TEMA 10. Genética molecular Bonifacio San Millán IES Muriedas 2º Bachillerato - Biología

Genética Molecular Introducción. Teoría cromosómica de la herencia Variabilidad y selección natural Naturaleza del material genético Teoría cromosómica de la herencia Postulados El flujo de la información genética: Dogma Central de la Biología Molecular: “Un gen, una proteína” Excepciones al dogma Naturaleza del material genético, evidencias experimentales.

Genética Molecular Teoría cromosómica de la herencia Postulados Los factores hereditarios(genes) se localizan en los cromosomas (ADN + Histonas). El lugar que ocupa un determinado gen en un cromosoma concreto se denomina “locus”(loci plural) Los “Loci” se encuentran situados linealmente a lo largo del cromosoma. Las distintas variantes de un mismo gen se llaman alelos

Genética Molecular Teoría cromosómica de la herencia Postulados (continuación) Los alelos se encuentran en los loci de los cromosomas homólogos (cada uno de ellos procede de un progenitor); por eso existe un par de alelos por carácter. Los cromosomas se distribuyen equitativamente en la división celular por mitosis o por meiosis. La meiosis produce gametos Durante la meiosis se producen intercambios de fragmentos de cromosomas homólogos (recombinación) El origen de los alelos está en las mutaciones del ADN.

Expresión de la información genética EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR “ Un gen una proteína” Transcripción Traducción ADN ARN PROTEÍNA

Genética Molecular El flujo de la información genética: Dogma Central de la Biología Molecular: “Un gen, una proteína” Excepciones al dogma 1.- No todos los genes se expresan en proteínas 2.- Retrotranscripción 3.- Algunos ARN no se traducen 4.- En realidad “un gen varias proteínas diferentes.” 5.- Priones 6.- Los ribozimas Transcripción Traducción Replicación: ADN ARN cadena polipeptídica “Un gen, una proteína”¿seguro?

Expresión de la información genética Matizaciones de EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Los priones pueden “replicarse” Algunos ARN, los ribozimas pueden autorreplicarse ADN ARN PROTEÍNA Algunos ARN no se traducen, intervienen en procesos reguladores En realidad un gen puede servir para codificar varias proteínas No todos los genes se expresan , algunos presentan funciones reguladoras (operador, promotor, ADN basura, intrones?) Retrotranscripción Las retrotranscriptasas catalizan la síntesis de ADN a partir de ARN

NATURALEZA DEL MATERIAL GENÉTICO GENERALIDADES (ADN) Requisitos: (4), El material genético (moléculas con capacidad de almacenar Información) debe presentar las siguientes propiedades: Estable Replicable Mutable Transmisible ¿Qué moléculas pueden cumplir estos requisitos, las Proteínas o el ADN? Esta cuestión fue resuelta por los siguientes autores: (*) Experimento de A. Hersey y M. Chase

La información genética está contenida EL EXPERIMENTO DE HERSHEY Y CHASE La información genética está contenida en el ADN , no en las proteínas 1 1 El experimento contempla 3 respuestas líticas consecutivas: 1,2 ,3 3 2 2 3 Los fagos liberados tras la lisis de nuevas bacterias NO aparecen marcados Algunos fagos liberados tras la lisis de nuevas bacterias SI aparecen marcados

LA REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN: (DURANTE EL PERIODO S) MODELOS Replicación SEMICONSERVATIVA Otros modelos rechazados:

LA REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN: MECANISMO 1.- Iniciación: Enzimas: (Helicasas, Topoisomerasas, Prot. SSB) 2.- Síntesis: Enzimas: RNA-Polimerasa (Primasa), DNA-Polimerasa Nucleótidos: dATP, dTTP, dGTP, dCTP, ATP, UTP, GTP, CTP (materia prima y energía) Proceso: Síntesis continua: Cebador + copia ADN  hebra conductora Síntesis discontinua: F. De Okazaki  hebra retardada 3.- Finalización: Enzimas: ( DNA-Polimerasa , DNA-Ligasa ) Proceso    a) Digestión de cebadores, b) síntesis de ADN, c) unión de fragmentos

LA REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN: MECANISMO

En Procariotas aparece un solo replicón La replicación se lleva a cabo según el modelo semiconservativo Tanto en eucariotas como en Procariotas Replicación en Eucariotas En eucariotas aparecen muchos ojos de replicación (replicones ) simultáneamente Replicación en Procariotas En Procariotas aparece un solo replicón

