ADN y genes
La duplicación o replicación del ADN:
- %%Semiconservativa:%% formulada por Watson y Crick. %%Cada hebra sirve de molde para formar una nueva%% mediante las bases complementarias. Si después se forma un enlace fosfodiéster, cada hebra del ADN da lugar a una molécula completa. Quedan dos dobles hélices formadas por un hebra antigua (molde) y otra nueva (copia).
- %%Conservativa:%% Las dos hebras antiguas quedan juntas y las nuevas forman una nueva doble hélice.
- %%Dispersiva:%% Las hebras nuevas están formadas por fragmentos en doble hélice del ADN antiguo y fragmentos del nuevo.
Elementos que requiere la replicación de ADN:
- Un ADN molde
- Desoxirribonucleósidos de A, T, G y C
- Energía proporcionada por los nucleótidos añadidos en su forma de trifosfato, que al romper el enlace de pirofosfato suministra energía.
- Enzimas:
- Girasas: desenrollan el ADN
- Helicasas: separan las hebras del ADN
- Proteínas SSB: estabilizan el ADN monocatenario mientras se replica
- ADN polimerasas I y III: I sustituye los cebadores y III la principal
- Primasa: sintetiza ARN cebador “primers”
- Ligasa: suelda los fragmentos adyacentes formando un enlace éster
Mecanismo de replicación del ADN
La replicación del ADN es %%muy rápida%%, experimentos realizados con la enzima ADN- polimerasa I muestran que se añaden casi 1000 nucleótidos por segundo.
%%Los nucleótidos se van añadiendo un por uno a continuación de una hebra cebador y frente a una hebra molde, en una única dirección.%%
La enzima va recorriendo la hebra molde a medida que se añaden nucleótidos.
%%La replicación del ADN es bidireccional%%, la replicación comienza en un %%punto de origen%% (oriC) donde se insertan %%dos complejos enzimáticos de replicación%%. Un complejo avanza en una dirección y el otro en la contraria hasta que la replicación de la molécula de ADN se completa. %%Cada complejo replica dos hebras de ADN a la vez.%%
Una hebra de ADN se replica en la %%dirección en la que actúan las enzimas ADN polimerasas (hebra conductora%%) y la otra en la dirección contraria (%%hebra retardada%%)
- Las proteínas específicas se unen al punto de iniciación.
- La helicasa rompe los enlaces de hidrógeno entre las bases y abre la doble hélice.
- En cada horquilla se instala un grupo de enzimas que coordinan sus funciones.
- La hebra retardada se deforma en bucles para que la enzima ADN polimerasa III pueda copiarla en la dirección de replicación adecuada.
- A cada fragmento de ADN copiado en la hebra retardada, le sigue un ARN cebador que después se sustituirá por ADN.
- Los fragmentos de ADN precedidos de ARN cebador fueron descubiertos por Okazaki y llevó a descubrir el mecanismo de replicación “in vivo”
Mecanismo de elongación
La ADN polimerasa recorre las hebras molde en el sentido 3’- 5’ uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3’
- La primasa sintetiza un cebador en cada hebra de la burbuja de replicación.
- Las enzimas ADN polimerasa comienzan la síntesis de la hebra conductora por el extremo 3’ de cada cebador.
- La primasa sintetiza un nuevo cebador sobre cada hebra retardada.
- La enzima ADN polimerasa comienza a sintetizar un fragmento de ADN a partir del nuevo cebador.
- Cuando la enzima ADN polimerasa llega al cebador de ARN, lo elimina y lo reemplaza por ADN.
- La ligasa une los fragmentos de ADN.
Transcripción y traducción
%%Los genes son fragmentos de ADN que llevan un mensaje relacionado con el funcionamiento y las características de un organismo.%%
El mensaje se expresa cuando el gen produce una molécula de ARN o una proteína que son responsables de algunos funcionamiento o de las características del organismo
Los %%genes estructurales%% producen proteínas cuya acción se manifiesta en la producción de caracteres del organismo.
