TEMA 14 GENÉTICA MOLECULAR.

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1 TEMA 14 GENÉTICA MOLECULAR

2 Experimentos que demostraron que el ADN es el portador de la información genética
Griffith (1928): las bacterias S poseen un factor transformante que se transmite a las células vivas R y las convierte en virulentas Avery : el factor transformate es el ADN

3 EL CONCEPTO DE GEN Desde un punto de vista estructural, un GEN es un fragmento de ADN que contiene la información genética para un determinado carácter. Desde un punto de vista funcional, un GEN se define como un fragmento de ADN que contienen la información necesaria para sintetizar una proteína. Beadle y Tatum (1958): hipótesis un gen-una enzima. Un gen una proteína. GENOMA: conjunto de genes de un organismo. Procariotas: un solo cromosoma circular. Algunas bacterias poseen plásmidos que se replican independientemente. Eucariotas: la mayor parte del genoma constituye la cromatina localizada en el núcleo de la célula. Otra parte del ADN se encuentra en las mitocondrias y cloroplastos.

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6 LA REPLICACIÓN DEL ADN La replicación es el proceso a través del cual el ADN hace una copia de sí mismo. La replicación es de tipo semiconservativo ya que cada nueva hélice está formada por una de las cadenas originales y una cadena de nueva síntesis. Durante la replicación enzimas específicas reemplazan los nucleótidos, que por error han sido incorrectamente apareados.

7 La replicación comienza con la rotura de los enlaces de hidrógeno que unen las bases complementarias entre las dos cadenas de ADN. Las hélice comienza a desenrollarse. Cada cadena parental constituye el molde para la síntesis de una nueva cadena. Una cadena se sintetiza de una vez (5’-3’) mientras que la otra (3’-5’) se sintetiza en pequeños fragmentos llamados fragmentos de Okazaki. A medida que las dos hebras se van separando, enzimas específicas (ADN pol) van leyendo la secuencia e incorporando los nucleótidos complementarios. Conforme se van formando las nuevas cadenas se establecen enlaces de hidrógeno entre las bases y las hebras se van enrollando. El resultado son dos moléculas de ADN iguales entre sí e iguales a la molécula original.

8 LA EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Las proteínas son macromoléculas constituidas por unidades más pequeñas denominadas aminoácidos. - En la naturaleza existen 20 aminoácidos diferentes. - Cada aminoácido tiene un ARNt propio. - La información contenida en el ADN está organizada en forma de tripletes. Cada triplete constituye una de las tres combinaciones de tres nucleótidos. ADN –proteínas Transcripción : proceso que consiste en copiar la información contenida en el ADN a una molécula de ARNm. La complementariedad es G-C A-U. Este proceso ocurre en el núcleo. El ARNm sintetizado sale al citoplasma a través de los poros nucleares. Traducción: consiste en traducir el mensaje contenido en el ARNm en un polipéptido.

9 TRANSCRIPCIÓN Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ADN se copia en una molécula de ARN EUCARIOTAS PROCARIOTAS VIRUS de ARN: ARN replicasa: capaz de fabricar copias del ARN Transcriptasa inversa: sintetiza ADN a partir de ARN

10 FASES Tiene lugar en el interior del núcleo Enzima: ARN polimerasa
Una en procariotas Tres en eucariotas ARNpol I: formación del ARNr ARNpol II: síntesis de ARN m ARNpol III: síntesis de ARNt y un ARNr de pequeño tamaño. Nucleótidos: AGCU . Se unen mediante un enlace éster entre el H3PO4 situado en la posición 5’ del ribonucleótido fosfato y el –OH en posición 3’ del último ribonucleótido de la cadena de ARN en formación. FASES Iniciación Elongación Terminación Maduración

11 UNIDAD DE TRANSCRIPCIÓN
Región del DNA que se extiende desde el promotor y el terminador. El ARN que se sintetiza en dirección 5’-3’ es el tránscrito primario. En procariotas puede ser el producto de varios genes continuos. En eucariotas es el producto de un solo gen.

