Ud 14 genetica molecualr

Índice
1. ADN como material genético
2. La duplicación del ADN.
1. Hipótesis y experimento de Meselson – Stahl
2. Mecanismo de duplicación
3. Sistemas de reparación del ADN
3. Dogma central de la biología molecular
4. Transcripción.
1. Transcripción en procariotas
2. Transcripción en eucariotas
5. El código genético.
6. Traducción o síntesis de proteínas.
7. Regulación de la expresión génica.

1. ADN como material genético
• A comienzos de la década de 1940, ya no quedaban dudas sobre la
existencia de los genes ni sobre el hecho de que estuviesen en los
cromosomas.
• Los primeros análisis químicos del material hereditario mostraron que el
cromosoma eucariótico está formado por ácido desoxirribonucleico (ADN) y
proteínas, en cantidades aproximadamente iguales.
• El ADN y las proteínas eran buenos candidatos para ser la molécula
portadora del material genético.
• Ya avanzada la década de 1940, algunos investigadores llegaron a una
conclusión importante: el material hereditario podía ser el ácido
desoxirribonucleico (ADN).
• La confirmación de que los genes se encuentran en el ADN y no en las
proteínas se debió a varios experimentos:
– Experimento de Griffith
– Experimentos de Avery y col.
– Experimentos Hershey y Chase

Experimento de Griffith • 1928, Griffith, investigó varias cepas
de la bacteria Streptococcus
neumoniae.
– Cepa S: encapsulada y virulenta. (La
cápsula de polisacáridos protege a
las bacterias de la accion de los
fagocitos)
– Cepa R: sin cápsula y no virulenta
• Al inyectar bacterias no virulentas vivas
mezcladas con las virulentas muertas,
los ratones moría y al analizar la sangre
se observaron bacterias virulentas
encapsuladas vivas.
• Conclusión: Debe existir un “factor
transformante” que se transmite
desde las bacterias S virulentas
muertas a las R vivas y las convierta en
patógenas.
• La presencia de ese factor
transformante permite a las R
sintetizar la cápsula

• Experimentos de Avery, McLeod
y McCarty (1944), al investigar los
las transformaciones de Griffith,
demostraron que solo los
extractos de bacterias S que
contenían ADN eran capaces de
producir las transformaciones.
Conclusión: ADN es el factor
transformante.
• Los científicos Hershey y Chase
demostraron mediante un
memorable experimento que la
proteína es sólo un "envase" para
el ADN del bacteriófago. Es el ADN
del bacteriófago el que penetra
en la célula y lleva el mensaje
hereditario completo de la
partícula viral, dirigiendo la
formación de nuevo DNA viral y
de las nuevas proteínas virales

2. Autoduplicación del ADN: La replicación
2.1. Hipótesis sobre la replicación y experimento de Meselson – Stahl
• La estructura del ADN permite comprender como dicha molécula puede
dar lugar a copias sin perder conformación.
• Tras la separación de ambas cadenas de la doble hélice mediante la acción
enzimática y a partir de desoxirribonucleótidos sueltos y según la
complementariedad de bases, podrían irse constituyendo las hebras o
cadenas complementarias de las iniciales.
• Inicialmente surgieron tres hipótesis acerca de esta cuestión:
– Hipótesis semiconservativa (Watson y Crick): de las dos cadenas hijas, una
sería la antigua y otra la nueva.
– Hipótesis conservativa. Tras la replicación quedarían juntas las dos cadenas
iniciales, por un lado, y las dos nuevas por otro.
– Hipótesis dispersiva. Ambas cadenas de doble hélice están formadas por
fragmentos viejos y nuevos.

Experimento de Meselson y Stahl
Confirma la hipótesis semiconservativa

2.2. Mecanismo de duplicación. En procariotas. (Video 1 Video 2).
– Fase de iniciación:
• Señal de iniciación: “Origen de replicación (ORI)”. Secuencia de
nucleótidos del ADN, que indica el lugar en el cuál tendrá lugar el inicio de
la replicación.
• Helicasa: Enzima que rompe los puentes de hidrógeno que unen las dos
cadenas de nucleótidos, separándolas.
• Topoisomerasas: eliminan tensiones y superenrollamientos que se
producen al romperse la doble hélice.
• Proteínas SSB: proteínas estabilizadoras que mantienen la separación de
las dos cadenas.
• Se forma las burbujas de replicación, formadas por las cadenas de ADN
separado. El proceso de replicación es bidireccional, por medio de dos
horquillas de replicación en los extremos de la burbuja, que se mueven en
direcciones opuestas.
• Hay dos helicasas, una en cada horquilla de replicación desplazándose en
sentidos opuestos.
• Al conjunto de proteínas y enzimas que actúan en cada horquilla se le
denomina replisoma o complejo de replicación.