La expresión de los genes estructurales supone la transcripción y la traducción.
%%Transcripción: formación de una molécula de ARN que transcribe el mensaje del gen.%%
%%Traducción: formación de una proteína a partir del mensaje del ARN.%%
Los genes reguladores cuya expresión no produce directamente ningún carácter del organismo. Regulan los procesos de replicación, de transcripción o de traducción.
Pueden producir moléculas de ARN que no se traducen en proteínas (ARNr, ARNt…). Los genes reguladores pueden producir proteínas reguladoras que se unen al ADN.
La transcripción en procariotas
La enzima ARN polimerasa transcribe un fragmento de las dos hebras del ADN.
El gen va después del segmento promotor y seguido por un segmento terminador, donde se une y se separa respectivamente la enzima a la hebra molde.
La enzima recorre el gen en un única dirección y va enfrentando a él una base complementaria a las del gen.
Elementos requeridos para la síntesis del ARN
- Un ADN molde.
- Los ribonucleósidos trifosfato de A, U, C y G.
- Energía que proporcionan los ribonucleósidos en su forma trifosfato.
- La ARN polimerasa que es una enzima procesiva como las ADN polimerasas.
La replicación en eucariotas
La replicación del ADN implica el desmontaje, duplicación y reconstitución de la estructura de cromatina.
El ADN en eucariotas, tiene mayor longitud que en procariotas. Para por lo que las moléculas de ADN cuentan con varios puntos de iniciación de la replicación.
- Replicón: es una unidad de replicación, fragmento de ADN que contiene un origen y un final de replicación. Además, contiene todos los elementos de control necesarios para la replicación.
La replicación se inicia simultáneamente en los replicones del cromosoma.
Las histonas se duplican durante la replicación. Junto al ADN, formarán el nucleosoma. Los nuevos nucleosomas se incorporan a la hebra retardada y los viejos en la conductora.
El envejecimiento y la muerte celular se asocia a que eliminación del último cebador, la ADN polimerasa no puede rellenar el hueco porque no puede sintetizar en dirección 3’-5’, por lo que el extremo del cromosoma (telómero) se va acortando cada vez que la célula se divide.
Mecanismo de transcripción
Iniciación:
- Procariotas - Promotor
- Eucariotas - Caja TATA, a la que se une proteínas del de transcripción.
Terminación:
- Con FACTOR RHO: la proteína que se une al ARN y corta la transcripción
- Sin FACTOR RHO: el ARN hace un bucle y separa la ARN polimerasa
La transcripción en eucariotas
Según el tipo de ARN polimerasa producido, hay tres clases de ARN polimerasa.
- El ARNm producido suele ser monocistrónico, en contraste con los procariotas que suelen producir ARNm policistrónico (varios genes se transcriben en un mismo ARNm)
- El ARNm transcrito debe sufrir un procesamiento antes de ser funcional
- Se eliminan los intrones por los spliceosomas, regiones sin información para la síntesis de proteínas.
- A un extremo del ARN se añade una proteína llamada caperuza (GTPm)
- Al otro extremo del ARN, se añade una cola de ácido poliadenílico (poliA)
Mecanismo de traducción
Consiste en la síntesis de proteínas de acuerdo con las instrucciones dentro del ARNm.
Hay que descifrar la información contenida en la secuencia de nucleósidos del ARNm para determinar la secuencia de aminoácidos que forman la proteína.
Elementos que intervienen en la traducción
- Los ribosomas
- El ARNm
- El ARNt
- Los aminoácidos
- Varias enzimas: las aminoacil-ARNt sintetasas y la peptidiltransferasa (una ribozima)
Código genético
Varios codones codifican un mismo aminoácido supone la degeneración del código genético.
El código genético es la relación entre la secuencia de bases en el ARNm y la secuencia de aminoácidos en la proteína.
