bioquimica 8

¿Qué características debe tener la molécula portadora de la información genética?:

Debe ser transmisible.

• Tiene que tener capacidad de autorreplicación.

• Ser químicamente estable.

• Ser susceptible de sufrir pequeños cambios químicos.

¿QUÉ ES UN GEN? ESTRUCTURA Y FUNCIONES

Un gen es un fragmento de ADN localizado en una región concreta de un cromosoma.

 Constituye la unidad de la información genética.

 Estructura de un gen:

•Exones, se encuentran en la región estructural del ADN y son secuencias que codifican (contienen información) para la síntesis de proteínas. Suponen una ventaja evolutiva.

•Intrones, se encuentran en la región estructural del ADN y son secuencias que no codifican (no contienen información) para la síntesis de proteínas. Su cantidad y longitud está relacionada con la complejidad de los organismos.

•Región reguladora, en ella se encuentran secuencias reguladoras de la expresión de los genes. Es el caso de los promotores. También hay otras regiones del ADN que determinan el grado en que se expresa un gen. Son las regiones amplificadoras o silenciadoras.

 Funciones del gen:

• Almacenar la información genética.

• Expresar la información genética.

• Transmitir la información genética.

¿QUÉ ES EL GENOMA?

El genoma es el conjunto de genes de un organismo. Es decir, su material genético (ADN). Presenta diferencias entre procariotas y eucariotas. (MIRAR TABLA DEL GENOMA EN LA PRESENTACION)

¿QUÉ ES EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR?

El dogma central de la biología molecular describe el flujo de la información genética, la transmisión del mensaje genético de una generación a la siguiente, y la expresión a su forma funcional, las proteínas.

 El Dogma Central de la biología molecular se puede representar en el siguiente esquema: REPLICACION, TRANSCRIPCION TRADUCION

 El conocimiento de los mecanismos replicativos de algunos virus (retrovirus) ha modificado dicho dogma hasta la formulación actual: REPLICACION, TRANSCRIPCION O TRANCRIPCION INVERSA, TRADUCCION

REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual se sintetiza una nueva molécula de ADN a partir de otra ya preexistente, que sirve como molde.

 Ocurre en la fases S del ciclo celular, antes de la división de la célula.

 Se realiza en el citoplasma, en las células procariotas y en el núcleo, en las células eucariotas.

 Es un proceso semiconservativo (Meselson y Stahl 1957), lo que significa que las moléculas de ADN resultantes conservan una cadena original, unida a otra cadena complementaria sintetiza de nuevo.

 Previamente a la hipótesis semiconservativa, se formularon la hipótesis dispersiva y la conservativa.

ETAPAS DE LA REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN

El mecanismo de la replicación del ADN es muy semejante en procariotas y eucariotas. Consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación.

Iniciación:

consiste en la apertura de la doble hélice, permitiendo el acceso a las cadenas simples. En el cromosoma de la célula procariota, la replicación tiene un origen único en un lugar del cromosoma llamado origen de replicación. Una vez reconocido el origen de replicación intervienen las siguientes enzimas:

• HELICASAS: rompen los puentes de hidrógeno, produciendo la separación de las dos cadenas complementarias.

• TOPOISOMERASAS: evitan los superenrollamientos que se producen al separar las dos cadenas de la doble hélice.

• PROTEÍNAS SSB: estabilizan la separación de las dos cadenas.

Al final de esta etapa se forma una burbuja de replicación (regiones de los cromosomas donde la doble hélice se encuentra separada y accesible a las enzimas que forman el ADN), sus extremos se denominan horquillas de replicación.

Elongación de las nuevas cadenas de ADN

: en esta etapa se sintetiza una nueva cadena de ADN sobre cada una de las cadenas de la doble hélice original. Hay que tener en cuenta que es la replicación es un proceso bidireccional. Intervienen las siguientes enzimas:

•ARN POLIMERASA O PRIMASA: sintetiza un corto fragmento de ARN, llamado primer o cebador, necesario para que pueda actuar la enzima ADN Polimerasa.