• Fase de elongación
– ARN – polimerasa (primasa): sintetiza un fragmento corto de ARN (10
nucleótidos) o primer, que actúa como cebador.
– ADN – polimerasa III: a partir del primer, comienza la síntesis de la nueva cadena
de ADN en sentido 5’ – 3’, es decir añade nucleótidos sólo al extremo 3’ de la
cadena creciente. Por tanto la lectura de la cadena molde la realiza en sentido 3’ –
5’. Esta cadena tiene un crecimiento continuo y se denomina hebra conductora.
– Sobre la otra hebra, antiparalela a la anterior la ADN – polimerasa no puede
sintetizar la cadena nueva en la misma dirección.
– Hebra retardada: La ARN polimerasa sintetiza fragmentos de ARN a una distancia
de unos 1000 nucleótidos de la señal de iniciación (ARN cebador). A partir de este
punto se sintetizan fragmentos de ADN en dirección 5’ – 3’, Estos fragmentos se
denominan fragmentos de Okazaki. Este proceso se va repitiendo a medida que
se van separando las dos cadenas molde. Cada fragmento comenzará con su
respectivo ARN cebador o primer.
– ADN polimerasa I: Degrada los ARN cebadores (primer) y añade los nucleótidos
de ADN correspondientes.
– ADN Ligasa: Une los fragmentos de Okazaki contiguos.
– La energía necesaria para realizar la replicación proviene de la eliminación de la
degradación de los enlaces P ~P ricos en energía de los nucleótidos trifosfatos,
forma en la que se encuentran antes de ser incorporados a las cadenas crecientes
de ADN

• Duplicación del ADN en eucariotas
– Similar a la de procariotas, participan las mismas
enzimas, con la misma actividad, pero hay más
proteínas implicadas.
– Las principales diferencias son:
• El ADN eucariota está asociado a Histonas
(nucleosomas). Durante la replicación los
octámeros permanecen con la hebra conductora
y su patrón y ambos se enrollan sobre las
histonas antiguas. La hebra retardada y su
patrón se enrollan sobre nuevos octámeros.
• Es un proceso más lento.
• Se calcula que hay alrededor de un centenar de
orígenes de replicación (ORI), en lugar de uno
solo. Se forman unas 100 burbujas de
replicación distribuidas irregularmente, las
cuales se activan de forma coordinada
constituyendo replicones.
• Fragmentos de Okazaki son más pequeños (100
nucleótidos)
• Acortamiento de los telómeros (causa del
envejecimiento celular)

Los telómeros se van acortando
progresivamente tras cada división
celular y se va perdiendo
gradualmente información genética.
La longitud de éstos depende del
enzima telomerasa que se encarga
de reparar los errores de copia en
cada replicación. Las células que
expresan esta enzima, como las
germinales, no presentan
acortamiento en sus telómeros. Pero
la mayoría de las células del
organismo no tienen telomerasa.
Se ha visto que células cancerígenas
sí presentan esta enzima, dotándoles
de su característica capacidad de
reproducción.
Los telómeros podrían ser el “reloj
biológico” que cuenta el número de
veces que la célula se ha dividido, de
tal forma que, cuando la célula
alcanza una longitud telomérica
crítica, la célula hija deja de dividirse

2.3. Sistemas de reparación del ADN
• La replicación no termina hasta que no se comprueba que la copia es correcta.
Esto lo realizan diferentes sistemas enzimáticos en los que intervienen varias
enzimas.
• Si hay errores de apareamiento, eliminan los nucleótidos mal colocados y los
sustituye por los correctos.
• Los sistemas de reparación provocan que sólo quede un par de bases equivocadas
por cada 1010 bases replicadas. Este error heredable se conoce como mutación
puntual o génica.
• Generalmente no supone peligro para la supervivencia y permite cierta
variabilidad en la descendencia, lo que es imprescindible para los procesos
evolutivos.

