Tema genética molecular. El adn como mensajero biológico




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fecha de publicación24.01.2016
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TEMA 7. GENÉTICA MOLECULAR. EL ADN COMO MENSAJERO BIOLÓGICO


1.EL ADN COMO MENSAJERO BIOLÓGICO

Miescher (1869) encuentra una sustancia sólo en el núcleo a la que denominó ”nucleina”. Era una sustancia blanca, azucarada ligeramente ácida y contenía P y N.

Análisis químicos posteriores mostraron que los cromosomas de cels eucariotas estaban formados por ácido (ADN) y proteínas en cantidades aproximadamente iguales.

Griffith (1928) realizó un experimento con la bacteria causante de la neumonía (Streptococcus pneumoniae).

Existían 2 tipos de neumococos:

  • Cepas S : Poseen una cápsula de polisacáridos que le da a sus colonias un aspecto liso. Causantes de la enfermedad.

  • Capas R: No poseen cápsula, las colonias aspecto rugosos. No causan la enfermedad.

Se realizaron los siguientes experimentos:

  • Al inyectar a un ratón bacteria de la cepa S el ratón moría

  • Al inyectar a un ratón bacteria de la cepa R el ratón vivía.

  • Al inyectar a un ratón bacteria muertas de la cepa S el ratón no moría

  • Al inyectar al ratón una mezcla de bacteria S muertas y R vivas, el ratón moría. Al analizar la sangre del ratón se observan bacterias S vivas.

Griffith dedujo que en las bacterias muertas existía algo (principio transformante) que era captado por las bacterias vivas y transformaba sus caracteres hereditarios convirtiéndolas en virulentas.


Posteriormente Avery comprobó que sucedía los mismos si se utilizaban extractos de bacterias encapsuladas muertas añadidos a un cultivo de tipo R. A este fenómeno se le conoce como transformación.

Avery (1944) concluyó que la sustancia responsable de la transformación bacteriana era el ADN, puesto que las únicas Enzimas capaces de eliminar la capacidad transformante eran las enzimas destructoras de ADN. Esto supuso la primera evidencia experimental de que el ADN era el material genético.

Hersey y Chase (1952) realizaron un experimento que demostró que el ADN era el material genético.
Bacteria en medio con 35S Bacteria en medio con 32P

Se infecta con virus Fago T2 Se infecta con virus Fago T2
 
La progenie del fago T2 tiene las La progenie del fago T2 tiene sin

proteínas marcadas con 35S y el marcar y el ADN

ADN sin marcar marcado con 32P


 
Los virus infectan otra bacteria Los virus infectan otra bacteria

La proteína queda en el exterior La proteína queda en el exterior

El ADN no marcado pasa a la El ADN marcado pasa a la

célula célula

 
La progenie del fago sin marcar La progenie del fago marcada
El material genético debe cumplir los siguientes requisitos:

  • Llevar información transmisible a las siguientes generaciones

  • Localizarse en los cromosomas (justifica las observaciones citológicas)

  • Ser capaz de autoduplicarse o replicarse, hacer copias de si mismo,(justifica la reproducción celular y la constancia del material genético

  • Poder mutar (tener cambios químicos) justifica la varibilidad de las especies y su evolución

  • Debe ser químicamente estable

  • Debe se capaz de regular la síntesis de proteínas.

El ADN cumple todos los requisitos.
2. REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN

Se produce en la fase S de la interfase y es imprescindible para que se realice la división celular. Ocurre una sola vez en cada generación celular.

Se sugieren 3 hipótesis de replicación:

  • Conservativa: Las dos cadenas originales se mantiene juntas en un ADN, siendo la otra molécula de ADN totalmente nueva.

  • Semiconservativa: Cada doble hélice conserva una cadena original y la otra es de nueva formación.

  • Dispersiva: Las dos cadenas de ADN original se reparten en fragmentos entre las cuatro cadenas formadas en la replicación.


