El ADN, portador del mensaje genético 2º Bachillerato Ciencias IES Universidad Laboral de Málaga

El ADN como material genético La información genética contenida en el ADN se copia durante el proceso de la duplicación (previo a la reproducción) y luego es transmitida a la descendencia Un Cariotipo es una fotografía del juego completo de cromosomas en su estado de mayor condensación

Confirmación del ADN como portador de la información genética Los genes están en los cromosomas (¿en el ADN o en las proteínas?) Las bacterias virulentas muertas que contenían ADN transmiten un factor transformante a las bacterias no virulentas

SIGNIFICADO DE LA REPLICACIÓN DEL ADN La replicación es un proceso previo a la división celular. Si una célula se va a dividir NECESITA replicar el ADN La replicación consiste en la formación de nuevas cadenas de ADN a partir de desoxirribonucleótidos y utilizando la información existente en una molécula de ADN vieja. Estas nuevas cadenas se van a repartir de manera equitativa entre cada una de las dos células hijas formadas en el proceso de división celular 4

REPLICACIÓN Permite transmitir la información genética a los descendientes. Mantiene la dotación cromosómica en la especie. Ocurre una vez en cada etapa generacional de la célula. Ocurre en el núcleo celular de las células eucariotas. Ocurre en el citoplasma en células procariotas. Participan una serie de complejos enzimáticos.

Hipótesis sobre la duplicación del ADN Hipótesis semiconservativa Hipótesis sobre la duplicación del ADN Hipótesis conservativa Hipótesis dispersiva

Experimento Meselson y Stahl (1957) DUPLICACIÓN DEL ADN Experimento Meselson y Stahl (1957) Se descarta la hipótesis conservativa Se descarta la hipótesis dispersiva

Síntesis de ADN in vitro Kornberg en 1956 aisló una enzima capaz de sintetizar ADN in vitro, La ADN-polimerasa Para actuar la ADN-polimerasa necesita: Desoxirribonucleótidos-5-trifosfato (de adenina, timina, guanina y citosina) Iones Magnesio ADN en el que se ha retirado un sector de una de las dos cadenas Se encuentran en el núcleo y en las mitocondrias Es incapaz de iniciar una cadena de novo, añade nucleótidos a una cadena preexistente, el ADN cebador, en su extremo 3´ La cadena de ADN sólo puede crecer en sentido 5´ 3´ El nuevo filamento sintetizado es antiparalelo y complementario al filamento patrón

5´a 3´dirección de crecimiento de la cadena ADN polimerasas Desoxirribonucleósido tri-fosfato entrante trifosfato Hebra recién sintetizada Desoxirribonucleósido tri-fosfato entrante Hebra patrón Hebra patrón pirofosfato 5´a 3´dirección de crecimiento de la cadena Hebra recién sintetizada

Duplicación del ADN en células procariotas FASE DE INICIACIÓN FASE DE ELONGACIÓN 10

Fase de iniciación Reconocimiento del “sitio de inicio” de la replicación (una secuencia de nucleótidos en el ADN, “origen de la replicación”, actúa como señal de la replicación) Separación de las cadenas parentales de ADN: helicasa Las topoisomerasas elimina tensiones y superenrollamientos Estabilización parcial de esas cadenas como cadenas sencillas de ADN (Proteínas estabilizadoras-SSB-). Formación de la horquilla de replicación Las dos horquillas de replicación enfrentadas forman las burbujas u ojos de replicación 11

1. Reconocimiento del “sitio de inicio” Replicación bidireccional: En las bacterias existe un solo origen de replicación, y, a partir de este único punto de origen, la replicación progresa en dos direcciones, de manera que existen dos puntos de crecimiento (PC) u horquillas de replicación. 12

2. Actuación de la Helicasa Cataliza el desenrollamiento de la doble cadena, rompiendo los puentes de hidrógeno, separa la doble cadena

3. Actuación de las Topoisomerasas Eliminan las tensiones y los superenrollamientos que se producen en la molécula al romperse la doble hélice

4. Acción de las proteínas estabilizadoras (SSB) Mantienen la separación de las dos hebras complementarias de ADN

5. Formación de la horquilla de replicación 6. Las dos horquillas de replicación enfrentadas forman las burbujas u ojos de replicación

Fase de elongación Una ARN-polimerasa llamada PRIMASA fabrica un ARN cebador llamado Primer o Primer 17

Replicación: rol del cebador

Fase de elongación 2. A partir del Primer la ADN-polimerasa III empieza a sintetizar una hebra de ADN en sentido 5´ 3´. Esta nueva hebra tiene un crecimiento continuo y se llama hebra conductora

Fase de elongación Hebra conductora Hebra conductora

Se forma un fragmento de Okazaki Fase de elongación Se forma un fragmento de Okazaki

