Unidad genética hipatia

Genética Molecular

CEM HIPATIA. BIOLOGÍA 2º BACHTO

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Biología 2º Bachto. Profesor: Miguel Ángel Madrid Rangel

GENÉTICA MOLECULAR

1. El ADN como depositario de la información genética. Experimentos de Griffith.

2. Concepto molecular de gen.

3. Replicación del ADN. 4. Expresión de la información genética: el dogma central de la biología

molecular. 5. Transcripción. 6. El código genético.

7. Traducción. 8. Estructura del genoma de procariotas y eucariotas.

9. El Proyecto Genoma Humano. 10.Concepto de proteoma y proteómica. Aplicaciones.

1. El ADN como depositario de la información genética

Los primeros análisis químicos que se realizaron de los cromosomas revelaron que estaban constituidos por ácido desoxirribonucleico (ADN) y proteínas, en unas cantidades más o menos parecidas. Se pensó que cualquiera de las dos moléculas podría ser la portadora de la información genética. En un principio se creyó que eran las proteínas las moléculas más adecuadas para contener la información genética, basándose en que el ADN presentaba una composición química demasiado sencilla. La prueba definitiva de que no eran las proteínas sino el ADN la molécula portadora de la información genética, la aportaron Frederick Griffith y Oswald Avery.

Experimento de Griffith En 1928, Griffith realizó una serie de experimentos con la bacteria Streptococcus pneumoniae, causante de la neumonía en las personas y extremadamente patógena para el ratón. Observó que la bacteria presentaba dos variantes o cepas distintas. Una de ellas provocaba la enfermedad y la muerte del ratón, a esta cepa la llamó S. La otra cepa, a la que llamó R, no era virulenta. La principal diferencia entre ellas era que las bacterias de la cepa S presentaban una envoltura bacteriana ausente en las cepas inofensivas. Así comprobó que la presencia de cápsula determinaba la virulencia de la bacteria. Cuando inoculó en ratones bacterias de la cepa S muertas, estas no provocaban su muerte, sin embargo, si inoculaba una mezcla de bacterias S muertas y R vivas, muchos de los ratones del experimento morían. Como resultado de sus experimentos con ratones, Griffith dedujo que en las bacterias de la cepa S muertas había algo, a lo que llamó factor transformante, que se transmitía a las bacterias vivas de la cepa R y las transformaba en bacterias S vivas.

Experimento de Avery En 1944, Avery y sus colaboradores encontraron la explicación a este fenómeno, descubriendo que la sustancia encargada de transformar las bacterias inofensivas en virulentas, era el ADN, que determinaba la producción o no de la cápsula bacteriana. Posteriores experimentos demostraron que el ADN es el material genético en todos los seres vivos.

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2. Concepto molecular de gen Cada ser vivo presenta unos rasgos característicos (anatómicos, fisiológicos y de comportamiento) que diferencian un individuo de otro. Cada uno de esos rasgos distintivos se denomina carácter. Muchos de los caracteres que van apareciendo a lo largo del desarrollo y crecimiento de un individuo son heredados de los progenitores. Algunos de ellos además tienen una clara influencia ambiental. Así por ejemplo el carácter estatura, es un carácter heredado, ya que los padres altos suelen tener hijos altos, pero la alimentación influye de forma decisiva en este caracter. En el ADN está contenida la información para los caracteres hereditarios de un individuo. Desde el punto de vista estructural, un gen es un fragmento de ADN que contiene la información genética para un determinado carácter.

Experimento de Beadle y Tatum Los experimentos que realizaron los científicos George Beadle y Edwuard Tatum, fueron decisivos para conocer cual era la función de los genes. En 1958 enunciaron la hipótesis un gen-una enzima por la que recibieron el premio Nobel. Según su teoría, cada gen contiene la información para la síntesis de una enzima, y esta es la que determina un caracter. Posteriormente se demostró que la hipótesis de Beadle y Tatum podía hacerse extensiva a todas las proteínas y se reformuló como un gen-una proteína. Actualmente, desde el punto de vista de su función, un gen se define como un fragmento del ADN que lleva la información para fabricar una proteína, necesaria para que se exprese un determinado carácter en un individuo.