12 INICIACIÓN La ARN pol II reconoce las secuencias promotores. La ARN pol II tiene acción helicasa. Se forma la horquilla de replicación. ELONGACIÓN Se unen nucleótidos fosfato. En eucariontes tras los primeros 30 nuc se añade una caperuza formada por metil-guanosil-P que será señal del inicio de lectura durante la traducción.

13 TERMINACIÓN PROCARIONTES: La señal de terminación es una secuencia palindrómica formada por GC seguidas de varias T que originan un bucle al final de la secuencia. EUCARIONTES: El ARNpol transcribe secuencias regiones de ADN que exceden la longitud de la secuencia codificante. La secuencia AAUAA aparece unos nucleótidos antes de la señal de terminación. La enzima poli A añade en el extremo 3’ una cola de poli A

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15 MADURACIÓN PROCARIONTES: El ARNm puede ser traducido directamente a proteínas. El ARNt y el ARNr se encuentran en una larga cadena (tránscrito primario) que es cortada por enzimas específicos para dar los correspondientes ARNt y ARNr EUCARIONTES: Cada gen consta de intrones (secuencias no codificantes) y exones (secuencias codificantes). Participa la enzima RNPpn (ribonucleoproteína pequeña nucleolar). Un mismo ARNm puede dar lugar a distintos genes dependiendo del proceso de maduración.

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17 MADURACIÓN DEL ARNm (SPLICING)

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19 EL CÓDIGO GENÉTICO

20 EL CÓDIGO GENÉTICO Es universal. Excepciones en bacterias y en mitocondrias. Es degenerado: varios codones codifican para el mismo aminoácido (61 codones codificantes. Codones de término UGA, UAG, UAA : algunos codones no codifican para ningún aa sino que marcan el final del proceso de traducción. El codón de inicio AUG es la señal de inicio para que comience la traducción y codifica para el aa metionina. No hay solapamiento

21 TRADUCCIÓN

22 RIBOSOMA

23 TRADUCCIÓN ACTIVACIÓN INICIACIÓN ELONGACIÓN TERMINACIÓN ATP GTP

24 Aminoacil ARNt- sintetasa
TRADUCCIÓN ACTIVACIÓN Aminoacil ARNt- sintetasa aa ARNt Aminoacil-ARNt ATP AMP+PPi

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26 TRADUCCIÓN INICIACIÓN 1º Complejo de iniciación
La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm Entra en el sitio P un aminoacil ARNt (UAC) El primer ARNt lleva unido N-formil metionina en bacterias y metionina en eucariotas. 2º Unión de la subunidad grande del ribosoma Estos procesos están regulados por los factores de iniciación y requieren gasto de GTP

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28 TRADUCCIÓN 2. ELONGACIÓN
El siguiente aminoacil-ARNt entra en el sitio A del ribosoma Formación del enlace peptídico entre el aa que ocupa el sitio P y el que se encuentra en el sitio A. Desplazamiento de ARNt del sitio P al sitio E desde donde sale del ribosoma. Desplazamiento del ARNt peptidil al sitio P. Entrada de un nuevo aminoacil ARNt al sitio A. La unión de los aa está catalizada por el propio ARNr (riboenzima)

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30 TRADUCCIÓN 3. TERMINACIÓN Reconocimiento del codón de término.
Entrada de un ARNt que reconoce la señal de término al sitio A. Liberación de la cadena polipeptídica. Liberación del último ARNt. Separación de las dos unidades de los ribosomas.

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32 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS: EL OPERÓN
Descrito por Monod y Jacob en E.coli (50’) Consta de las siguientes partes: Promotor (P): secuencia de nucleótidos de ADN a la que se une la ARN polimerasa para inicial la transcirpción de un gen o un conjunto de genes. Genes estructurales: aquello que codifican la síntesis de las proteínas implicadas en un mismo proceso metabólico. Se transcriben sin interrupción de modo que el ARNm resultante lleva información para varias proteínas (ARN policistrónico). Operador (O): secuencia de nucleótidos situados entre el promotor y los genes estructurales. Gen regulador (r ): puede estar situado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano y codifica la proteína que actúa de represor. Cuando la proteína represora se asocia al operador impide la transcripción.

