Información genética

ADN (Ácido Desoxirribonucleico). Código genético. Nucleasas. Replicación. Células eucariotas y procariotas

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Genética

  • Expresión y alteraciones de la información genética.

  • Código genético: transcripción.

  • ARNm: traducción.

  • ARNt: síntesis de proteínas.

Introducción

Pentosa + base nitrogenada = nucleósido.

Nucleósido + P = nucleótido.

La pentosa puede ser, ribosa o desoxirribosa.

Bases nitrogenadas:

  • Púricas:

  • Adenina (A)

  • Guanina (G)

  • Pirimidínicas:

  • Citosina (C)

  • Timina (T)

  • Uracilo (U)

El ADN o ácido desoxirribonucleico. Tiene forma helicoidal. Su pentosa es la desoxirribosa y sus bases nitrogenadas son: A = T y G " C, las líneas horizontales, indican el número de puentes de hidrógeno que las enlaza. El ADN se encuentra en el núcleo de la célula o en el interior de los orgánulos energéticos

El ARN o ácido ribonucleico. Tiene como pentosa a la ribosa y como bases nitrogenadas tiene: A = U y G " C. Se encuentra en el núcleo y en el citoplasma. Recibe la información del ADN y la transmite, hay tres tipos de ARN:

  • ARNm: tiene forma lineal. Va a transmitir la secuencia de nucleótidos para que se ejecute en el citoplasma.

  • ARNt: va a colocar los aa en el orden que indique el ARNm, para así formar las proteínas.

  • ARNr: forma los ribosomas. Es donde se sintetizan las proteínas, es el que está en mayor abundancia, aproximadamente es el 75% de los ARN.

Según el dogma central de la biología molecular, el ADN forma una copia de parte de su mensaje, sintetizando ARNm (transcripción) la cual constituye la información utilizada por los ribosomas para la síntesis de proteínas (traducción)

Transcripción Traducción

ADN ARN proteínas

El cuerpo va a utilizar estas proteínas la fisiología y anatomía celular.

El ADN está en el núcleo y debido a su gran tamaño, no puede salir. Su información tiene que llegar al citoplasma que es donde se fabrican las proteínas, para que ocurra esto, lo que va a hacer es sintetizar ARNm, esto es lo que se llama transcripción. El ARNm es quien se va a encargar de llevar la información genética al citoplasma.

La transcripción es un proceso que sólo se da en el núcleo, al igual que la replicación, mientras que la traducción se da en el citoplasma. Una vez que el ARNm llega al citoplasma, se encuentra con los otros ARN.

El paso de la secuencia de nucleótidos hasta aa, es lo que se conoce como código genético, el cual es universal. Todos los seres vivos lo poseen, excepto los orgánulos energéticos.

En toda la naturaleza, los únicos seres vivos que no poseen ADN, son los retrovirus, que sólo tienen ARN.

La asociación de los tres ARN, es lo que va a leer la secuencia de nucleótidos, y lo hace de tres en tres nucleótidos, son lo que se conocen como tripletes o codones. Cada triplete codifica para un aa.

Si variamos una secuencia, variarán los aa, por tanto dará otras proteínas.

Nucleasas

Son enzimas que catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster de los ácidos nucleicos. Están presentes en todas las células. En las células eucariotas, las nucleasas se encuentran en los lisosomas.

El páncreas es una glándula que sintetiza nucleasas y las vierte al duodeno, para que catalicen los ácidos nucleicos que ingerimos.

Las nucleasas las podemos clasificar por el tipo de ácido nucleico sobre el que actúe y por el lugar específico en el que actúe del ácido nucleico.

Según el tipo de ácido nucleico sobre el que actúe:

  • DNAasas, ADNasas o desoxirribonucleasas.

  • RNAasas, ARNasas o ribonucleasas.

Dependiendo del lugar del ácido nucleico sobre el que actúen:

  • Exonucleasas: rompen los enlaces fosfodiéster de los extremos.