•ADN POLIMERASA III: une los nucleótidos a partir del cebador.

•ADN POLIMERASA I: se encarga de eliminar los primer o cebadores y luego rellena los huecos con ADN complementario.

•ADN LIGASA: une entre sí los diferentes fragmentos. En esta etapa la ADN Polimerasa III unirá los nucleótidos de ADN al cebador en sentido 5’ 3’. Pero esta síntesis se produce de manera diferente en las dos cadenas de la doble hélice, una de ellas se sintetiza de forma continua y se llama cadena o hebra conductora o adelantada. En la otra cadena antiparalela, la síntesis es discontinua en forma de segmentos denominados, fragmentos de Okazaki, dando lugar a la cadena o hebra retardada o retrasada.

Terminación del proceso replicativo

una vez finalizada la síntesis de las cadenas complementarias, la unión de todos los fragmentos y la corrección de errores, se obtienen dos moléculas de ADN hijas iguales, que se disponen formando una doble hélice.

Diferencias en la replicación del ADN en eucariotas

Existen muchos orígenes de replicación, se forman muchas burbujas de replicación llamadas replicones.

 La velocidad de replicación es menor en eucariotas.

 Los fragmentos de Okazaki son más cortos en eucariotas.

 El ADN de eucariotas va asociado a histonas formando la cromatina, por lo que será necesario que la replicación del ADN vaya acompañada de la síntesis de las histonas.

 Hay un mayor número de ADN Polimerasas

TRANSCRIPCIÓN DEL ADN

La transcripción es la síntesis de ARN a partir de información contenida en el ADN.

 La transcripción junto con la traducción son los dos procesos fundamentales de la expresión génica.

 Si en transcripción se sintetiza una ARNm, irá seguida de la traducción de este para originar una proteína.

 Ocurre en los periodos G1 y G2 en la interfase del ciclo celular.

 Se realiza en el citoplasma, en las células procariotas y en el núcleo, en las células eucariotas; en el caso de las mitocondrias ocurre en la matriz mitocondrial y en los cloroplastos en el estroma.

 Se transcribe una de las dos cadenas del ADN (cadena molde o no codificante), que es la 3’ 5’.

 La cadena del ADN que no se transcribe se denomina cadena codificante y tiene la misma secuencia que el ARN transcrito, aunque en lugar de timina presenta uracilo.

 En la transcripción, la enzima ARN Polimerasas lee la cadena molde en sentido 3’ 5’ y el ARN se forma en sentido 5’ 3’, la copia es antiparalela.

ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN DEL ADN

 El mecanismo de transcripción del ADN es muy semejante en procariotas y eucariotas. Consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación.

Transcripción del ADN en procariotas

Para que se produzca la transcripción en la célula procariota se necesita una enzima ARN Polimerasa o Transcriptasa y un factor sigma (σ ), polipéptido que permite la unión de la ARN Polimerasas al promotor.

Iniciación

en esta etapa se inicia la transcripción con la unión de la ARN Polimerasa. Ocurren los siguientes procesos:

• Unión del factor sigma al promotor (secuencias cortas en el ADN que reconoce la ARN Polimerasa, la más conocida es la caja TATA).

• Se forma la burbuja de transcripción, al separarse las dos cadenas del ADN. Intervienen enzimas helicasas.

• Se une la ARN Polimerasa.

• Liberación del factor sigmA

Elongación del ARN

se produce la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN Polimerasa se desplaza a lo largo de la cadena molde de ADN en sentido 3’ 5’, sintetizando el ARN en sentido 5’ 3’. Esta copia es complementaria, teniendo en cuenta que el ARN tiene uracilo y no tiene timina.