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36 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
EN EUCARIOTAS Peor conocido que en procariotas. Presencia de activadores y de promotores Proteínas que activan la transcripción miARN’s y ARN’s de interferencia Hormonas esteroideas

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38 LAS MUTACIONES Las mutaciones son cambios aleatorios que se producen en el ADN de un organismo. Constituyen una fuente de variabilidad genética y un motor para la evolución de las especies. Según el efecto sobre el individuo Perjudiciales: confieren una desventaja para la supervivencia del individuo, pudiendo llegar a provocar su muerte. Beneficiosas: Aumentan la probabilidad de supervivencia del individuo. Neutras: no afectan a la supervivencia del individuo ni positiva ni negativamente. Según el tipo de células que se ven afectadas Somáticas: son aquellas que afectan a las células somáticas. No son heredables. Germinales: afectan a los gametos. Se pueden transmitir a las siguientes generaciones. Según el tipo de material genético que se ve afectado Génicas: provocan cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN. Genómicas: producen variación en la dotación cromosómica de una especie. Cromosómicas: ocasionan cambios que afectan a la estructura interna de los cromosomas

39 GÉNICAS Transiciones: cambio de una base púrica-púrica o pirimídinica-pirimidínica. Transversiones: cambio de una base púrica por otra pirimidínica o viceversa Deleciones: pérdida de una base. Inserciones: inserción de una base.

40 GENÓMICAS Euploidias: cambio en el número de juegos cromosómicos.
Monoploidía: un solo juego cromosómico. Poliploidía: más de un juego cromosómico Alopoliploidía: incorporación de un juego cromosómico de otra especie

41 GENÓMICAS Aneuploidias: cambio en el número de cromosomas (2n ± x).
Monosomía (2n-1): pérdida de un cromosoma. Sexuales: X0 Turner Y0 letal Automosomas: es letal Trisomía (2n + 1): más de un juego cromosómico Sexuales: XXY Klinefelter XXX Triple X XYY Duplo Y Autosomas: 21 Síndrome de Down 13 Síndrome de Patau 18 Síndrome de Edward

42 Trisomía (2n + 1) autosomas
Síndrome de Down (21) 1/1500 Rasgos mongoloides Retraso mental Enfermedades de los aparatos circulatorio, digestivo y endocrino. Síndrome de Patau (13) Mueren entre los 3 meses y el año de vida Malformaciones múltiples Síndrome de Edwards (18) Muerte pre y perinatal Malformaciones y retraso mental

43 Trisomía (2n + 1) cromosomas sexuales
Klinefelter 75% de los casos a un cariotipo (47, XXY). (56% materno-44%paterno) Mosaicismo 20% de los casos son mosaicos con las variantes (48, XXXY) y (48, XXYY) 5% de los casos (49, XXXXY) Talla elevada Extremidades largas Tendencia al sobrepeso (acumulación de grasa subcutánea) Mamas ligeramente desarrolladas Testículos pequeños Retraso en el habla, trastornos emocionales Triple X (superhembras) 1/1500 Mayor altura Retraso mental Problemas de coordinación Duplo Y (supermachos) Niños normales CI inferior al de sus hermanos Monosomía Síndrome de Turner Aspecto infantil Infertilidad Baja estatura

44 CROMOSÓMICAS Traslocaciones e inversiones. Delecciones o inserciones
Duplicaciones

45 AGENTES MUTAGÉNICOS FÍSICOS Radiaciones no ionizantes
Radiación UV: Radiaciones de corta longitud de onda. Provoca la formación de un enlace covalente entre dos bases pirimídicas contiguas con la formación de dímeros de citosina o de timina. Impide que estas bases puedan aparearse. Paraliza la replicación Lesiones en la piel Radiaciones ionizantes: Longitud de onda muy corta (muy energéticas) Rayos X, γ, y radiaciones α, β de explosiones nucleares. Apertura de anillos y fragmentación de las bases Mutaciones cromosómicas