  • Endonucleasas: rompen los enlaces fosfodiéster intermedios.

Replicación

Es la capacidad del ADN de producir copias de sí mismo.

El ADN es una doble hélice, la cual es específica para el apareamiento de las bases nitrogenadas A = T y G " C. Conociendo una de las dos cadenas conocemos la otra, y a partir de la doble hélice, obtenemos dos idénticas. Es decir, una cadena actúa de molde de la otra.

Teorías sobre la replicación

  • Conservativa: de las dos cadenas hijas, una proviene de la madre y la otra aparece nueva. Esta teoría fue rechazada, porque no tenía explicación.

  • Difusa: de las dos cadenas hijas, algunos fragmentos provienen de la cadena madre y otros son de nueva síntesis. También se rechazó.

  • Semiconservativa: a partir de una cadena madre, aparecen dos cadenas hijas, las cuales poseen una cadena de nueva síntesis y otra parental. Esta es la teoría aceptada, y fue expuesta por Watson y Crick. La cadena inicial, sirve de molde para una cadena complementaria. Fueron Mendelson y Stalh quienes demostraron este modelo utilizando Escherichia coli (Ecoli)

La replicación es muy precisa, y esto implica un mecanismo muy complejo para asegurar la obtención de copias idénticas. Esto se produce en la fase S (núcleo en interfase)

Normas de la replicación

  • Es semiconservativa.

  • Es bidireccional: a partir de un punto del cromosoma, va en las dos direcciones.

  • En virus y bacterias hay un único punto de origen, mientras que en eucariotas hay varios.

  • Es semidiscontinua: en la hebra conductora se van a sintetizar fragmentos grandes de forma continua, mientras que en la hebra retardada, la síntesis es discontinua (se incorporan nucleótidos que forman pequeños fragmentos que se disponen de forma separada, son los fragmentos de Okazaki)

  • La replicación avanza por adicción de nucleótidos en dirección 3' ---- 5', la que valla en sentido contrario es la hebra retardada.

  • El inicio de la síntesis de cada fragmento requiere un extremo hidroxilo libre, que es proporcionado por un ARN cebador.

Enzimas de la replicación

  • ADN polimerasas: con dos funciones:

  • Actividad polimerasa: catalizan la unión de nucleótidos en la cadena de ADN.

  • Actividad exonucleasa: catalizan la rotura de los enlaces de los nucleótidos cuando las moléculas tienen un extremo libre.

  • ARN polimerasas: catalizan la formación de cadenas de ARN.

  • Topoisomerasas y girasas: adaptan la estructura espacial de la doble hélice a las necesidades del proceso de síntesis.

  • Ligasas: sellan las uniones entre los fragmentos de las cadenas.

  • Helicasas: van a separar las dos cadenas de ADN.

  • Proteínas SSB: mantienen separadas las dos cadenas monocatenarias y actúan conjuntamente con las helicasas.

Primera etapa de la replicación - Etapa de desenrollamiento

Comienza el desenrollamiento de la cadena en un punto de la misma. En ese punto hay una secuencia determinada de nucleótidos.

Por tanto las primeras enzimas que intervienen son las helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y abren la doble cadena. Al separar estas dos cadenas, se generan una tensiones que van a ser eliminadas por las topoisomeras o por las girasas. Las cadenas se mantienen separadas gracias a la acción de las SSB.

Segunda etapa

Cuando hemos separado las hebras, va a comenzar la síntesis de cadenas complementarias, a partir de los moldes. Este proceso lo cataliza la ADN polimerasa III, la cual va a necesitar:

  • Una hebra de ADN que va a recorrer en sentido 5' ---- 3', sobre la cual sintetiza la hebra complementaria.

  • Nucleótidos en sentido 5' ---- 3' porque la nueva hebra crece en este sentido, pero además esos nucleótidos tienen que ser los complementarios de los de la hebra parental.

  • ATP para proporcionar energía en la unión de los nucleótidos.