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3. Replicación del ADN El ADN tiene la capacidad de replicarse, es decir, puede realizar copias idénticas de sí mismo. Esto permite que la información genética se transmita a las células hijas en la división celular. En el proceso de duplicación, cada cadena de ADN sirve de molde para la formación de una nueva cadena complementaria, de manera que se pueden formar dos dobles hélices con secuencias de núcleotidos distintos. Se dieron muchas hipótesis sobre como se duplica el ADN, entre ellas cabe destacar:

Hipótesis conservativa: Tras la duplicación quedarían, las dos hebras antiguas juntas y, por otro lado, las dos hebras nuevas formando una doble hélice. (es decir, la doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra completamente nueva).

Hipótesis semiconservativa: Propuesta por Watson y Crick. Cada hebra sirve de molde para que se forme una hebra nueva, mediante complementariedad de bases, quedando al final dos dobles hélices formadas por una hebra antigua (molde) y una hebra nueva (copia).

Hipótesis dispersiva. Las hebras resultantes estarían formadas por fragmentos en doble hélice de ADN antiguo y ADN recién sintetizados.

En 1957, Meselson y Sthal, mediante cultivos con Escherichia coli en un medio con nitrógeno pesado (N15) demostraron la hipótesis semiconservativa. (ver experimento en libro de texto, página 257)

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¿Dónde y cuándo ocurre la replicación del ADN? La replicación del ADN tiene lugar al final de la interfase, en la fase S del ciclo celular. En los eucariotas tiene lugar en el núcleo (donde se encuentra el ADN), y en los procariotas en el nucleoide (región donde se localiza el ADN o cromosoma circular). Para que ocurra, la célula necesita las moléculas que forman los diferentes nucleótidos y una serie de enzimas, que controlan y dirigen el proceso en todo momento. ¿Qué necesitamos?

ADN molde Nucleótidos: ATP, GTP, CTP, TTP Proteínas SSB (evitan que las dos cadenas de ADN se vuelvan a enrollar) Enzimas:

o Helicasas: Rompen los puentes de hidrógeno que mantienen las dos cadenas de ADN unidas.

o Topoisomerasas (o ADN girasas). Desenrollan en ADN y evitan tensiones celulares.

o ADN Ligasas: Unen fragmentos de ADN mediante enlaces fosfodiéster al resto de la cadena.

o ARN polimerasas (también llamadas primasas). Son enzimas que sintetizan un pequeño fragmento de ARN, llamado ARN cebador, para ello utilizan como molde ADN.

o ADN polimerasas (ADN de unos 1000 nucleótidos).

Veamos un poco más a fondo las ADN polimerasas: Las enzimas ADN polimeras tienen dos funciones:

a) Función Polimerasa: Une nucleótidos, permitiendo así la síntesis de ADN a partir de ADN natural.

Tenemos que tener en cuenta dos características que posee la ADN polimerasa: Esta enzima solo es capaz de leer en dirección 3´ 5´ (por lo tanto sintetiza en

dirección 5’ 3’ ).

Es incapaz de iniciar por si sola la síntesis de una cadena, para ello necesita hacerlo a partir de un extremo de una corta cadena de ARN de unos 40 o 50 nucleótidos, que llamaremos ARN cebador. (Es decir, la ADN polimerasa no puede actuar por si sola, necesita de un ARN cebador).

b) Función Exonucleasa. Detecta errores y elimina nucleótidos cuyas bases están mal

apareadas y fragmentos de ARN. En procariotas podemos distinguir 3 tipos de ADN polimerasa:

ADN polimerasa I. Tiene tanto función exonucleasa (retira fragmentos de ARN cebador, como función polimerasa (sintetiza ADN en los huecos en los que retiró el ARN cebador).

ADN polimerasa II. Interviene en procesos de reparación del ADN ADN polimerasa III. Sintetiza ADN (por lo tanto, tiene función polimerasa).