Fase de elongación ADN-polimerasa I: retira los segmentos de ARN y añade nucleótidos de ADN en su lugar

Fase de elongación

Duplicación del ADN en células eucariotas Muy similar a las células procariotas. Diferencias: El ADN está asociado a histonas formando nucleosomas: La hebra patrón de la hebra conductora se queda con las histonas (Se enrollan juntos sobre octámeros antiguos) La hebra patrón y la hebra retardada se enrollan juntas sobre nuevos octámeros de histonas 24

Duplicación del ADN en células eucariotas La longitud del ADN es mucho mayor y el proceso es más lento En un cromosoma hay aproximadamente 100 origen de la replicación. Se forman 100 burbujas de replicación que se distribuyen irregularmente

Duplicación del ADN en células eucariotas Los fragmentos de Okazaki son más pequeños (100-200 nucleótidos)

Propiedades del proceso de replicación: - Es semiconservativa - Es bidireccional - Secuencial y Ordenada - Utiliza sustratos activados - Exacta - Discontinua 27

La expresión del mensaje genético Hipótesis de la colinearidad: correspondencia entre la secuencia de nucleótidos de un gen y la secuencia de aminoácidos de la enzima que el gen codifica Se diferencian dos procesos: Transcripción: a partir de la secuencia de nucleótidos de un gen (ADN) se realiza una copia con la secuencia de nucleótidos complementarios correspondientes a una ARNm Traducción: Se realiza en los ribosomas y es la síntesis de una secuencia de aminoácidos de una proteína a partir de la secuencia de ribonucleótidos del ARNm

Transcripción (en sentido general): proceso de síntesis de una cadena de cualquier tipo de ARN que tiene la secuencia complementaria de una cadena de ADN que actúa como molde

Dogma central de la biología molecular Flujo de información desde una secuencia de nucleótidos de ADN, a una secuencia de aminoácidos de una proteína

3´ 5´ 5´ 3´ 8.1.- 8.1.- 31

Mecanismo de la transcripción en procariotas Fases: Iniciación Elongación o alargamiento Finalización Maduración

Transcripción en procariotas: Iniciación En el ADN hay: Una zona que se transcribe: unidad de transcripción Una zona anterior que no se transcribe: Promotor (contiene una secuencia de nucleótidos llamadas secuencias de consenso)

Transcripción en procariotas: Iniciación La ARN polimerasa se fija al promotor, desenrolla una vuelta de hélice e inicia la polimerización de ARN siguiendo una de las dos hebras de ADN, la hebra patrón o hebra molde.

Transcripción en procariotas: Elongación o alargamiento La ARN-polimerasa recorre la hebra de ADN hacia su extremo 5´ sintetizando una hebra de ARNm en dirección 5´-3´

Transcripción en procariotas: Finalización El proceso finaliza al llegar a una secuencia llamada terminador. El ADN vuelve a su forma normal y el ARNm queda libre.

Transcripción en procariotas: Maduración Si lo que se forma es un ARNm no hay maduración, pero si se trata de un ARNt o ARNr hay procesos de corte y empalme.

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS Hay que tener en cuenta tres características, respecto a procariotas: Existen tres tipos de ARN-polimerasa, según el tipo de ARN que se va a sintetizar Los genes están fragmentados en zonas sin sentido o intrones y zonas con sentido o exones. Antes ha de madurar, eliminar los intrones y unir los exones. El ADN está asociado a histonas formando nucleosomas. Desempaquetamiento de las histonas.

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS a) Iniciación: la ARN polimerasa II se une a una zona del ADN llamada promotor (posee secuencias de consenso: CAAT y TATA) Para que se pueda fijar la ARN-polimerasa se deben fijar en ellas unas proteínas llamadas factores de transcripción (todo recibe el nombre de complejo de iniciación de la transcripción)

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS b) Alargamiento o elongación: la síntesis continua en sentido 5´-3´. Al poco se añade una capucha (metil-guanosín trifosfato) al extremo 5´.

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS C) Finalización: parece que está relacionado con la secuencia TTATTT. Ahora interviene la enzima poliA-polimerasa que añade una cola de 200 ribonucleótidos de adenina (cola de poli-A) al preARNm (ARN heterogéneo nuclear o ARNhn).