  • Una cadena de ARN, que sea corta (unos 40 ó 50 nucleótidos), es el ARN cebador o primer, el cual es sintetizado por la ARN polimerasa, también llamada primasa.

La doble hélice se separa como una cremallera, se forma la horquilla de replicación, la cual es una zona de intersección entre las zonas recién sintetizadas y las no replicadas.

La ADN polimerasa III recorre el ADN molde en dirección 3' a 5', con lo que va a haber una síntesis continua en una hebra, que es la que llamamos hebra conductora. En la otra hebra (hebra retardada) la dirección de nucleótidos es contraria (5' a 3') con lo que la ADN polimerasa III no va a poder recorrerla, esto provoca una síntesis discontinua.

Para la hebra retardada, hay que colocar unos fragmentos de ADN, que son los fragmentos de Okazaki (1000 ó 2000 nucleótidos) cada uno de ellos requiere de un ARN cebador (formados por la ARN polimerasa) para iniciar la secuencia de nucleótidos.

Posteriormente se van a eliminar los fragmentos cebadores por la acción de la ADN polimerasa I, y en su lugar coloca los nucleótidos correspondientes. Gracias a las ligasas se van a unir los fragmentos de Okazaki y los nucleótidos colocados por la ADN polimerasa I, formando así una hebra continua.

Cada hebra parental forma una doble hélice con su correspondiente hebra de nueva -->síntesis[Author:JML].

A pesar de estas etapas, la replicación es un proceso muy rápido. En la Ecoli se unen unos 45.000 nucleótidos/minuto.

Aunque este mecanismo sea muy preciso, va a cometer errores, pero el ADN es la única molécula capaz de efectuar correcciones en sí misma. La replicación no concluye hasta que se comprueba que la respuesta sintetizada es correcta. Si hay un nucleótido mal colocado, se va a eliminar por la acción de las endo o exonucleasas y las ADN polimerasas rellenan los huecos con los nucleótidos correspondientes, después las ligasas unen los fragmentos. Con todo esto se va a producir 1 error por cada 1010 nucleótidos. La fidelidad en la copia es grandísima, pero siempre hay un pequeño margen para las mutaciones, que contribuyen a los cambios evolutivos.

En la cadena nueva, las adeninas no están metiladas.

Posibles lesiones del ADN

  • Rayos ultravioleta: producen dímeros de timina que impiden la replicación.

  • Desaminación hidrolítica.

  • Radiaciones ionizantes y reacciones oxidantes.

Diferencias entre procariotas y eucariotas

En síntesis el proceso es similar, la diferencia se debe a dos factores principales:

  • El ADN en eucariotas es de mayor tamaño.

  • El ADN en eucariotas está empaquetado.

Con estos factores obtenemos otras diferencias:

  • El tamaño de los fragmentos de Okazaki son más pequeños

  • En procariotas, existen tres ADN polimerasas, en eucariotas cinco.

  • La replicación en procariotas, tiene un único origen, en eucariotas, hay muchas orquillas de replicación.

Transcripción

Es la síntesis de ARN por un molde de ADN.

Las bases del ARN son A,U,G,C y la del ADN se diferencia en que en lugar de U tiene T.

La información va al citoplasma para la síntesis de proteínas.

La síntesis de ARN se va a producir por la acción de la ARN polimerasa, a partir del ADN.

Para que actúe la ARN polimerasa vamos a necesitar un molde de ADN bicatenario, que une los nucleótidos en sentido 5' --- 3'. También necesitamos ATP.

La ARN polimerasa, va a comenzar su síntesis en genes o regiones promotoras.

Gen: secuencia de ADN que puede originar más de una proteína con funciones diferentes.

-->Transcripción [Author:JML]en procariotas

Hay dos hebras:

  • Codificadora: tiene la misma secuencia que el ADN.

  • Molde o antisentido: sentido contrario.

Hay una ARN polimerasa con dos subunidades:

  • Subunidad .