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PROCESO DE REPLICACIÓN EN BACTERIAS (PROCARIOTAS) Fase de iniciación 1.- La replicación comienza en zonas del ADN donde existen determinadas secuencias de nucleótidos. El punto donde se inicia el proceso lo denominaremos oriC (punto de inicio). 2.- A partir de ese punto interviene un enzima, la helicasa, que separa las hebras de ADN al romper los puentes de hidrógeno que mantenía unidos los nucleótidos complementarios. Las dos cadenas de ADN se separan de manera semejante a una cremallera que se abre. También intervienen también las enzimas topoisomeras y girasas (eliminan tensiones). Una vez separadas las dos hebras intervienen las proteínas SSB, impidiendo que las dos cadenas se vuelvan a unir. 3.- Como consecuencia del proceso se forma una burbuja de replicación en la que se observan don zonas con forma de Y (llamadas horquillas de replicación). En la burbuja se observa una duplicación bidireccional. Es decir, la burbuja se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos. Fase de elongación 4. A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las cadenas originales. El proceso se va a llevar a cabo gracias al enzima ADN polimerasa III. Pero para que esta enzima actúe es necesario que exista una cadena corta de ARN (llamado ARN cebador o primer), de unos 40 o 50 nucleótidos. El ARN cebador es sintetizado por la primasa (que es un enzima ARN polimerasa). Para ello utiliza una cadena de ADN como molde y sintetiza por complementariedad un trozo de ARN. Una vez fabricado el trozo de ARN ya si puede actuar la ADN polimerasa III y sigue fabricando la nueva hebra de ADN. El ADN polimerasa III recorre la hebra antigua en sentido 3´ 5´, y por lo tanto fabrica la cadena complementaria en sentido 5´ 3´ (es decir, la ADN polimerasa III une nucleótidos en sentido 5’ 3’ ). La hebra así sintetizada se denomina hebra conductora o de síntesis continua. ¿Pero qué ocurre con la otra cadena de ADN molde? El ADN polimerasa solo puede avanzar en sentido 3´ 5´, y la otra cadena está en dirección contraria. En este caso la síntesis es discontinua y se produce en cortos segmentos. Los fragmentos que se forman se llaman fragmentos de Okazaki, y constan de unos 1 000 a 2 000 nucleótidos. ¿Cómo se forma un fragmento de Okazaki? En primer lugar se forma un corto fragmento de ARN cebador por la primasa (ARN polimerasa). A partir de este fragmento de ARN intervine la ADN polimerasa III y fabrica fragmentos de unos 1 000 nucleótidos de ADN. A continuación la ADN polimerasa I (gracias a su actividad exonucleasa) retira los ARN cebadores y fabrica (gracias a su actividad polimerasa) los segmentos de ADN que faltan. Por último, tras la eliminación de los ARN cebadores, los fragmentos de Okazaki se unen gracias a la acción de las enzimas ligasa. Como consecuencia se forma una hebra, llamada retardada, ya que su síntesis es más lenta que la de la hebra conductora. Fase de terminación Cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de molde se enrollan originando una doble hélice.

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Corrección de errores Durante la replicación es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que no llegan correctamente apareados a sus bases. Inicialmente, el número de errores que se producen es de uno por cada 100 000 bases; sin embargo, durante la propia replicación se corrigen parte de los errores. La ADN polimerasa actúa como exonucleasa, eliminando primero los nucléotidos mal apareados, y luego rellenando el hueco dejado con nuevos nucleótidos. La ADN ligasa es la que termina uniendo los fragmentos resultantes. Esta acción es similar a la de arreglar un error mecanográfico pulsando la tecla “borrar” y luego tecleando la letra correcta. Aunque el mecanismo de corrección de errores es muy eficiente, a veces queda alguno sin corregir. Estos errores pueden ser importantes en la evolución.

Diferencias en el proceso de replicación entre procariotas y eucariotas En los eucariotas el proceso es muy parecido al de los procariotas, pero con algunas pequeñas diferencias.

En los eucariotas, al ser el ADN mucho más largo, existen varios puntos de iniciación (llamado replicón) a lo largo del cromosoma. Por ello se forman varias horquillas de replicación, lo que acelera el proceso.

Como el ADN de los eucariotas está asociado a histonas, la replicación debe tener en

cuenta la síntesis de estas proteínas. Las histonas originales se mantienen en la hebra conductora, mientras que las nuevas histonas se unen a la hebra de ADN retardada.

El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en los eucariotas (100 a 200

nucleótidos), mientras que en los procariotas es de unos 1 000 a 2 000 nucleótidos.

Existen 5 ADN polimerasas (α,β,γ, δ, ε) en lugar de tres existentes en procarotas .

El proceso de replicación del ADN se va completando normalmente hasta llegar al extremo del cromosoma: telómero. Cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada quedará incompleta ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco al ser incapaz de sintetizar en dirección 3´ 5´. Para poder completar esta cadena, la polimerasa necesitaría un extremo hidroxilo 3´libre donde iniciar un nuevo fragmento. Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno que se asocia a los procesos de envejecimiento y muerte celular.