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS D) Maduración: se produce en el núcleo y la hace un enzima llamada ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn), que elimina los nuevos intrones Posteriormente las ARN ligasas empalman los exones (E)

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS

El código genético: correspondencia entre los tripletes de nucleótidos del ARNm y los aminoácidos que forman las proteínas Viene a ser como un diccionario que establece una equivalencia entre las bases nitrogenadas del ARN y el lenguaje de las proteinas, establecido por los aminoácidos. A cada aminoácido le corresponden tres bases nitrogenadas o tripletes (61 tripletes codifican aminoácidos y tres tripletes carecen de sentido e indican terminación de mensaje). Características: Es universal: lo utilizan todos los seres vivos conocidos. Excepciones en unos pocos tripletes en bacterias. No es ambigüo: cada triplete tiene su propio significado Todos los tripletes tienen sentido: codifican un aminoácido o indican terminación de lectura. Está degenerado: hay varios tripletes para un mismo aminoácido Carece de solapamiento: los tripletes no comparten bases nitrogenadas. Es unidireccional: los tripletes se leen en el sentido 5´-3´

Codón-anticodón Codón: secuencia de tres nucleótidos (triplete) en la estructura del ARNm, que es reconocida por el triplete complementario del ARNt Anticodón: Las tres bases del ARNt complementarias al triplete del ARNm

Traducción Se realiza en los ribosomas y es la síntesis de una secuencia de aminoácidos de una proteína a partir de la secuencia de ribonucleótidos del ARNm Intervienen los siguientes ARN: ARNm: Lleva la información genética ARNr: Forma los ribosomas ARNt: Transporta aminoácidos desde el citosol al ribosoma Se distinguen las siguientes etapas: Activación de los aminoácidos Traducción Asociación de varias cadenas polipeptídicas para formar las proteínas

Activación de los aminoácidos Es la unión de los aminoácidos en el citoplasma con su ARNt específico por la acción de un enzima (aminoacil-ARNt-sintetasa) por su extremo 3'

Traducción: Iniciación La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y va a ir recorriendo la molécula. Al llegar al codón de iniciación AUG se les une el complejo formado por el ARNt-Met (UAC). Por último se une la subunidad mayor completando el complejo ribosomal. En él hay tres sitios claves: Centro P (peptidil) ocupado por el ARNt-metionina Centro A (aceptor o aminoacil) que está libre para recibir un segundo ARNt (sólo el que su anticodón coincida con el del codón del ARNm) cargado con un nuevo aminoácido. Centro E (de salida) se sitúa el ARNt que está a punto de salir

Traducción: Elongación Entra el segundo aminoácido con su correspondiente ARNt con el anticodón complementario al codón del ARNm, y se sitúa en el centro A del ribosoma Es un proceso catalizado por el enzima peptidil transferasa, el cual, mediante enlaces peptídicos va uniendo aminoácidos a la cadena peptídica.

Traducción: Elongación Formación del enlace peptídico : Se forma el enlace peptídico y la Met se une al siguiente aminoácido (catalizado por la enzima peptidil-transferasa)

Traducción: Elongación Translocación: El ribosoma se traslada hacia el codón siguiente y el ARNt que lleva la Met se libera y sale fuera del ribosoma, de manera que el complejo ARNt-aminoácido 2-Met queda situado en la región P del ribosoma y la región A está libre para que entre el tercer aminoácido con su correspondiente ARNt                                                                                  

Traducción: Finalización de la síntesis Ocurre cuando aparece uno de los codones de terminación (UAA, UAG, UGA ). En este momento un factor proteico de terminación (FR) se une al codón de terminación e impide que algún ARNt con otro aminoácido (ARNt-aminoacil) se aloje en el sitio A. En este momento se produce la hidrólisis de la cadena peptídica y se separan las dos subunidades del ribosoma.

Asociación de varias cadenas polipeptídicas para constituir las proteínas A medida que la cadena polipeptídica se va sintetizando. Va adoptando una determinada estructura secundaria y terciaria Algunas para ser activas necesitan eliminar algunos aminoácidos

Corrección de errores A medida que avanza la replicación pueden cometerse errores de apareamiento en las bases. Cuando ocurre, la ADN polimerasa retrocede eliminando nucleótidos hasta que encuentra los correctamente apareados. Existen enzimas de reparación que actúan en otras etapas del ciclo celular. Si el problema de apareamiento no se resuelve aparece lo que se conoce como una MUTACIÓN

Mutación Una mutación es un cambio en el material genético de una célula. Estos cambios se pueden transmitir a la descendencia o no dependiendo en el tipo de célula que tenga lugar.

Atendiendo a este criterio, las mutaciones pueden ser: Los cambios en el ADN se traducen en cambios en las proteínas y por tanto las mutaciones pueden afectar a la capacidad de supervivencia de un organismo. Atendiendo a este criterio, las mutaciones pueden ser: Perjudiciales: si afectan negativamente al individuo (pueden llegar a causar incluso la muerte). Beneficiosas: si afectan positivamente al individuo. Neutras: si no producen beneficios no perjuicios al organismo.