46 QUÍMICOS Desaminantes: Ácido Nitroso (HNO2): Desaminación de las bases nitrogenadas (C en U y A en hipoxantina) Incorporación incorrecta de bases Aquilantes Añaden grupos etilo o metilo Induce errores en la replicación Etil-metano-sulfonato (EMS) Metil-metano-sulfonato (MMS) y Dietil-sulfonato (DES) , gas mostaza. Sustancias análogas: Pueden sustituir a las bases nitrogenadas y provocar transiciones. 5-bromouracilo en lugar de T y la 2-aminopurina en lugar de A Agentes intercalantes: Acridina y proflavina : Se insertan entre las bases del ADN dando lugar a inserciones o deleciones de un solo pb. Benzopireno: se intercala entre dos cadenas de ADN y las une covalentemente.

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48 MUTACIONES INDUCIDAS SISTEMAS QUE EVITAN LOS ERRORES ANTES DE QUE OCURRAN Superóxido dismutasa: este enzima convierte los radicales superóxido en peróxido de hidrógeno. Catalasa: este enzima convierte el peróxido de hidrógeno en agua. REPARACIÓN DIRECTA DEL ADN Fotorreactivación: sistema de reparación directa de los daños producidos por la luz UV Transferasa de grupos alquilo (metilo o etilo): elimina los grupos alquilo producidos por el EMS o por NG. El enzima metiltransferasa transfiere el grupo metilo de la O-6-metilguanina a una cisteína (cys) de la enzima.

49 Reparación directa: fotorreactivación
Reparación por escisión: daños uv

50 SISTEMAS DE REPARACIÓN DEL ADN
MUTACIONES NATURALES SISTEMAS DE REPARACIÓN DEL ADN Reparación de bases mal apareadas Reparación por escisión de bases Reparación por escisión de nucleótidos Reparación por rotura de la doble cadena

51 SISTEMAS DE REPARACIÓN DEL ADN
ADN polimerasa E. Coli Mamíferos Función I α Llenado del intervalo y síntesis de la hebra retardada II ε β γ Corrección y reparación del ADN Reparación del ADN Síntesis de ADN mitocondrial III δ Procesiva, síntesis de la cadena directriz Tasa de mutación en humanos 106 Mayor parte de las mutaciones se acumulan en regiones no codificantes.

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59 MUTACIÓN Y CÁNCER Cáncer: enfermedad causada por la proliferación descontrolada de células que invaden tejidos y órganos (metástasis). Características de las células cancerosas: Se originan a partir de una única célula cancerosa. Proliferan continuamente. Pierden características fenotípicas. Provocan tumores.

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61 Genes implicados PROTOONCOGENES
Genes normales presentes en todas las células. Implicados en mecanismos de control y diferenciación celular Se suelen encontrar reprimidos. La mutación de uno de los alelos es suficiente para alterar su función y transformarlo en un oncogén. Transformación de un protooncogén en oncogén Mutación Puntual (Cáncer de vejiga) Reorganización cromosómica

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65 SUPRESORES DE TUMORES (antioncogenes):
Controlan negativamente la proliferación celular Implicados en mecanismos de proliferación celular Se suelen encontrar reprimidos. Tienen que mutar los dos alelos GENES DE REPARACIÓN DEL ADN Impiden la acumulación de mutaciones en el ADN Están activados

66 Factores de crecimiento
Activadores de la proliferación Intervienen en la síntesis de proteínas implicas en la progresión del ciclo celular desde la fase G1 a la fase S. Inhibidores de la proliferación. Intervienen en la síntesis de proteínas que pueden conducir a un incremento de la proliferación celular.

67 Origen vírico Retrovirus (virus tumorales de ARN)
Virus tumorales de ADN: Papovirus, Adenovirus, virus del herpes Transforman las células en tumorales al insertarse en el ADN huésped.