3. Dogma central de la biología molecular
• Beadle y Tatum (1947), experimentando con la mosca del vinagre (D.
melanogaster) y el moho rojo del pan (N. crassa), establecieron el paralelismo
entre genes y enzimas pues observaron que individuos mutantes presentaban
alteraciones en determinadas enzimas. Así nació la hipótesis denominada un
gen-una enzima.
• Watson y Crick. Hipótesis de la colinearidad: se establece una
correspondencia entre la secuencia de nucleótidos de un gen y la secuencia de
aminoácidos de la enzima que codificaba y, en general, entre la secuencia de
aminoácidos de una proteína fuera o no enzimática. Un gen – una cadena
polipeptídica. Siguen sin conocerse los mecanismos de expresión del mensaje
genético, es decir cómo las órdenes contenidas en el ADN eran ejecutadas.
• Crick (1970). Dogma central de la biología molecular: “el ADN copia una parte
de su mensaje sintetizando una molécula de ARN mensajero, la cual
constituye la información utilizada por los ribosomas para la síntesis de una
proteína”.

• Este mecanismo consta de dos
procesos:
– 1º. Realizado en el núcleo (o en el
nucleoide en el caso de bacterias)
donde se pasaba de una secuencia
de bases nitrogenadas de un gen
(ADN) a otra de bases nitrogenadas
complementarias perteneciente a
ARNm, proceso que se denominó
TRANSCRIPCIÓN (gen: fragmento
de ADN que posee información
para la síntesis de determinada
proteína).
– 2º. Realizado en los ribosomas,
donde se pasa de una secuencia de
ribonucleótidos a otra de
aminoácidos, proceso llamado
TRADUCCIÓN.
• Posteriormente y tras nuevos
descubrimientos fue modificado

4. Transcripción
• La transcripción consiste en la síntesis
de ARN tomando como molde ADN, y
significa el paso de la información
contenida en el ADN hacia el ARN.
• La transferencia de la información del
ADN hacia el ARN se realiza siguiendo
las reglas de complementariedad de las
bases nitrogenadas (A – U, T – A, C –
G, G – C)
• Se precisa:
– ADN que actúe como patrón pues la
cadena de ARN será complementaria
de una de las hebras de ADN.
– Ribonucleótidos trifosfatados de A, G,
C, y U.
– Enzimas ARN-polimerasas (añaden
nucleótidos al extremo 3’).
– Cofactores o factores de transcripción.

4.1. Transcripción en procariotas
• Sólo existe una ARN – polimerasa.
• Cuatro etapas:
– Iniciación:
• La región que se transcribe del ADN se denomina unidad de transcripción.
Antes de esta región, existe una secuencia de nucleótidos denominada
promotor, la cual no se transcribe y aparece en una de las dos cadenas de
ADN, la que tiene que ser transcrita.
• Este promotor contiene una secuencia de nucleótidos concreta
denominadas secuencias de consenso TATAAT y TTGACAT a las que se
asocia la ARN polimerasa.
• La ARN polimerasa se une al promotor y provoca el desenrollamiento de la
hélice e inicia la síntesis de ARN.
– Elongación:
• La ARN polimerasa recorre la hebra patrón de ADN en dirección 3’ – 5’,
sintetizando ARN complementario y antiparalelo a ella en dirección 5’ – 3’
3’…..ATAGGCCTTTAA…5’
5’…..UAUCCGGAAAUU….3’

La transcripción es
asimétrica: solamente se
trascribe para cada gen una
de las dos cadenas del ADN.
La cadena trascrita se llama
codificadora, y la cadena de
ADN que no se transcribe se
denomina estabilizadora.
Iniciación de
transcripción en
procariotas

– Finalización:
• Secuencia en el ADN, terminador, formada por una sucesión de nucleótidos
de G y C, seguidos de varias T. El ARN transcrito contiene, por tanto, una
secuencia final de uracilos que indica a la ARN polimerasa la señal para
disociarse del ADN.
– Maduración:
• ARNm no sufre proceso de maduración, en procariotas.
• ARNt y ARNr sí son transformados por enzimas específicas.