En 1958 Meselson y Stahl realizaron el siguiente experimento:

  • Cultivaron bacterias de E. coli durante varias generaciones, en un medio

15 N. Comprobaron que el ADN era más pesado que el de bacterias cultivadas en medio normal con 14N (y ambos ADN se pueden separar por ultracentrifugación).

  • Pasaron las bacterias del medio anterior a un medio con 14N y las mantuvieron en este durante varias generaciones.

  • Tomaron de cada generación obtenida en el medio con 14N, una muestra de bacterias, les extrajeron el ADN y ultracentrifugaron para observar la incorporación del 14N.

Los resultados fueron los siguientes:

  • En la primera generación obtuvieron una sola banda en posición intermedia lo que indicaba que todas las moléculas de ADN tenían la misma densidad y contenían 14N y 15 N en la misma proporción.

  • En la 2ª y 3ª generación se mantuvo la banda intermedia y apareció una banda correspondiente a 14N.

Estos resultados demuestran la hipótesis semiconservativa.


  1. FASES DE LA REPLICACIÓN EN PROCARIONTES

  1. Iniciación:

Consiste en el desenrrollamiento y apertura de la doble hélice.

Comienza en una región del ADN llamada “punto de iniciación” donde abundan las secuencias de bases GATC.

El punto de iniciación es reconocido por proteínas específicas que se unen a él.

Enzimas helicasas rompen los enlaces de hidrógeno que unen bases complementarias, abriendo la doble hélice.

Cuando la doble hélice se abre se produce desenrrollamiento en esa zona, lo que provoca superenrrollamientos en las zonas vecinas. Las enzimas girasas y topoisomerasas evita esas tensiones.

Después las proteínas de unión a cadena simple (SSB) se unen a las hebras individuales e impiden que se vuelvan a enrollar.

Alrededor del origen de replicación se ha formado una “burbuja de replicación” o replicón en la que hay 2 zonas con forma de Y, denominadas “horquillas de replicación”, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN.

La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos, por este motivo la replicación es bidireccional

  1. Elongación

Es la fase en la que se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre cada hebra (molde) de la doble hélice original.

Además de las enzimas que participan en la iniciación en la elongación intervienen ADN polimerasas. Hay varios tipos que se nombran I, II y III. Sus funciones son:

  • Actividad polimerasa: Reconocen la hebra molde, seleccionan el desoxirribonucleótido cuya base es complementaria con la de la hebra molde, y lo unen. Las nuevas cadenas se sintetizan por unión de nucleótidos trifosfato, la energía para el enlace se obtiene de la hidrólisis de los dos grupos fosfato del nucleótido entrante.

  • Actividad exonucleasa: elimina nucleótidos cuyas bases están mal apareadas, asi como fragmentos de ARN.

Las ADN polimerasas no pueden iniciar de cero la síntesis de la nueva cadena; necesitan un fragmento de 10 nucleótidos de ARN denominado “cebador o primer” con el extremo 3´ libre al que añadir los nuevos nucleótidos.

El cebador se sintetiza por una enzima ARN polimerasa denominada “primasa”.

La ADN polimerasa III recorre las hebras molde en sentido 3´ 5´ y va uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3´(sentido de la hebra en formación 5´ 3´).

Como la replicación sólo ocurre en un sentido y las 2 cadenas de ADN son antiparalelas, se planteaba cómo se efectuaría la replicación en los dos brazos de la horquilla. La solución la aportó Okazaki al encontrar que una cadena, la que se sintetiza en sentido 5´ 3, lo hace de forma continua como una sola unidad. A esta hebra se le denomina conductora o lider. Mientras que la otra (3´ 5´) se forma de manera discontinua como una serie de fragmentos sintetizados cada uno en el sentido 5´ 3´ que después se unen formando la “cadena retardada o retrasada”.

Cada uno de los fragmentos requiere un cebador de ARN sintetizado por la primasa cada ciertos intervalos. La ADN polimerasa I va eliminando el cebador y sustituyéndolo por ADN. Por último una ADN ligasa une los fragmentos obtenidos.