LA REPLICACIÓN DEL ADN: Modelo semiconservativo

LA REPLICACIÓN DEL ADN: Modelo semiconservativo

LA REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN: CORRECCIÓN DE ERRORES Simultánea a la síntesis: Exonucleasas Posterior : (Metilado tardío de adeninas de la hebra nueva) 1.- Endonucleasas 2.- Exonucleasa 3.- DNA- Polimerasas 4.- DNA- Ligasas Errores: 1 / 107-8  1 / 1010 ( variabilidad  evolución)

LA EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Un gen determina una proteína (normalmente un enzima) y esta a su vez, un carácter EL CÓDIGO GENÉTICO: Código de Tripletes de ARN ( 43 = 64 codones) Propiedades: 1.- Triplete de iniciación AUG y tres de terminación UAA, UGA, UAG 2.- Código lineal: el orden de los codones  orden de aminoácidos 3.- NO espaciamientos, NO solapamientos 4.- Está DEGENERADO: 64 codones para 20 aminoácidos 5.- Es Universal

LA EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: EL CÓDIGO GENÉTICO

LA EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: EL CÓDIGO GENÉTICO   5´ATATTT…..AGATCATGCGCGCGAATTTCGTGGGTCAGGCTTGAAG…..3´ 3´TATAAA…..TCTAGTACGCGCGCTTAAAGCACC CAGTCCGAACTTC…..5´ Transcripción (En el núcleo)  . 5´…..AGAUCAUGCGCGCGAAUUUCGUGGGUCAGGCUUGAAG…3´ Traducción (En el citoplasma: ribosomas)   Met – Arg – Ala – Asn – Phe – Val – Gly – Lys – Gln - Ala INICIO STOP Promotor

LA TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (SÍNTESIS DE RNA) Iniciación : Elementos : ADN molde (una hebra): Región promotora: ej. caja TATA (Promotor) ARN- Polimerasa (no necesita cebador) factores de iniciación

LA TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (SÍNTESIS DE RNA) Iniciación : Elementos : ADN molde (una hebra): Región promotora: ej. caja TATA (Promotor) ARN- Polimerasa (no necesita cebador) Factores de iniciación:

LA TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (SÍNTESIS DE RNA) Elongación: ( 5´  3´ ): “Formación de un fragmento transitorio de ADN-ARN espiralizado” Elementos : ADN molde ARN- Polimerasa factores de elongación nucleótidos trifosfato (ATP, UTP, GTP, CTP)

LA TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (SÍNTESIS DE RNA) Terminación: Elementos : ADN molde: Región de terminación ej. TTATTT (E) ARN- Polimerasa factores de terminación

ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL GENÉTICO Procariotas: 100% transcribible Eucariotas: DNA basura (FUNCIONES PARCIALMENTE DESCONOCIDAS) DNA transcribible: Genes fragmentados: Exones e Intrones  maduración de ARNm

ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS MADURACIÓN DEL ARN

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) Humo = Proteína Tren = Ribosomas Vía = ARNm

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) PROCESO: Localizado en los ribosomas ACTIVACIÓN DE AMINOÁCIDOS : Aminoacil ARNt sintetasa Ecuación global: aa + ATP + ARNt  aa-ARNt + AMP + PPi SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: (cadenas polipeptídicas) INICIACIÓN Comienza con el codón AUG  Metionina (E) o formil metionina (P) - COMPLEJO DE INICIACIÓN = 1° Subunidad menor + 2° ARNm + 3° fMet-ARNt + 4° Subunidad mayor - GTP y Factores de iniciación

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) INICIACIÓN

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) ELONGACIÓN A.- Unión del aa1-ARNt al sitio A: GTP y Factores de elongación B.- Formación del enlace peptídico: Peptidil transferasa (ARNr con actividad catalítica) C.- Translocación al sitio P : - Queda libre el sitio A Unión al sitio A de un nuevo aa2-ARNt y repetición del proceso ( A, B, C )

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) ELONGACIÓN

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) TERMINACIÓN Termina con las secuencias UAA, UAG o UGA que no codifican para ningún aminoácido. - Factor de terminación y GTP: Unión a sitio A del Factor de terminación

TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO: (síntesis de cadenas polipeptídicas) TERMINACIÓN

