genética molecular - Colegio Maravillas
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PROGRAMA DE SELECTIVIDAD 12-13<br />
BLOQUE III ¿DÓNDE ESTÁ LA INFORMACIÓN GENÉTICA DE LOS SERES<br />
VIVOS? ¿Cómo se expresa y se transmite?<br />
LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA<br />
1. GENÉTICA MOLECULAR<br />
1.1. El ADN como portador de la información<br />
genética.<br />
1.1.1. ADN y cromosomas.<br />
1.1.2. Concepto de gen.<br />
1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN.<br />
1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información genética):<br />
transcripción, maduración y traducción.<br />
1.1.5. El código genético.<br />
1.2. Alteraciones de la información genética.<br />
1.2.1. Concepto de mutación.<br />
1.2.2. Causas de las mutaciones.<br />
1.2.3. Consecuencias de las mutaciones.<br />
1.2.3.1. Consecuencias evolutivas.<br />
1.2.3.2. Efectos perjudiciales.<br />
2. Genética mendeliana<br />
2.1. Conceptos básicos de herencia biológica.<br />
2.1.1. Genotipo y fenotipo.<br />
2.2 Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia.<br />
2.2.1 Las leyes de Mendel.<br />
2.2.2. Cruzamiento prueba y retrocruzamiento<br />
2.2.3. Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas<br />
Mendel.<br />
2.3 . Teoría cromosómica de la herencia.<br />
2.3.1. Los genes y los cromosomas.<br />
2.3.2. La meiosis y su relación con las<br />
leyes de Mendel.<br />
2.3.3. Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo.
I. ORIENTACIONES<br />
1. Reconocer al ADN como molécula portadora de la información genética.<br />
Recordar que el ADN es el componente esencial de los cromosomas.<br />
2. Entender el gen como el fragmento de ADN que constituye la más pequeña<br />
unidad funcional.<br />
3. Relacionar e identificar el proceso de replicación del ADN como el mecanismo<br />
de conservación de la información genética<br />
4. Reconocer la necesidad de que la información genética se exprese y explicar<br />
brevemente los procesos de transcripción y traducción por los que se realiza<br />
dicha expresión.<br />
5. Comprender la forma en que está codificada la información genética y valorar<br />
su universalidad.<br />
6. Definir las mutaciones como alteraciones genéticas.<br />
7. Distinguir entre mutación espontánea e inducida y citar algunos agentes<br />
mutagénicos: rayos UV, radiaciones ionizantes, agentes químicos y agentes<br />
biológicos.<br />
8. Destacar que las mutaciones son necesarias pero no suficientes para explicar<br />
el proceso evolutivo.<br />
9. Reconocer el efecto perjudicial de gran número de mutaciones y relacionar el<br />
concepto de mutación con el de enfermedad hereditaria.<br />
10. Definir y explicar el significado de los siguientes términos: genoma, cariotipo,<br />
gen, alelo, locus, homocigótico, heterocigótico, herencia dominante, recesiva,<br />
intermedia (dominancia parcial o incompleta) y codominancia.<br />
11. Aplicar los mecanismos de la herencia mediante el estudio de las leyes de<br />
Mendel a supuestos sencillos de cruzamientos monohíbridos y dihíbridos con<br />
genes autosómicos y genes ligados al sexo.<br />
12. Reconocer el proceso que siguen los cromosomas en la meiosis como<br />
fundamento citológico de la distribución de los factores hereditarios en los<br />
postulados de Mendel.<br />
II.<br />
OBSERVACIONES<br />
1. Se recomienda que los procesos de replicación del ADN, transcripción y<br />
traducción se expliquen tomando como referencia lo que acontece en una célula<br />
procariótica sin dejar de resaltar la compartimentación asociada a estos procesos<br />
en las células eucarióticas.<br />
2. En el proceso de replicación del ADN, se sugiere, al menos, la mención de:<br />
origen de replicación, sentido 5´ ---> 3´, cadenas adelantada (conductora) y<br />
retrasada (retardada), cebador, fragmento de Okazaki, ADN y ARN polimerasas y<br />
ADN ligasa.<br />
3. En la explicación del proceso de transcripción se sugiere, al menos, la<br />
mención de: diferencia entre cadena codificante y cadena molde del ADN,
sentido 5´ ---> 3´, copia de una sola cadena del ADN, señal de inicio (promotor),<br />
acción de la ARN polimerasa y señal de terminación.<br />