  1. Terminación

Cuando se llega a la secuencia de terminación o TerC las nuevas dobles hélices terminan de formarse y se separan







  1. Corrección de errores

Cuando se incorporan nucleótidos que no aparean correctamente sus bases, en su cirreción intervienen las siguientes enzimas:

  • Endonucleasas: Detectan errores y cortan el fragmento anómalo

  • Exonucleasas (p.e. la ADN polimerasa I): Eliminan el fragmento incorrecto

  • Polimerasas( ADN polimerasa I): Sintetizan la parte correspondiente al segmento eliminado

  • Ligasas: Unen el segmento nuevo al resto de la cadena




  1. REPLICACIÓN EN EUCARIONTES DIFERENCIAS CON PROCARIONTES

Se deben a la mayor complejidad del ADN de eucariontes. Son:

  • En procariontes 1 sola burbuja de replicación, en eucariontes muchas. El proceso de replicación se inicia simultáneamente en varios puntos de cada cromosomas denominados replicones.

  • En procariontes 3 tipos de ADN polimerasas en eucariontes 5 (, , , , ). La  interviene en la replicación del ADN mitocondrial.

  • En eucariontes a medida que se forman las nuevas hebras el ADN se va compactando formando nuevos nucleosomas (los nuevos nucleosomas se incorporan a la hebra retardada mientras que los viejos se quedan en la conductora).

  • La replicación termina en el telómero. Cuando se elimina el último ARN cebador la hebra retardada queda incompleta ya que la ADN polimerasa no puede sintetizar en dirección 3´ 5´, necesita un extremo 3´libre al que añadir nucleótidos. Esto hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide; este fenómeno se aoscia a los procesos de envejecimiento y muerte celular.



3. CONCEPTO DE GEN. ORGANIZACIÓN GENÉTICA.

La información necesaria para la construcción y el funcionamiento de un organismo se encuentra en el ADN, organizada en fragmentos denominados genes. El genoma de un organismo es su material genético.

Cada gen tiene una secuencia de nucleótidos que constituyen la información específica para la síntesis de un polipéptido.

En procariontes:

  • el genoma está formado por un sólo cromosoma circular. Los genes son continuos, es decir toda la información contenida en un gen se traduce a una proteína.

  • También contienen plásmidos que so moléculas de ADN circulares más pequeños que el cromosoma y con capacidad de replicarse independientemente de él.

En eucariontes:

  • La mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo

  • La cantidad de ADN por célula es la misma para cada cel diploide dentro de la misma especie y distinta de una especie a otra.

  • No existe relación directa entre la complejidad del organismo y la cantidad de ADN ya que la mayoría de este no codifica proteínas ni interviene en la regulación de su síntesis.

  • Los genes no son contínuos, es decir en un gen hay fragmentos de ADN que codifican aa, llamados exones; y fragmentos de ADN que no codifican aa lamados intrones

  • El ADN no codificante puede estar formado por:

  • Secuencias de nucleótidos altamente repetitivas que puede ser:

  • ADN de secuencia simple: secuencias de 5-10 pares de bases colocadas en tándem (una detrás de otra) en gran cantidad. Están relacionadas con la estructura del cromosoma y se asocian al centrómero.

  • ADN repetitivo intermedio formado por secuencias de 150- a 300 nucleotidos dispuestas en tándem o dispersas por todo el ADN. Son genes que codifican las histonas y 3 ARN, y también secuencias que no codifican genes de función desconocida.

  • Secuencias que no codifican genes ni están repetidas, como el de los intrones.

- Una parte del ADN se encuentra en mitocondrias y cloroplastos. Son moléculas circulares de ADN que carecen de histonas. Su estructura es parecida a la del cromosoma bacteriano. Forman un sistema genético propio con plena capacidad para realizar la replicación transcripción y síntesis protéica; pero la mayoría de las proteínas de estos orgánulos son codificadas en el ADN nuclear.


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