Activación: formación del aminoacil-ARNt
Los aminoácidos se activan al unirse a una molécula de ATP y se transfieren a una molécula de ARNt en presencia de la aminoacil ARNt sintetasa:
La transferencia es específica, cada aminoácido se enlaza con un ARNt cuyo anticodón sea complementario del codón correspondiente a ese aminoácido.
Existen 20 aminoacil ARNt sintetasa, una por cada aa. Esta enzima es la encargada de reconocer al aa y al ARNt. Garantiza la fidelidad de la traducción.
Ensamblaje de aminoácidos. Iniciación (P)
Tiene lugar en los ribosomas, cuyas subunidades están separadas antes del proceso
- Subunidad pequeña del ribosoma se une al ARN transferente iniciador que lleva el aa de inicio Met.
- Este complejo se une a la caperuza del extremo 5’ del ARNm
- Escanea el ARNm hasta encontrar el codón de iniciación AUG.
- Cuando encuentra el codón de inicio, la subunidad grande del ribosoma se une al complejo y los factores de iniciación se liberan.
- El ribosoma tiene tres sitios:
- A: sirve de entrada para nuevos ARN transferentes cargados con aminoácidos.
- P: ocupado por el peptidil-ARNt, es el ARN transferente que lleva la cadena polipeptídica creciente.
- E: es la salida de los ARN transferentes después de haber dejado el aminoácido.
Ensamblaje de aminoácidos. Elongación (P)
La energía para el movimiento de las subunidades ribosómicas se obtiene con la hidrólisis del GTP
Los enlaces peptídicos se realizan sin consumo de energía por la situación espacial de los aminoácidos.
- Un nuevo ARN transferente cargado entra en el sitio A del ribosoma.
- En el ribosoma el el anticodón del ARNt que llega, se empareja con codón del ARNm que se encuentre en el sitio A.
- Se rechazan los ARNt que tienen un anticodón incorrecto y se remplazan hasta encontrar el que coincide.
- Cuando es el correcto entra al sitio A y crea un enlace peptídico entre los aa adyacentes.
- Mientras se forma este enlace, el ARNt en el sitio P libera los aa al ARNt del sitio A y se queda vacío.
- Al mismo tiempo el ribosoma se mueve un codón hacia delante, por lo que el sitio A queda vacío para poder aceptar otro ARNt. El sitio E ahora tiene el ARN transferente vacío y en el sitio P se encuentre el peptidil-ARNt.
Ensamblaje de aminoácidos. Terminación (P)
El polipéptido formado sufre varias transformaciones hasta convertirse en la proteína codificada por el gen.
- En el sitio A se coloca alguno de los tres codones de terminación, no hay ningún ARN transferente que pueda unirse.
- Estos codones son reconocidos por una proteína con un factor de terminación.
- Al unirse este factor de terminación se rompe el enlace que une el polipéptido y el ARN transferente.
- El polipéptido se libera del ribosoma y el ribosoma se separa en sus subunidades.
- Y está listo para un nuevo ciclo de traducción.
Ensamblaje de aminoácidos. Polirribosomas
En procariotas empieza la traducción antes de acabar la transcripción y traducen varios ribosomas uno detrás de otro.
Regulación de la expresión del mensaje genético
Hay mecanismos que regulan cuando deben expresarse los genes y cuando no.
Es más eficiente la regulación de la transcripción que la de la traducción, porque los efectos de la activación o de la represión del gen se amplifican en poco tiempo.
Operón - Jacob y Monod
Es un caso concreto de regulación de un gen bacteriano. Explica regiones del ADN que no se manifiestan en caracteres, producen moléculas reguladoras o sirven para la unión con moléculas reguladoras.
Un gen - una enzima
Los caracteres de los organismos son el resultado de diversas reacciones químicas, que están catalizadas por enzimas, que son codificadas por los genes.
Un gen - una enzima/ una reacción - un carácter, explica la relación entre la genética molecular y la genética mendeliana clásica.
Proteoma
El proteoma es el conjunto de proteínas que puede producir un organismo. Es mayor que el número de genes, esto se explica porque con el splicing se pueden producir distintas proteínas