4. Expresión de la información genética: el dogma central de la biología molecular Las proteínas son grandes moléculas que resultan de la combinación de monómeros llamados aminoácidos. Existen veinte aminoácidos distintos y en cada proteína su número y orden es diferente. Los ácidos nucleicos y las proteínas están basados en dos lenguajes diferentes. La información genética contenida en el ADN está escrita en un lenguaje de solo cuatro letras, A, T, G y C, cada una de las cuales corresponde a un nucleótido. Las proteínas utilizan los veinte aminoácidos como unidades elementales. La célula debe saber leer las instrucciones codificadas en este lenguaje para fabricar proteínas. Cada secuencia de nucleótidos en el ADN porta una información concreta. Esta información está organizada a lo largo de la cadena en forma de tripletes. Cada triplete constituye una de las combinaciones posibles de tres nucleótidos. Un gen no sintetiza de forma directa una proteína. Para que una proteína se sintetice, la información genética que contiene el ADN en forma de tripletes tiene que ser descodificada. La molécula intermediaria en este proceso es el ARN.

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La traducción de la información del ADN para que pueda sintetizarse una proteína se realiza en dos fases:

Primera fase. Transcripción del mensaje. Consiste en copiar la información genética contenida en el ADN, a una molécula de ARN.

En los eucariotas, la transcripción tiene lugar en el núcleo. La doble hélice de ADN se abre y una de sus cadenas constituye el molde para sintetizar una molécula de ARNm. Esta molécula de ARNm se sintetiza siguiendo las reglas de complementariedad de bases con una excepción, utiliza uracilo (U), en lugar de timina (T), como base complementaria a la adenina (A).

Traducción del mensaje. Consiste en traducir el mensaje contenido en el ARNm al lenguaje de las proteínas.

El ARNm traslada la información desde el núcleo hasta el citoplasma. Allí, los ribosomas “leen” la información en forma de tripletes del ARNm. Cada uno de esto tripletes se llama codón y se ”traducen” al lenguaje de las proteínas siguiendo un código. En este código, cada codón especifica un aminoácido concreto, de esta manera, la secuencia de bases del ARNm establece el orden en el que se van añadiendo los aminoácidos en la cadena polipeptídica que formará la proteína. El ARNt es la molécula que transporta los aminoácidos hasta el ribosoma. El flujo de información genética se puede expresar de la siguiente forma:

En la actualidad este flujo de información genética ha tenido que ser modificada, debido a los mecanismos de replicación que presentan algunos virus. Tal es el caso de los retrovirus, que almacenan la información genética en forma de ARN. Sin embargo, poseen una enzima, la transcriptasa inversa, que sintetiza ADN a partir de una molécula de ARN. El proceso recibe el nombre de retrotranscripción o transcripción inversa. Por ello, el dogma central de la biología molecular, actualmente se expresa de la siguiente forma:

Proteína ARNm

ARNt

Transcripción Tradución

ADN Replicación

Proteína ARNm

ARNt

Transcripción Tradución

ADN Replicación

Replicación Transcriptasa

inversa

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5. Transcripción La transcripción consiste en copiar parte del mensaje genético contenido en el ADN hasta el ARN. En dicho proceso se forma una cadena de ARN cuya secuencia de bases nitrogenadas es la misma que un segmento de una de las hebras de la doble hélice de ADN. El proceso, tiene lugar en los eucariotas en el núcleo, donde se encuentra el ADN; en los procariotas ocurre en el nucleoide, región donde se organiza el cromosoma bacteriano. ¿Qué se necesita?

ADN molde (Solo será preciso una de las cadenas)

Nucleótidos (ribonucleótidos): GTP, ATP, CTP y UTP

ARN polimerasa: enzima que une nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5` 3`( o lee en sentido 3` 5`).

Descripción del proceso El proceso es muy parecido en procaiotas y eucariotas, veámoslo de forma general. Comprende las siguientes fases: 1. Iniciación:

El ARN polimerasa se fija a una región específica del ADN, llamada centro promotor, rica en timinas y adeninas. Una vez fijada, la ARN polimerasa produce el desenrollamiento de una vuelta del ADN. 2. Elongación:

Consiste en la adición sucesiva de ribonucleótidos para formar el ARN. Para ello la ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena leyéndola en sentido 3` 5`(por tanto, sintetiza la nueva cadena en sentido 5` 3`). La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria con la cadena de ADN que actúa como molde y lo une, mediante un enlace éster, al siguiente nucleótido. En los eucariotas, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos se añade al extremo 5`una “caperuza” formada por metil-guanonisa-trifosfato, que durante la traducción será una señal de inicio de lectura. 3. Terminación

