO Los segmentos de ADN sintetizados de forma discontinua se denominan fragmentos de Okazaki (1000-2000 nucleótidos). Cada fragmento de Okazaki requiere un ARN cebador para iniciar la síntesis de una secuencia de nucleótidos, que serán unidos posteriormente gracias a las enzimas ligasas. La enzima ADN polimerasa I elimina los ARN cebadores gracias a su capacidad exonucleasa (que rompe enlaces fosfodiéster). Gracias a su actividad polimerasa, rellena el hueco dejado por dichos cebadores.

la polimerasa se desplaza en dirección (3' -> 5') hebra retardada hebra conductora 3ª 5' sintetiza la nueva hebra en dirección (5' -> 3') 5' 3' hebra conductora 3 hebra retardada dirección (3'-> 5') (fragmentos de Okazaki) 5" ADN polimerasa III hebra conductora helicasa topoisomerasas 5' ARN cebador 3' dirección general de la replicación fragmentos de Okazaki proteinas SSB 3" hebra retardada 5