Terminación de la transcripción:

en esta etapa la ARN Polimerasa reconoce unas señales de terminación que indican el final del proceso. Se cierra la burbuja de transcripción y se separa la ARN Polimerasa. El ARN transcrito puede ser:

•ARNm funcional, que ya puede ser traducido a proteínas.

•ARNt y ARNr que deben sufrir modificaciones para ser funcionales.

Diferencias en la transcripción del ADN en eucariotas

En las células eucariotas, la transcripción del genoma de mitocondrias y cloroplastos se asemeja a la de procariotas. Pero, en el caso, del genoma nuclear presenta las siguientes diferencias: las ARN Polimerasas o transcriptasas y los procesos de maduración del ARN.

 ARN Polimerasas: son más complejas que las de procariotas y están formadas por un gran número de subunidades. Además, necesitan diversos factores de transcripción (proteínas que favorecen el proceso), tanto en la etapa de iniciación como en la de elongación. Existen tres tipos de ARN Polimerasas que se reflejan en el cuadro adjunto. (AULA VIRTUAL)

 Maduración del ARN: todos los ARN transcritos, excepto el ARNm de procariotas, sufren modificaciones para convertirse en ARN funcionales.

•Maduración de los ARNt y ARNr: semejante en eucariotas y procariotas. A excepción del ARNt de eucariotas, todos los precursores de ARNt y ARNr sufren procesos de corte para dar secuencias más cortas, en todos se modifican los extremos y en todos los ARNt se modifican sus bases nitrogenadas para dar estabilidad a las moléculas.

•Maduración de los ARNm: hay grandes diferencias entre procariotas y eucariotas. En eucariotas ocurren los siguientes procesos:

oSe modifica el extremo 5’ añadiendo la caperuza de guanina o caperuza 5’ (cap 5’), su función es proteger al ARNm e indica a los ribosomas donde empieza la traducción.

oSe añade en el extremo 3’ una secuencia de 200 nucleótidos de adenina, denominada cola poli-A, ocurre al final de la transcripción y da estabilidad a la molécula.

oSe eliminan los intrones y se unen los exones, este proceso se denomina splicing. En el proceso de splicing interviene la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn).

TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

La traducción es el proceso mediante el cual se sintetizan proteínas mediante la unión de aminoácidos, siguiendo el orden establecido por la secuencia de nucleótidos del ARNm.

 La traducción es el proceso de biosíntesis de la célula en que se obtiene una mayor variedad de productos.

 Se consume entre un 80% y un 90% de la energía total empleada en la biosíntesis.

 Ocurre en los ribosomas.

 Requiere aminoácidos, ARNm, ARNt, enzimas y energía.

ETAPAS DE LA TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

El mecanismo de traducción es casi igual en procariotas y eucariotas. Consta de las siguientes etapas: activación de los aminoácidos, iniciación, elongación y terminación.

Activación de los aminoácidos

consiste en la unión de cada aminoácido al ARNt que le corresponde, en el extremo 3’. Formándose el complejo aminoacil-ARNt. En este proceso interviene la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa. Sucede en el citoplasma y necesita energía, en forma de ATP

Iniciación:

en esta etapa se necesita ARNm, un ribosoma, aminoacil-ARNt, factores de iniciación y GTP (energía). Ocurre los siguientes pasos:

• Unión de los factores de iniciación a la subunidad menor del ribosoma, más tarde se une el ARNm y el aminoacilARNt (en el sitio P) que siempre lleva el primer aminoácido de la cadena que es metionina.

• Unión de la subunidad mayor del ribosoma formando el complejo ribosomal o activo. Se necesita GTP.

• Liberación de los factores de iniciación.

Elongación de la cadena de aminoácidos

esta etapa consiste en la entrada de nuevos aminoácidos y en su posterior unión para formar la cadena de aminoácidos. En el ribosoma hay dos lugares en que se unen los ARNt: el sitio P, donde se une el ARNt con el primer aminoácido y el sitio A, donde se une el ARNt con el segundo aminoácido. Ocurre en las siguientes etapas

•Unión en el sitio A del ARNt cargado con el segundo aminoácido.