4.2. Transcripción en eucariotas
• Características:
– Existen tres tipos de ARN
polimerasas:
• ARN polimerasa I: Sintetiza
ARNr
• ARN polimerasa II: Sintetiza
ARNm
• ARN polimerasa III: Sintetiza
ARNt.
– Los genes eucariotas están
fragmentados: Presentan
secuencias con información, exones,
y secuencias sin información,
intrones, por tanto deben de sufrir
un proceso de maduración.
– EL ADN está asociado a histonas: El
ADN se encuentra más expandido
(menos condensado) cuanto mayor
sea la frecuencia de transcripción.

• Etapas de la transcripción del ARNm
– Iniciación:
• ARN polimerasa II se fija al promotor (ADN).
• Las secuencias de consenso del promotor son TATA y CAAT.
• Para que se inicie la transcripción la polimerasa necesita que se fijen a ella
factores proteicos de transcripción (TF)
• Se forma el complejo de iniciación de la transcripción (ARN polimeras II +
factores de transcripcion + secuencias de consenso en el ADN)

– Elongación:
• Comienza la síntesis de ARN en sentido 5’ – 3’
• Cuando se han sintetizado unos 30 nucleótidos se añade la “caperuza” de
metilguanosina trifosfato protege el ARN del ataque de enzimas
exonucleasas al tiempo que permitirá ser identificado por los ribosomas
para la síntesis proteica.

– Finalización:
• Señal de finalizacion o terminador, en el ADN: secuencia TTATTT.
• Adición de la cola de poli A, por accion de la enzima poli A – polimerasa, al
extremo 3’ del ARN sintetizado, la cual le confiere estabilidad.
• Se forma un Pre ARNm o también llamado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn)

– Maduración:
• En la maduración intervienen las ribonucleproteínas pequeñas nucleares
RNPpn (proteínas asociadas a un tipo especial de ARN pequeño nuclear
ARNpn ).
• Varias de éstas unidas a proteínas forman los espliceosomas.
• Reconocen los intrones (que suelen empezar por la secuencia GU y acabar en
AG) los corta y los retira. Luego las ARN ligasas empalman los exones.

• Curiosidades:
– En diferentes tejidos de un
mismo individuo, o en el mismo
tejido en diferentes momentos
del desarrollo, se puede producir
un procesamiento distinto del
mismo ARNhn, y por eso, en
cada tejido o momento del
desarrollo se produce un ARNm
maduro diferente que origina un
polipéptido distinto.
– Por ejemplo, en el tiroides y en el
hipotálamo el mismo ARNhn da
lugar, con procesamientos
diferentes, al péptido calcitonina
(metabolismo del calcio)en el
tiroides y al péptido CGRP en el
hipotálamo (vasodilatador
potente y puede funcionar en la
transmisión del dolor, por
ejemplo en las migrañas)

5. El código genético
• El código genético es la relación existente entre la secuencia de nucleótidos
del ARNm y la secuencia de aminoácidos de las proteínas.
• Varios experimentos en la década de los años 60, llevaron descifrar el código.
– Hay cuatro bases diferentes para formar nucleótidos (A, G, U, C) en la clave
genética. Si un aminoácido fuera codificado por dos bases podrían formarse 42=16
codones que codificarían 16 aminoácidos. Como hay 20 quedarían aminoácidos sin
codificar.
– Si un aminoácido fuera codificado por tres bases se formarían 43=64 tripletes
distintos. De esto se deduce que un aminoácido puede ser codificado por varios
tripletes.
– Los tripletes codificadores de ARNm se llaman codones, mientras que los tripletes
codificadores de ADN que se han transcrito previamente se llaman codógenos.

• Características del código genético:
– Está formado por una secuencia de bases nitrogenadas, lo que avala la hipótesis
de la colinearidad propuesta por Crick anteriormente.
– Entre los sucesivos codones no hay espacios ni separaciones, ya que todos los
nucleótidos están a la misma distancia.
– Es universal, es decir, el mismo para todos los seres vivos, e incluso para los virus.
Esto se considera una prueba del origen común de todos los seres vivos. Los
ribosomas de cualquier célula podrían traducir cualquier ARNm sea cual sea su
procedencia fabricando así proteínas que no le son propias.
– El código genético está degenerado es decir, no existe el mismo número de
codones codificadores que de aminoácidos codificados (64 frente a 20) lo que
significa que existe más de un triplete que codificará un solo aminoácido. La
ventaja de esto es que ante un error de transcripción, seguiría la colinearidad
entre triplete y aminoácido. Si sólo existiera un triplete por aminoácido, es decir 20
tripletes traducibles, sería un problema pues existen por combinación de las cuatro
bases 64 tripletes, de los cuales 44 no tendrían sentido y un simple error en un
nucleótido podría detener el proceso de traducción. Con la clave actual
simplemente variaría un aminoácido en una proteína y esto, salvo que ocurra en el
centro activo de un enzima, no es peligroso.
– De los 64 codones, hay uno que es señal de inicio y al mismo tiempo codifica la
metionina: AUG. También existen tres tripletes sin sentido o de terminación: UAA,
UGA, UAG