68 LA BIOTECNOLOGÍA La biotecnología es la utilización de los seres vivos, o parte de ellos, con el fin de obtener productos de interés para las personas. La biotecnología se viene utilizando desde hace tiempo, por ejemplo para hacer selección de ganado o al utilizar diversos tipos de microorganismos para la elaboración de productos como el pan, queso, yogurt etc. Actualmente, la biotecnología emplea técnicas avanzadas de manipulación de ADN. Usos de la biotecnología: Producción de sustancias terapéuticas: hormonas, vacunas… Producción de alimentos: aumento de la productividad de cosechas, plantas resistentes a plagas, etc. Eliminación de metales pesados del medio mediante el uso de bacterias. Biorremediación: consiste en la utilización de ciertos hongos y bacterias para eliminar sustancias contaminantes del medio (pesticidas, hidrocarburos, etc..) Producción de energía: obtención de gas metano o bioetanol.

69 LA INGENIERÍA GENÉTICA
La ingeniería genética consiste en la manipulación del ADN de un organismo para conseguir un objetivo práctico. Esta tecnología se lleva a cabo mediante la transferencia de uno o más genes de un organismo a otro, ya sea de la misma especie o de otra. Se denomina organismo transgénico a aquel cuyo genoma ha sido modificado con genes procedentes de otros organismos. El ADN sintetizado de manera artificial mediante la unión de ADN de orígenes diferentes se denomina ADN recombinante. Aplicaciones de la ingeniería genética Obtención de fármacos: vacunas, proteínas, hormonas. Mejora en la producción agrícola o animal. Terapia génica. Implicaciones Ecológicas: alteración del equilibrio natural del medio. Sanitarias: aparición de nuevos virus o bacterias patógenas que provoquen nuevas enfermedades. Sociales: discriminación por presencia o ausencia de determinados alelos. Éticas. Legales

70 LA CLONACIÓN Clonar un organismo, una célula o una molécula significa hacer una o varias copias idénticas del original. Se distinguen dos tipos de clonación: Clonación terapéutica: Tiene como objetivo tratar enfermedades y regenerar tejidos. Se utilizan células madre (células no diferenciadas que pueden dividirse indefinidamente dando lugar a diferentes tipos de tejidos). Las células madre pueden obtenerse de células somáticas o de embriones tempranos. Clonación reproductiva: Tiene por objeto conseguir individuos genéticamente idénticos entre sí. La primera clonación de un mamífero se realizó en 1997 con el nacimiento de la oveja Dolly. Técnica de transferencia nuclear: utilización de núcleos de células diferenciadas o de células embrionarias en un estado de desarrollo temprano. Consideraciones éticas a la clonación: Posibilidad de crear individuos artificialmente: en humanos esta prohibido por la ley. Clonación terapéutica: utilización de embriones desechados en tratamiento de la fertilidad.

71 LA CLONACIÓN DE DOLLY

72 EL PROYECTO GENOMA HUMANO
El PGH nace en la década de los 80’ con el objetivo de conocer la secuencia de nucleótidos en los cromosomas humanos. Entre sus objetivos destacaban: Identificar todos los genes humanos y conocer su localización en los cromosomas. Secuenciar cada gen. Determinar la función que realiza cada uno de los genes. El 12 de febrero de 2002 se publicaron los primeros mapas e interpretaciones del genoma humano en las revistas Science y Nature Conocimientos actuales: Nuestro genoma tiene unos genes. No existe relación entre la complejidad de un organismo y el número de genes. El tamaño es de millones de pares de bases. Muchos de los genes que poseemos parecen proceder de virus y bacterias (ADN fósil). Los seres humanos somos genéticamente muy similares por lo que no se puede hablar de razas. (99,99% de similitud interracial). Cada gen puede estar implicado en la síntesis de varias proteínas Los genes que codifican son pocos y están alejados entre sí. La mayor parte del ADN son interrupciones en la secuencia y secuencias repetidas o ADN de función desconocida. Actualmente se sabe que el número de proteínas que sintetiza un individuo es superior al número de genes que posee, por eso los estudios se basan en la Proteómica, que es el estudio de conjuntos completos de proteínas que codifican los genomas.