  • Subunidad .

Además vamos a necesitar un factor  en la ARN polimerasa para que ésta reconozca la región promotora de ADN (zona rica en A y T)

La ARN polimerasa provoca un desenrollamiento y empieza a fabricar el ARN en el sentido 5' --- 3'.

La cadena de ARN va a finalizar cuando la polimerasa llega a una zona del ADN hay una secuencia de terminación (zona rica en C y G) aquí va actuar el factor .

Hay tres tipos de ARN:

  • ARNm: su cadena se utiliza directamente para la síntesis de proteínas.

  • ARNt y ARNr: ambos necesitan un proceso de maduración, que son recortes y uniones de diferentes fragmentos.

Los errores que se producen durante la transcripción son mucho más frecuentes que los que se producen durante la replicación (1 error por cada 104 nucleótidos), pero estos errores no se pasan a la descendencia.

Transcripción en eucariotas

Intervienen diversos factores proteicos, además de las 3 ARN polimerasas:

  • ARN polimerasa I: tiene información correspondiente a los ARNr.

  • ARN polimerasa II: transcribe los genes de origen del ARNm.

  • ARN polimerasa III: produce los ARNt y las histonas.

En todos estos casos, vamos a necesitar un proceso de maduración, antes del cual tiene que haber un desenrollamiento de la espiral, y así el ARNm comienza la transcripción en la región promotora, donde se encuentra situada la ARN polimerasa II (esta zona promotora, es rica en A y T)

En las células eucariotas, no hay factor sigma, pero en cambio, existen factores basales y varios activadores.

Una vez que comienza la transcripción, 5', se une una “caperuza” (7 metil guanosina trifosfato) que sirve para identificar el fragmento en la transcripción y para proporcionar estabilidad. La transcripción va a acabar cuando llegue a una zona rica en C y G.

Al llegar al extremo 3' del ARN recién sintetizado, se une la cola poliA (añade unas 200 adeninas), la enzima que la va a unir es la poliA polimerasa.

En un gen hay diferentes zonas:

  • Intrones: no codifican para ninguna proteína.

  • Exones: son los que sí codifican.

En el proceso de maduración, se van a eliminar los intrones, para unir después los exones, de esto se encargan las ribonucleoproteínas pequeñas nucleares o RNPpn o espliciosomas que provocan cortes.

El ARN definitivo, está formado por una secuencia continua de exones que se van a unir por las ligasas.

Los ARNt están sintetizados por la ARN polimerasa III, en él va a haber metilaciones y se le va a unir en el extremo 3', un codon que es el CCA, el cual está fosforizado y se le une el aa.

Los ARNr se forman por la acción de la ARN polimerasa I, excepto los de 5 Svedbergs.

-->Traducción[Author:JML]

Una vez obtenida la copia del mensaje genético en forma de ARNm, este ARNm va a dirigir la síntesis de proteínas en los ribosomas.

Los ribosomas van a interpretar la secuencia completa de nucleótidos del ARNm como la información necesaria para la unión de aa específicos mediante enlaces peptídicos.

La correspondencia entre los nucleótidos del ARNm y los aa que forman una proteína es lo que se denomina código genético.

Se denomina fase de traducción porque cambiamos de lenguaje, pasamos de nucleótidos a aa específicos. Cada triplete da un aa.

La traducción se lleva a cabo en los ribosomas que están formados por distintos tipos de ARNr y proteínas.

El ribosoma durante la síntesis de proteínas se encarga de:

  • Permitir la aproximación del ARNm y el transferente.

  • Permitir la orientación adecuada para la formación del enlace peptídico.

  • Participa en la alineación del ARNm.

  • Selecciona el codon de inicio, quedando determinada la pauta de lectura del molde.

  • Controla la fidelidad de la traducción.

  • Interviene en la etapa de terminación y liberación de la cadena peptídica.

La traducción es un proceso que se da de forma muy parecida en procariotas y en eucariotas.