La Traducción Etapas: I, E, T Elementos: ARNm maduro Aminoacil RNAt Análisis resumen del proceso Etapas: I, E, T Elementos: ARNm maduro Aminoacil RNAt Ribosomas Energía (GTP) Enzimas: peptidil transferasa Factores de: Iniciación, Elongación y Terminación

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA GEN :“Secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN, que desempeña una función específica tal como codificar una molécula de ARN o una cadena polipeptídica”. NECESIDAD DE REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA Variaciones del medio extra o intracelular  Necesidades proteicas diferentes. Morfogénesis: Diferenciación de tejidos, desarrollo embrionario Ciclo celular: diferentes etapas  diferentes necesidades

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA PUNTOS DONDE ES POSIBLE REGULAR LA EXPRESIÓN GENÉTICA Transcripción (PRINCIPALMENTE) Maduración de ARNm Transporte de ARNm Traducción.

LA REGULACIÓN A NIVEL DE TRANSCRIPCIÓN Regulación en procariotas: Sistema inducible (control +)

LA REGULACIÓN A NIVEL DE TRANSCRIPCIÓN Regulación en procariotas: Sistema represible (control -)

LA REGULACIÓN A NIVEL DE TRANSCRIPCIÓN Regulación en eucariotas: Sistemas complejos (normalmente de control +) Estructura de la cromatina y eliminación de histonas (condensación) Factores epigenéticos (metilaciones de citosinas e histonas) Por factores de activación (Hormonas, etc.)  factores de transcripción que se unen ala ARN polimerasa. ADN no codificante (“basura”, intrones, secuencia no codificante de ADN) Hormonas: Peptídicas: Activación de sistemas de transducción  activador (A) A (AMPciclico) + ADN  Unión de la ARN-Polimerasa a factores de transcripción  (transcripción) Esteroideas: Hormona + receptor citoplasmático + ADN  Unión de la ARN-polimerasa a factores de transcripción  (transcripción)

LA REGULACIÓN A NIVEL DE TRANSCRIPCIÓN Hormonas

LAS MUTACIONES Concepto: alteraciónes “cualitativas” en la secuencia de bases del ADN

LAS MUTACIONES CLASIFICACIÓN: GÉNICAS O PUNTUALES CROMOSÓMICAS GENÓMICAS

LAS MUTACIONES génicas GÉNICAS O PUNTUALES: afectan a un GEN (1 o más bases) Causas: - Errores en la replicación - Agentes físicos, químicos y biológicos. Tipos: Sustituciones: Cambios de bases púrica x púrica o pirimidínica x pirimidínica : transiciones  (T  C, A  G) pirimidínica x púrica: transversiones  (T  G, A  C) Deleciones e Inserciones: Pérdida o inserción de bases (mutaciones graves)

LAS MUTACIONES cromosómicas CROMOSÓMICAS: Afectan a un cromosoma (varios genes) Nº incorrecto de genes  Sobrecruzamiento erróneo por apareamiento desigual en profase I Deleciones cromosómicas Duplicaciones (importancia evolutiva) Alteraciones en el orden de los genes Inversiones Translocaciones Transposiciones: “transposones” o “genes saltarines”) Translocación recíproca

LAS MUTACIONES cromosómicas Mutaciones CROMOSÓMICAS: Profase I

LAS MUTACIONES cromosómicas

LAS MUTACIONES genómicas Vistas en meiosis Aneuploídías ( trisomías y monosomías) Poliploidías Efectos fenotípicos: Aneuploidías En autosomas: Normalmente letales En cromosomas sexuales: efectos graves Animales: Normalmente letales Vegetales: mayor tamaño

TIPOS DE AGENTES MUTÁGENOS Físicos: Radiaciones Radiaciones ionizantes (x, , ,  y neutrones) Efectos: M. cromosómicas (deleciones y traslocaciones) Radiaciones no ionizantes : UV Efectos: dímeros de T Químicos: Sustancia químicas Reacciones químicas: Ej.benzopirenos, acridina, nitrosaminas, … Análogos químicos: Ej. 5-bromouracilo análogo de la T,… Efectos: M. puntuales, principalmente sustituciones Biológicos: virus o transposones Virus:(oncogenes) : provirus  saltos intercelulares Efectos: Principalmente a nivel de regulación ( ej. papiloma humano) Transposones: saltos intracelulares