La ARN polimerasa llega a una zona del ADN llamada señal de terminación (rica en secuencias de bases de guanina y citosina), que indica el final del proceso de transcripción. Esto implica el cierre de la burbuja formada en el ADN y la separación de la ARN-polimerasa. En procariotas esta secuencia de terminación es palindrómica (se lee igual de derecha a izquierda que de izquierda a derecha). En eucariotas, tras la separación del ARN, se añade en el extremo 3`una secuencia formada por unos 200 nucleótidos de adenina, llamada cola poli-A, que al parecer interviene en los procesos de maduración y transporte del ARN fuera del núcleo. En procariotas la transcripción es necesaria para formar los tres tipos de ARN (mensajero, transferente y ribosómico). En el caso del ARNm, éste se puede utilizar directamente para la síntesis de proteínas, por tanto no existe maduración del ARN. Sin embargo, el ARNr y el ARNt sintetizados (llamados transcritos primarios) requieren un proceso posterior de maduración para ser funcionales. Durante este proceso el ARN transcrito sufre recortes y uniones de fragmentos que permiten obtener los ARN definitivos más pequeños.

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En eucariotas el proceso de transcripción es más complejo que en los procariotas. Existen tres tipos de ARN polimerasa diferentes, llamadas I, II y III. La I interviene en la formación del ARNr, la II en la síntesis de todos los ARNm y la III en la del ARNt y de un ARNr de pequeño tamaño. Además, los ARN que se forman en los eucariotas son monocistrónicos (en procariotas son policistrónicos); es decir, contienen la información solo para la síntesis de una proteína. Después de la separación del ARN, una enzima (poli A-polimerasa) añade en el extremo 3´una secuencia formada por unos 200 nucleótidos de adenina (cola de poliA), que parece intervenir en los procesos de maduración y transporte del ARN fuera del núcleo. En eucariotas el ARN que se fabrica se denomina ARN-premensajero. Dicho ARN consta de dos tipos de fragmentos: los intrones y los exones.

Los intrones son secuencias de bases que se transcriben, pero que no se traducen, es decir, no codifican una secuencia de aminoácidos.

Los exones son las secuencias que se trascriben y se traducen, es decir, tienen información para formar una cadena polipéptidica.

Así pues, el ARN premensajero consta de intrones y de exones. Este ARN debe sufrir un proceso de maduración, que consiste en la eliminación de los intrones y la unión de los exones mediante un mecanismo que se conoce como splicing (empalme). Para ello se requiere la actuación del enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). El proceso de splicing comienza cuando las secuencias intrónicas forman unos bucles que provocan el acercamiento de los extremos de los exones y continúa con el corte de los intrones y la unión de exones, para formar un ARNm que ya está en condiciones de salir del núcleo.

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6. El código genético Durante la traducción, la molécula de ARNm va avanzando en el ribosoma y se van leyendo los codones uno a uno. El ribosoma “interpreta” el mensaje del ARNm, de tal manera que cada ARNt se une a un aminoácido, lo lleva hasta el ribosoma y lo añade a la cadena polipeptídica en crecimiento. Cada molécula de ARNt tiene un triplete de nucleótidos llamado anticodón, complementario del codón del ARNm. Además en uno de sus extremos porta un aminoácido. De esta manera, si el codón del ARNm es UGG, el anticodón del ARNt será ACC, y el aminoácido que porta será el triptófano. La correspondencia entre los codones del ARNm y los aminoácidos que forman las proteínas recibe el nombre de código genético. Recuerda: Los tripletes de bases del ARNm reciben el nombre de codones. Para descifrar el código genético se utilizaron diferentes hipótesis de trabajo. Como sólo hay cuatro bases nitrogenadas distintas, las señales codificadas para los 20 aminoácidos proteicos deben estar constituidas por más de una base. Si cada señal estuviese formada por dos bases nitrogenadas, sólo codificarían 4

2 = 16 aminoácidos, por lo que aún quedarían aminoácidos sin

codificar. Por tanto, cada señal que codifica para un aminoácido está constituido por tres bases nitrogenadas consecutivas un triplete), es decir, 4

3=64 tripletes de bases nitrogenadas.

Así, existen 64 codones posibles, de ellos:

61 codones son codificadores de aminoácidos. Varios codifican para el mismo aminoácido. Por ejemplo, los codones UUA y UUG codifican para el aminoácido Leucina. El codón AUG actúa como una señal de inicio para que comience la traducción, y además una vez que la traducción a comenzado, codifica para el aminoácido metionina.

3 codones (UAA, UAG y UGA, llamados sin sentido) no codifican para ninguno sino que marca el final del proceso de la síntesis de una proteína.