Clasificación de las mutaciones Según el tipo de células afectadas: Mutaciones somáticas, puede provocar alteraciones en el organismo en el que se presente; pero desaparece en el momento en que muere el individuo en que se originó, ya que afecta a una célula somática, y por tanto no se transmiten a la descendencia Mutaciones germinales: son las que afectan a las células germinales (gametos) y por tanto se transmiten a la descendencia

Clasificación de las mutaciones Según la extensión del material genético afectado: Mutaciones génicas: producen alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. Mutaciones cromosómicas: Afectan a la secuencia de los genes de un cromosoma (la estructura del cromosoma) Mutaciones genómicas: Producen cambios que afectan al número de cromosomas del individuo. (tienen en sus células un número distinto de cromosomas al que es propio de su especie)

Las mutaciones génicas También llamadas mutaciones puntuales Pueden ser: Mutaciones por sustitución de bases: se produce por el cambio de un base por otra Mutaciones por pérdida o inserción de nucleótidos: Inserciones o adición: Se añade un nuevo nucleótido Delección o supresión: se pierde un nucleótido

Mutaciones cromosómicas Deleción Implica la pérdida de un trozo de cromosoma; los efectos que se producen en el fenotipo están en función de los genes que se pierden. Duplicación En este caso existe un trozo de cromosoma repetido. Inversiones Son segmentos cromosómicos que se han girado 180º Translocaciones Es el cambio de posición de un segmento cromosómico.

Mutaciones genómicas ALTERACIONES EN LOS AUTOSOMAS SÍNDROME TIPO DE MUTACIÓN Características y síntomas de la mutación Síndrome de Down Trisomía 21 Retraso mental, ojos oblicuos, piel rugosa, crecimiento retardado Síndrome de Edwars Trisomía 18 Anomalías en la forma de la cabeza, boca pequeña, mentón huido, lesiones cardiacas. Síndrome de Patau Trisomía 13 ó 15 Labio leporino, lesiones cardiacas, polidactilia. ALTERACIONES EN LOS CROMOSOMAS SEXUALES Síndrome de Klinefelter 44 autosomas + XXY Escaso desarrollo de las gónadas, aspecto eunocoide. Síndrome del duplo Y 44 autosomas + XYY Elevada estatura, personalidad infantil, bajo coeficiente intelectual, tendencia a la agresividad y al comportamiento antisocial. Síndrome de Turner 44 autosomas + X Aspecto hombruno, atrofia de ovarios, enanismo. Síndrome de Triple X 44 autosomas + XXX Infantilismo y escaso desarrollo de las mamas y los genitales externos.

Origen de las mutaciones Mutaciones naturales o espontáneas Se originan al azar. La tasa de mutación espontánea es muy baja en la especie humana un gen mutado por cada 50.000 genes. Mutaciones inducidas Son provocadas por la exposición a determinados agentes físicos o químicos, los agentes mutagénicos o mutágenos

Causas de las mutaciones génicas Errores de lectura durante la replicación del ADN Lesiones fortuitas en el ADN Transposiciones

Causas de las mutaciones genómicas Relacionadas con una segregación anormal de los cromosomas o de las cromátidas durante la división meiótica

Agentes mutagénicos Los agentes mutagénicos son factores que aumentan sensiblemente la frecuencia de mutación en los seres vivos. Actúan alterando o dañando la composición y la estructura del ADN. Mutágenos físicos: se dividen a su vez en: Radiaciones ionizantes: son radiaciones electromagnéticas de  muy corta y por lo tanto muy energéticas. Destacan: Rayos x y  Partículas radiactivas  y  Pueden producir mutaciones cromosómicas y génicas. Radiaciones no ionizantes: radiaciones electromagnéticas de  más larga. Destaca: Los rayos ultravioleta (U.V.): provocan mutaciones génicas.Mut Mutágenos químicos: Son sustancias químicas que reaccionan con el ADN Mutágenos biológicos Elementos genéticos móviles, virus

Mutágenos químicos Provocan tres tipos de alteraciones: Modificaciones de las bases nitrogenadas: ácido nitroso, hidroxilamina, etilmetanosulfonato, gas mostaza. Producen errores en la duplicacioón del ADN Sustitución de un base por otra sustancia análoga: 5-bromouracilo, 2-aminopurina. Implican emparejamientos con bases distintas a las complemantarias. Intercalación de moléculas: Acridina, proflavina agentes alquilantes (sustancias intercalantes) En la duplicación pueden aparecer inserciones o delecciones

Consecuencias de las mutaciones Beneficiosas: Papel importante como creadoras de variabilidad genética, base sobre la que actúa la selección natural en el proceso evolutivo. Puede provocar que una proteína funcione mejor, o funcione de otra forma y en consecuencia el individuo que la porta tenga algún tipo de ventaja Efecto pernicioso: Todo tipo de enfermedades dependiendo del tipo de mutación del que se trate. Letalidad: la parte afectada sea tan importante que el individuo no sea viable, es decir que no nazca, que nazca muerto, o que muera al poco tiempo de nacer.