Lo primero es activar los aa, que es unirlos a un ARNt específico, este se da en el citoplasma y lo cataliza la enzima aminoacil ARNt sintetasa, también se necesita ATP.

El ARNt además de llevar unido el aa va a reconocer el codon del ARNm, así una vez activado los aa, va a tener lugar la síntesis de proteínas (que incluso comienza antes de que se halla sintetizado todo el ARNm)

La traducción tiene tres etapas:

  • Iniciación.

  • Elongación o alargamiento.

  • Terminación.

Iniciación

El ARNm se une a los ribosomas citoplasmáticos, cuyas dos subunidades están separadas y deben acoplarse.

El ARNm se une por su extremo 5' a la subunidad menor del ribosoma, gracias al factor de iniciación IF3.

Luego se produce la fijación del primer aminoacil ARNt y lo fija por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases del anticodon del ARNt y el codon del ARNm.

El primer codon o codon de iniciación, es siempre 5'AUG3' con lo que su anticodon es el UAG. El aa que corresponde es la meteonina en el caso de las células eucariotas y la formilmeteonina en procariotas. Este primer aa, luego puede desaparecer, pero siempre es el inicio. En este proceso interviene el factor de iniciación IF2.

Por último se produce el acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma gracias al factor IF1, quedándose formado el complejo de iniciación. Para este proceso necesitamos la presencia de GTP, para obtener energía, con lo que se va a pasar a ADP y un ácido fosfórico.

Este complejo va a cubrir dos tripletes del ARNm, por tanto solo tendremos dos posiciones. El primero es el sitio P y el segundo es el sitio -->A[Author:JML].

Elongación o alargamiento

Los aa se van situando a lo largo de la cadena peptídica. Vamos a distinguir tres subetapas:

  • Unión de un aminoacil ARNt al sitio A: se necesita un factor de elongación que es el EF.

  • Formación del enlace peptídico: se unen los aa del sitio P con los del A, para ello se necesita una enzima que es la peptidil transferasa.

  • Traslocación del dipéptido al sitio P: con esto el sitio A queda libre para ser ocupado por otro ARNt con aa.

Terminación

Hay tres codones de terminación, UAA, UAG, UGA. Cuando el ribosoma llega a alguno de estos codones, se acaba la traducción. Para estos codones, no hay ARNt específico, porque no codifican para ningún aa.

En esta etapa, interviene un factor de liberación, el RF.

Como consecuencia de la traducción, se liberan:

  • Cadena proteica.

  • Dos subunidades ribosómicas que se separan.

  • ARNm, el cual puede ser reutilizado o destruido, que es lo más frecuente.

Se sintetizan unos 1400 aa por minuto. Para hacer esto más rápido se pueden utilizar los polisomas o polirribosomas (asociación de varios ribosomas)

Diferencias entre procariotas y eucariotas en la fase de traducción

  • El primer ARNt en eucariotas, es solo meteonina, en lugar de la formilmeteonina.

  • Los factores de elongación, liberación y iniciación, son distintos.

  • Al existir una membrana nuclear, se diferencia la traducción de la transcripción.

Código genético

Es la secuencia de nucleótidos del ARNm y de aa que constituyen una proteína.

Hay 4 BN y 20 aa distintos. Las 4 BN se pueden combinar en tripletes, con lo que van a haber 64 tripletes, 3 tripletes son de terminación y 1 de iniciación.

Características del código genético

  • Es universal, excepto en orgánulos energéticos y algunos protozoos ciliados.

  • Está formado por una secuencia lineal de BN (codones) que codifican un aa.

  • No es ambiguo, cada codon codifica un único aa.

  • Entre los codones, no existe separación. Hay siempre la misma separación entre las BN.

  • Es degenerado, un mismo aa puede codificar para distintos codones, son los codones sinónimos.

  • Balanceo de tercera base: esta base, puede cambiarse por otra base, con lo que se coloca otro aa.

Dibujo de esto procesos

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Dibujo