SUSTANCIAS MUTAGÉNICAS

LAS MUTACIONES EFECTO FENOTÍPICO DE LAS MUTACIONES Silenciosas, beneficiosos, perjudiciales. MUTACIONES Y EVOLUCIÓN Fuentes de variabilidad: Mutaciones  nuevos alelos : importancia adaptativa y evolutiva “Fenómenos” sexuales: Meiosis: Segregación cromosómica  reordenación de alelos Recombinación  reordenación de alelos Fecundación  reordenación de alelos Fen. Parasexuales: conjugación, etc. MUTACIONES Y CANCER (visto en regulación del ciclo celular)

TEMA 11 Genética molecular TEST DE REPASO

1. ¿De dónde obtienen las células de nuestro organismo los nucleótidos para fabricar nuevo ADN? ¿Y el resto de los animales? ¿Y las plantas? Nosotros: De las alimentos una vez digeridos y transformados en nutrientes ya que al proceder de otros seres vivos presentan en su composición los mismos nucleótidos. Recuerda que el código genético es universal. Los animales: exactamente igual ya que nosotros somos animales. Los vegetales: Al ser capaces de fabricar materia orgánica (fotosíntesis) pueden fabricar también nucleótidos a partir de agua, dióxido de carbono y sales minerales (nitratos y fosfatos).

A AATGCGCGCGAATTTCGTGGGT CAGGCTTGAAG Imagina que los dos fragmentos siguientes de una molécula de ADN representan, el primero de ellos un gen original y el segundo un gen mutado, y que el primero de ellos determina el color negro del pelo del lobo. (se lee la segunda hebra) A AATGCGCGCGAATTTCGTGGGT CAGGCTTGAAG TTT ACGCGCGCTTAAAGCACC CAGTCCGAACTTC AAAUG CGC GCG AAU UUC GUG GGU CAG GCU UGA AG Met –Arg– Ala –Asn- Phe- Val - Gly – Gln –Ala- FIN AAATGCGCGCGAGTTTCGTGGGTCAGGCTTGAAG TTTACGCGCGCTCAAAGCTCC CAGTCCGAACTTC Localiza la mutación en el segundo gen. Indica la nueva secuencia de aminoácidos resultante de su expresión.. AAATGCGCGCGA GTT TCG TGGGT CA GGCT TGAAG TTT ACGCGCGCT CAA AGCTC CCAGT C CGAACT TC AAAUG CGC GCG AGU UUC GUG GGU CAG GCU UGA AG Met –Arg– Ala – Ser- Phe- Val - Gly –Gln –Ala- FIN

Razona en qué condiciones el ejemplo que has puesto sería una mutación beneficiosa o perjudicial El nuevo alelo podría proporcionar un enzima que catalizara la síntesis de un pigmento diferente o una enzima no funcional por lo que el lobo podría ser albino. En este caso probablemente la mutación sería perjudicial en el bosque (sus presas le verían fácilmente), pero podría ser beneficiosa en zonas ártica ya que podría camuflarse mejor, en este caso esta nueva característica sería seleccionada por selección natural, apareciendo una nueva adaptación. 3. ¿Qué consecuencias tendría para la evolución, en general, la ausencia de mutaciones? Razónalo. No existiría variabilidad ya que no existirían alelos diferentes de un mismo gen por lo que la selección natural no se produciría y la evolución no sería posible. 4. Después de la Segunda Guerra Mundial se ha generalizado la utilización de antibióticos para controlar las bacterias productoras de enfermedades. Sin embargo, suelen aparecer bacterias que se vuelven resistentes a los antibióticos. ¿Cómo puedes explicar la aparición de esta resistencia? Alguna mutación al azar producirá bacterias resistentes, al utilizar antibióticos estas sobrevive , mientras las demás mueren. Entones las resistentes proliferan y necesitamos nuevos antibióticos para combatirlas.