6. Traducción: Síntesis de proteínas
• Consiste en la síntesis de la secuencia de aminoácidos de una proteína siguiendo el
mensaje contenido en el ARNm. Este proceso es básicamente igual en procariotas y
eucariotas.
• Ocurre en los ribosomas.
• Si el ARNm es suficientemente largo puede ser traducido por varios ribosomas a la vez,
constituyendo un polirribosoma o polisoma.
• Intervienen:
– Varios tipos de ARN: ARNm, ARNr y ARNt.
– Aminoácidos
– Enzimas
– Factores proteicos
– Nucleótidos trifosfato(ATP, GTP..)
• Sucede en tres etapas:
– Activación de los aminoácidos
– Traducción:
• Iniciación
• Elongación
• Finalización
– Asociación de cadenas polipeptídicas

• Activación de los aminoácidos
– Los aminoácidos se unen a un ARNt originando un aminoacil-ARNt, reacción
catalizada por aminoacil ARNt sintetasa, con gasto de ATP que origina AMP + Ppi.

• Traducción
– Iniciación de la síntesis:
• ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma
• Aminoacil – ARNt se asocia al ARNm por medio de la bases complementarias
del codón (ARNm) – anticodón (ARNt). Esta asociación siempre se produce en
el codón iniciador AUG, que codifica para el aminoácido metionina.
• A este conjunto se asocia a continuación la subunidad mayor del ribosoma
formando el complejo ribosomal.
• Todo esto es catalizado por factores de iniciación (FI) con gasto de GTP.

• Complejo ribosomal
– Sitio P o centro peptidil: Lugar del complejo en el que se sitúa el primer
aminoacil – ARNt
– Centro A o centro aceptor: Lugar en el que se sitúan los siguientes
aminoacil – ARNt.
– Centro E o centro de salida: En él se sitúa el ARNt que acaba de aportar
su aminoácido y está a punto de salir del ribosoma

– Elongación:
• Al centro A llega un segundo aminoacil – ARNt (el correspondiente
al codón del ARNm)
• Entre los aminoácidos se establece un enlace peptídico, catalizado
por la enzima peptidil transferasa. El dipéptido queda asociado al
ARNt del sitio A (el que ha llegado)
• El centro P queda ocupado por un ARNt sin aminoácido.
• Traslocación del ribosoma: movimiento del ribosoma, de modo
que el ARNt pasa a ocupar el sitio E y posteriormente abandona el
ribosoma
• El dipeptidil – ARNt ocupa el centro P y queda vacio el centro A,
para que sea ocupado de nuevo por un nuevo aminoacil – ARNt.
• Este proceso se repite una y otra vez hasta que llegue a los
codones de finalizacion
• Para que suceda la elongación se necesitan factores de elongación
y GTP

– Finalización:
• Determinada por tres tripletes sin sentido UAA, UAG y UGA, ningún ARNt
posee el anticodon complementario.
• Existen factores de liberación (FL) que, con gasto de GTP, provocan que la
peptidil transferasa haga interaccionar el último grupo –COOH con el H2O,
quedando libre la cadena polipeptídica y separándose las dos subunidades
ribosomales.

• Asociación de varias cadenas polipeptídicas para constituir las proteínas.
– Conforme se sintetiza la proteína adopta determinada estructura
secundaria o terciaria mediante enlaces por puente de hidrógeno y
disulfuro.
– Alguna proteína enzimática precisarán para ser eficaces de iones o
coenzimas (como determinadas vitaminas).
– El aminoácido iniciador Met suele ser eliminado.
– El cloranfenicol y la estreptomicina son antibióticos inhibidores de la
síntesis proteica de procariotas.

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