El código genético presenta las siguientes características:

Es universal, esto significa que es el mismo para todos los seres vivos, incluyendo los virus. Así por ejemplo, el codón GCC codifica para el aminoácido alanina, en todos los seres vivos. Este hecho indica que el código ha tenido un solo origen evolutivo. Actualmente, gracias a la biología molecular, se están encontrando excepciones, concretamente las mitocondrias y algunos protozoos utiluizan un código genético ligeramente diferente.

Es degenerado. Esto indica que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón. Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos. Esto supone una ventaja, pues en el caso de que se produzcan cambios en algún nucleótido, es decir, que haya mutaciones, no se tiene por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman la proteína.

No presenta imperfecciones. Ningún codón codifica más de un aminoácido.

Carece de solapamiento. Los tripletes se hallan dispuestos de forma lineal y continua, sin comas ni espacios y sin que compartan ninguna base nitrogenada.

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7. Traducción o síntesis de proteínas Una vez transcrito el ADN, la molécula de ARN m formada contiene la información necesaria para la síntesis de la proteína correspondiente. La traducción es el proceso que permite pasar de la secuencia de nucleótidos a los aminoácidos correspondientes de la proteína. ¿Dónde ocurre? El proceso tiene lugar en los ribosomas, tanto los que se encuentran en el citoplasma (de procariotas y eucariotas), como los que se encuentran en el interior de mitocondrias y cloroplastos de las células eucariotas. ¿Qué se necesita para que tenga lugar el proceso? Ribosomas ARN mensajero Aminoácidos ARN t Enzimas y energía (que proviene de la hidrólisis del GTP).

Debes recordar que en los ribosomas se distinguen tres lugares: la sede E (liberación) desde donde salen los ARNt una vez descargados de sus aminoácidos, la sede P (peptidil) donde se sitúa la cadena polipéptidica en formación, y la sede A (aminoacil) donde entran los aminoácidos que se van a ir uniendo a la cadena. Básicamente el proceso se desarrolla de la misma manera en células eucariotas y procariotas, aunque existen unas pequeñas diferencias. Veamos el proceso de forma general. Antes de que se inicie la síntesis de proteínas propiamente dicha es preciso que los aminoácidos, que van a ser unidos y formaran por tanto parte de la proteína, se activen. En esta fase previa, que tiene lugar en el citoplasma y no en los ribosomas, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt específica gracias a la acción del enzima aminoacil-ARNt-sintetasa. Para ello es necesario el aporte energético obtenido por la hidrólisis del ATP. El aminoácido queda unido por su extremo carboxilo al extremo 3’ del ARNt.

Aminoácido + ATP + ARNt aminoacil-ARNt +AMP + Pi Una vez activados los aminoácidos tiene lugar la síntesis de proteínas, que comprende las siguientes etapas: INICIACIÓN

El ARNm se une por su extremo 5’ a la subunidad pequeña de los ribosomas,

cerca de un codon iniciador, el AUG. A continuación entra en el sitio P del ribosoma el primer aminoacil ARNt, aquel

cuyo anticodon está formado por UAC, complementario del codo iniciador (AUG). El primer aminoácido unido a este ARNt es metionina, por lo que

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supuestamente todas las cadenas polipéptidicas comienzan por metionina. (sin embargo esto no es así, pues posteriormente en el Retículo E es eliminado).

A continuación se produce la unión de la subunidad mayor del ribosoma,

quedando formado el complejo de iniciación. ELONGACIÓN

La elongación consiste en la formación de la cadena polipéptidica. Se inicia con la unión del segundo aminoacil-ARNt, cuyo anticodon es

complementario al codon situado a continuación del iniciador (AUG). Dicho aminoacil entra en el ribosoma y se coloca en la sede A.

A continuación se produce un enlace peptídico entre el aminoácido que ocupa

la sede P y el que ocupa la sede A. La reacción está catalizada por el enzima peptidil transferasa. Como consecuencia el segundo ARNt que entró queda unido a un dipétido.

Seguidamente el ribosoma se trasloca un triplete o codon, en sentido 5’ 3’,

De esta forma el primer ARN t que entró (ya sin su aminoácido) pasa a ocupar la sede E del ribosoma y abandona el ribosoma, el aminoacil-ARNt que entró en segundo lugar, que lleva unido el dipétido, pasa a ocupar la sede P, quedando libre la sede A del ribosoma.

Otro aminoaicl ARNt se incorpora a la sede A, de manera que el proceso de

alargamiento de la cadena polipéptidica continua, repitiéndose los pasos anteriores.