Comenta brevemente la relación existente entre variedad alélica y evolución, b) ¿de qué forma se originan nuevas variantes alélicas a partir de un alelo original? a) variedad alélica permite selección natural  evolución b) mutaciones a) Describe, por medio de un esquema, el fenómeno de transcripción genética, indicando su finalidad biológica b) tipos de moléculas que intervienen en el mismo, indicando además en qué lugar de la célula se lleva a cabo (indicar para eucarióticas y procarióticas respectivamente).  a) Esquema + finalidad: (síntesis de ARN) b) ADN molde, ARN- Polimerasa, factores de iniciación, elongación y terminación; Ribonucleótidos trifosfato (ATP, UTP, GTP, CTP). c) Eucariotas: En el núcleo Procariotas: En el citosol a) Define el concepto de mutación. b) ¿En qué consiste una mutación por sustitución? ¿y por deleción? c) ¿De cuál de los dos tipos de mutación cabría esperar una alteración fenotípica mayor? Razona la respuesta. a) Alteraciones “cualitativas” en la secuencia de bases del ADN b) Sustitución: cambio de base (nucleótido). Deleción: pérdida de base c) Deleción: la secuencia de tripletas resulta alterada a partir de ese punto proteína muy diferente, si la sustitución determina codón de terminación, tb. grave

Define el concepto de código genético Define el concepto de código genético. ¿Por qué consideramos que el código es universal y degenerado? a) Código de tripletes de ribonucleótidos (ARN) cada uno de los cuales se corresponde con un determinado aminoácido o con un factor de terminación. b) Universal: todos los seres vivos, degenerado varios tripletes se corresponden con un mismo aa, recuerda 43 = 64 para 20 aa ¿Cuál es la razón por la cual la replicación del ADN no tiene lugar de igual manera en la hebra principal y en la retardada? ¿En qué consiste esta diferencia? Las polimerasas sintetizan en dirección 5´---3´  la horquilla 3´---5´ (disposición adecuada)  s. continua. La horquilla 5´---3´ (disposición contraria)  fragmentos de Okazaki  s. discontinua. Todo según el modelo semiconservativo + necesidad de cebadores. 7. ¿De qué forma asegura la maquinaria replicativa la fidelidad de la copia de ADN? Modelo semiconservativo (por complementariedad de bases). Explicar modelo

Por qué razón es tan importante que la expresión genética esté regulada? Razona la respuesta. - Variaciones del medio extra o intracelular  Necesidades proteicas diferentes. - Morfogénesis: Diferenciación de tejidos, desarrollo embrionario - Ciclo celular: diferentes etapas  diferentes necesidades En definitiva, las condiciones ambientales cambiantes determinan distintas necesidades celulares y en consecuencia la expresión o no de ciertos genes. Define el concepto de gen e indica las diferencias más relevantes en la estructura de un gen eucariótico y otro procariótico. ¿De qué forma se refleja esta diferencia en el producto de la transcripción? Razona la respuesta. Ayúdate de un dibujo. a) GEN: “Secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN, que desempeña una función específica tal como codificar una molécula de ARN o una cadena polipeptídica”. b) Procariotas: continuos, E: fragmentados (intrones y exones) c) Eucariotas. Necesidad de maduración de ARN. Dibujar transcrito 1 ario extremos, intrones y exones y 2ario

10. Desarrolla un texto corto (no más de 10 líneas) en el que se relacionen de forma coherente y en un contexto biológico los siguientes conceptos: transcripción, polimerasa, DNA molde, proteína La expresión genética requiere de varios procesos consecutivos. En primer lugar, la trascripción, donde una ARN polimerasa se encarga de copiar, por complementariedad una de las hebras del ADN molde, de manera que se obtiene una molécula de ARN. En eucariotas dicho transcrito sufre una serie de procesos de maduración con el fin de eliminar los intrones de manera que el ARNm maduro pueda ser traducido en los ribosomas en la proteína correspondiente. Representa mediante un esquema claro cómo tiene lugar la traducción de un mRNA (etapa de inicio y etapa de elongación), indicando los elementos moleculares que intervienen en el mismo. 1º) Dibujo de elementos de complejo de iniciación: subunidades del ribosoma + Metionil o formilmetionil RNAt + ARM m maduro + GTP + factores de iniciación  2º) Dibujo del proceso de elongación A.- Unión del aa1-ARNt al sitio A: GTP y Factores de elongación B.- Formación del enlace peptídico: Peptidil transferasa (ARNr con actividad catalítica)   C.- Translocación al sitio P: GTP y Factores de elongación - Queda libre el sitio A Unión al sitio A de un nuevo aa2-ARNt y repetición del proceso (A, B, C)

INICIACIÓN ELONGACIÓN TERMINACIÓN