•Separación de la metionina de su ARNt y se une al segundo aminoácido por enlace peptídico.

•Desplazamiento o traslocación del ribosoma al siguiente triplete del ARNm en sentido 5’ 3’.

•Abandona el ribosoma el primer ARNt que ya no tiene aminoácido.

•Movimiento del ARNt con los dos aminoácidos del sitio A al sitio P.

•Entrada de un nuevo ARNt con el tercer aminoácido al sitio A, una vez que el ribosoma se haya desplazado al siguiente triplete del ARNm.

•Repetición del proceso, tantas veces como aminoácidos tiene la cadena

Terminación de la transcripción

en esta etapa el proceso finaliza cuando el ribosoma se encuentra con uno de los tres codones de terminación (UAA, UAG o UGA). Entonces, en el lugar A entra un factor de terminación. Se desprende la cadena de aminoácidos, el ARNm, el ARNt y el ribosoma se separa en sus dos subunidades.

Diferencias en la traducción en eucariotas

En procariotas, la transcripción y traducción pueden ser simultáneas. Esto se debe a que ambos procesos ocurren en el citoplasma.

 En eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción ocurre en el citoplasma.

 En procariotas, el primer aminoácido es la formilmetionina, mientras que en eucariotas es la metionina.

 En eucariotas, se necesitan más factores de traducción y la caperuza del extremo 5’ del ARNm (unión de la subunidad menor del ribosoma)

CÓDIGO GENÉTICO

El código genético puede definirse como la relación entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos de las proteínas.

 Está formado por la combinación de nucleótidos con las bases nitrogenadas(A, G, C, U) de tres en tres formando 64 tripletes de nucleótidos, denominados codones.

Características del código genético:

Es universal, todos los seres vivos utilizan el mismo código.

2. Se basa en combinaciones de tres nucleótidos, codones o tripletes.

3. Es un código degenerado, ya que hay más codones que aminoácidos y algunos codones codifican para el mismo aminoácido (se llaman sinónimos). Pero nunca dos aminoácidos van a estar codificados por el mismo codón.

4. No tiene solapamientos ni pausas, no “tiene comas”. Es decir, es continuo y no solapado.

5. Hay un codón de inicio: AUG y tres de terminación: UAA, UAG y UGA.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

La regulación de la expresión génica (transcripción y traducción) es imprescindible en todos los tipos celulares.

 En los organismos pluricelulares es fundamental en la diferenciación celular.

 La regulación de la expresión génica se realiza en tres etapas principales: la transcripción, la traducción y en la degradación del ARNm una vez terminada su función.

Regulación génica en procariotas

•Se adapta a las necesidades derivadas de las condiciones ambientales. Por ejemplo: las bacterias pueden emplear distintas fuentes de carbono. Si en el medio hay solo lactosa, solamente se expresan los genes necesarios para producir la enzima lactasa.

•Esta regulación se realiza mediante el Modelo genético del operón de Jacob y Monod (fueron Premio Nobel en 1965, por dicho modelo).

•Un operón es un grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador) y genes reguladores.

Regulación génica en eucariotas

•La regulación génica está en el origen de la diferenciación celular.

•Es más compleja que en las procariotas.

•Se realiza en los siguientes niveles:

o Regulación pretranscripcional: el grado de compactación de la cromatina actúa controlando qué genes se transcriben y cuáles no.

o Regulación epigenética: engloba conjunto de cambios del ADN y/o las histonas, que no implican un cambio en la secuencia de bases, pero sí cambian el nivel de activación o inactivación de los genes.

o Control de la transcripción: mediante los promotores y los factores de transcripción. o Control postranscripcionales: mediante el control de la maduración del ARN, del transporte del ARNm o de la degradación del ARNm. o Control de la traducción: mediante los factores de iniciación.