TERMINACIÓN

La terminación tiene lugar cuando el ribosoma llega a un codon terminador

AUG, UGA, UAG), que no es reconocido por ningún ARNt. Así, en la sede A se une alguno de los factores de liberación, de naturaleza proteíca, que se sitúan en la sede A, y hacen que la peptidil-transferasa separe la cadena polipetídica del ARNt.

El ARNm, el ribosoma y la cadena polipéptidica se separan.

Por último la cadena polipéptido adopta su estructura secundaria, terciaria, y si

son varias cadenas la cuaternaria. Para ello se establecen diferentes enlaces entre los aminoácidos de la cadena (disulfuro, de hidrógeno, atracciones electrostáticas, Fuerzas V. der Waals…).

El ARN m puede ser leído por diferentes ribosomas, formando un

polirribosoma o polisoma. En procariotas, al no haber núcleo y citoplasma, la transcripción es simultánea a la traducción: el ARNm comienza a traducirse antes de que termine la transcripción.

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8. Estructura del genoma de procariotas y eucariotas No todo el ADN contenido en los cromosomas codifica para proteínas. La mayoría del ADN contiene genes que se encargan de regular la actividad de otros fragmentos cuya función es aún desconocida. Se denomina genoma al conjunto completo de genes de un organismo Recuerda: Genoma = material genético (ADN). La forma en que se organiza el genoma es diferente en organismos procariotas y eucariotas: GENOMA DE PROCARIOTAS Genoma formado por un único cromosoma circular. Generalmente con 1 000 – 12 000 genes Los genes son continuos (es decir, toda la información contenida en cada gen

se traduce en una proteína). Algunos procariotas, además del ADN doble circular (cromosoma bacteriano),

presentan plásmidos (son moléculas de ADN circulares, más pequeños que el cromosoma bacteriano, con capacidad de replicarse independientemente y que contienen genes que no son esenciales para el crecimiento y la reproducción de la célula).

Nota: en los virus el genoma está formado por una sola molécula lineal o circular de ADN o ARN (nunca los dos) que incluye un número de genes que puede ir de unos pocos a varios cientos. Existen elementos génicos móviles, los trasposones y los retrotransposones que, junto con los plásmidos bacterianos, pueden haber estado en el origen de los virus, al ser fragmentos de ADN o ARN que pudieron alcanzar la capacidad de dividirse independientemente de sus células hospedadoras. GENOMA DE EUCARIOTAS

La mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo constituyendo la cromatina. Otra parte se encuentra en las mitocondrias y los cloroplastos (solo en vegetales). OJO. Recuerda que el ADN de mitocondrias y cloroplastos es parecido al de las

bacterias (procariotas).

No existe relación entre el tamaño de un organismo y la cantidad de ADN. No todo el ADN presente codifica para proteínas (en humanos se cree que solo

el 1% codifica para proteínas, el resto es ADN no codificante). El ADN no codificante está formado por:

o ADN repetitivo o satélite: Secuencias de 5 – 10 pares de bases que se sitúan en los extremos del cromosoma y centrómeros. Son zonas importantes en la estructura del cromosoma y no se transcriben nunca.

o ADN repetitivo intermedio. Formado por secuencias de 150 – 300 nucleótidos. Son genes que codifican histonas, ARNr, ARNt, ARNm y ARNn.

o Secuencias de intrones (no codifican proteínas. o ADN regulador. Función hasta la fecha desconocida.

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9. El Proyecto Genoma Humano El Proyecto Genoma Humano (PGH) nace en la década de los ochenta con el objetivo de conocer el orden en que se disponían los nucleótidos en las cadenas de ADN de los cromosomas humanos. Pero antes de conocer el PGH se analizaron los genomas de otros organismos, naciendo así una nueva ciencia la genómica. En un primer momento se secuenciaron genomas completos de virus, bacterias, etc.. La genómica se ocupa del estudio de los genomas de los seres vivos. El objetivo de la genómica es conocer el genoma humano y de otras especies, lo cual incluye la localización de genes en los cromosomas y la secuencia de nucleótidos de cada uno de los genes. El PGH suponía el primer esfuerzo coordinado internacionalmente de localizar e identificar los genes que forman el genoma y descifrar la secuencia de nucleótidos de nuestro ADN. El PGH nace en los años ochenta liderado por organismos públicos de EEUU y bajo la dirección de James Watson (el codescubridor de la estructura del ADN). El PGH contó con la colaboración de centros de investigación y universidades de todo el mundo, especialmente Reino Unido, Alemania, Francia y Japón, y lo transformaron en un proyecto internacional. El proyecto se concibió en tres partes: 1.- Conocer en qué orden están los genes y qué distancia existe entre ellos (elaboración de un mapa genético). Actualmente esta fase está completa. 2.- Secuenciar cada gen. Es decir, averiguar la secuencia de nucleótidos de cada gen, incluyendo las zonas que no se transcriben. 3.- Determinar la función de cada gen, es decir, averiguar la función que realizan. Aunque el proyecto nació como un consorcio público, en 1996 uno de los fundadores del PGH, Craig Venter fundó Celera Genomics, una empresa financiada con fondos privados. Se inicia así en 1999 la secuencia del genoma utilizando dinero privado. En tan solo un año se obtuvo el primer borrador, lo que obligó al consorcio público a acelerar sus resultados. El 26 de junio de 2000, Bill Clinton (presidente de EEUU) y Tony Blair (presidente Reino Unido) anunciaron la finalización del borrador del genoma humano. En el año 2001 la empresa privada y público se comprometieron a compartir información para que fuese útil a la comunidad internacional. En 2003 se anunció la secuencia completa del genoma humano. Entre las resultados obtenidos cabe destacar:

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- El genoma humano contiene 3 200 millones de pares de bases. El númro es relativamente bajo en comparación con el de otros genomas,

- Sólo el 1,5 % del genoma contiene genes (exones), es decir, información para fabricar proteínas. Más del 40 % de los genes no tiene función conocida (ADN basura, cuya función se desconoce)

- El ADN no codificante, llamado ADN basura porque se creyó que no tenia función alguna; estudios recientes creen que regula la expresión diferencial de los genes. En septiembre de 2008, investigadores afirmaron haber descubierto la secuencia de ADN basura, responsable de que los humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar o manipular objetos o herramientas.

- Un porcentaje muy alto del ADN está formado por ADN basura (intrones) del que no se conoce con exactitud su función, y otro tanto por ciento corresponde a secuencias promotoras y genes reguladores..

- Es casi el mismo para todas las personas. Solo el 0,1 % nos diferencia de unas personas a otras. (Es decir, del total del ADN humano, el 99,8 % es idéntico para todas las personas).

- Contiene unos 25 000 genes ( 3 200 millones de nucleótidos) localizados en 24 cromosomas, 22 autosomas y 2 sexuales del núcleo y el ADN mitocondria, (la mosca Drosophila melanogaster contiene 13 700 genes), un número parecido al que tienen un chimpancé o un ratón, y se desconoce la función de casi la mitad de ellos.

Tener secuenciado el genoma humano es como tener todas las páginas del manual que se necesita para hacer el cuerpo humano. Ahora el desafío es determinar la forma de leer el contenido de todas esas páginas para luego entender cómo trabajan todas las partes juntas, y así descubrir las bases genéticas de la salud y la patología de las enfermedades humanas. El PGH permitirá en el futuro vencer numerosas enfermedades de origen genético, permitirá obtener informes genéticos individuales y aportará información sobre el origen de los genes y evolución. Ya sabemos, por ejemplo, que diferencias en un solo nucleótido en un gen están asociadas a la enfermedad de Alzheimer. Sin embargo, el conocimiento del PGH supone un gran número de inconvenientes. Actualmente se conoce el genoma de diferentes organismos: como la levadura Sacharomices cerevisae, E. coli, etc.

10. Proteoma y proteómica El término proteoma se utiliza para designar un conjunto de proteínas de un genoma, una célula o un tejido. De proteoma surgió proteómica, disciplina que realiza un estudio sistemático del conjunto completo de proteínas codificadas por el genoma de un organismo. En la especie humana se ha descubierto que el número de proteínas es superior al número de genes. Esto se debe a que un mismo ARNm puede madurar de varias formas diferentes, dependiendo de los intrones que se eliminen. De esta manera se pueden formar diferentes proteínas a partir de un mismo gen. Es por ello que es muy importante conocer el sitio y el momento en que se producen las proteínas, así como

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la manera en que interactúan entre ellas para poder comprender mejor, no solo el funcionamiento de las células, sino del organismo. La proteómica ha experimentado un gran avance en los últimos años debido a las técnicas de separación y secuenciación de proteínas. Por otro lado, los hallazgos científicos derivados de la genómica y la proteómica están abriendo las puertas a la aplicación de la nanotecnología (diseño y puesta en funcionamiento de máquinas moleculares que permitan realizar la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades), el diagnóstico e investigación en medicina humana y veterinaria, farmacología, patología y fisiología vegetal

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