4. En la síntesis de proteínas se sugiere la mención de, al menos: etapa de<br />
iniciación (ARN mensajero, ARN transferente, codón de inicio, anticodón y<br />
subunidades ribossómicas); etapa de elongación (formación del enlace peptídico<br />
y desplazamiento del ribosoma (translocación); etapa de terminación (codón de<br />
terminación).<br />
5. En relación con el código genético, los alumnos deben conocer, al menos, que<br />
se trata de un código universal (aunque con excepciones) y degenerado.<br />
6. Se sugiere el uso de diferentes tablas o imágenes del código genético donde<br />
se muestre la asignación de aminoácidos a los<br />
64 tripletes; tanto el modelo conocido en una tabla de doble entrada como el<br />
modelo de círculos concéntricos, u otros similares.<br />
7. No será necesario explicar los tipos de mutaciones, pero el alumno deberá ser<br />
capaz de reconocer como mutaciones los cambios en una secuencia de<br />
nucleótidos y los cambios en la dotación cromosómica, e interpretar las<br />
consecuencias de las mismas.<br />
8. Los problemas de genética mendeliana serán incluidos en el examen como<br />
preguntas de razonamiento o de interpretación de imágenes. En cualquier caso,<br />
los problemas versarán sobre aspectos básicos elementales y de aplicación<br />
directa de la herencia mendeliana, no siendo materia de examen los problemas<br />
de pedigrí. Se sugiere la realización de ejercicios relacionados con la herencia<br />
autosómica, incluyendo los sistemas ABO y Rh (sólo alelo D) de los grupos<br />
sanguíneos y con la herencia ligada al sexo, incluyendo los relacionados con el<br />
daltonismo y la hemofilia.
1. GENÉTICA MOLECULAR<br />
1.1. El ADN como portador de la información<br />
genética.<br />
1.1.1. ADN y cromosomas.<br />
1.1.2. Concepto de gen.<br />
1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN.<br />
1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información genética):<br />
transcripción, maduración y traducción.<br />
1.1.5. El código genético.<br />
1.2. Alteraciones de la información genética.<br />
1.2.1. Concepto de mutación.<br />
1.2.2. Causas de las mutaciones.<br />
1.2.3. Consecuencias de las mutaciones.<br />
1.2.3.1. Consecuencias evolutivas.<br />
1.1. En 1928 F, Griffith buscaba una vacuna contra la neumonía provocada por<br />
la bacteria Streptococcus pneumoniae que producía la neumonía (pulmonía),<br />
así descubrió que existían dos cepas distintas: Smooth (liso) y Rough<br />
(rugoso). Las cepas S poseen una capa gelatinosa de polisacáridos y son<br />
capaces de provocar la enfermedad cuando se inoculan en un animal sano.<br />
Las colonias tienen un aspecto liso. Las cepas R no provocan la enfermedad.<br />
No tienen cápsula gelatinosa y las colonias tienen un aspecto rugoso.<br />
Intentando conseguir la vacuna, pensó que se podrían inmunizar ratones<br />
inyectándole bacterias virulentas (S) muertas por el calor o bien hacerlo con<br />
bacterias vivas no virulentas (R). En sus ensayos obtuvo algún resultado<br />
inesperado. Griffith dedujo que en las bacterias muertas había “algo” que le<br />
denominó principio transformante, que era captado por las bacterias vivas no<br />
virulentas y transformaba sus caracteres hereditarios convirtiéndolas en<br />
virulentas.<br />
En 1944, Avery et col. Demostraron que el principio transformante de Griffith<br />
era el ADN, ya que para que un extracto de células S modificaba el<br />
comportamiento de las cepas R (no virulentas), lo único que podían añadir era<br />
su propio ADN (el de la cepa S). En el resto de organismos no bacterianos se<br />
demostró gracias a las experiencias de Hershey y Chase que trabajaron con el<br />
bacteriófago T2, un virus que ataca a la E. coli y que está formado<br />
exclusivamente por ADN y proteínas, que son las dos sustancias que se<br />
sospechaban que podrían ser material hereditario.<br />
Las proteínas del virus tiene azufre pero no fósforo y su ADN tiene fósforo<br />
pero no azufre. Marcaron radiactivamente los fagos con P 32 y otros fagos con S 35<br />
. Cada grupo sirvió para infectar un cultivo de bacterias diferente;<br />
posteriormente se trituraron y centrifugaron las muestras comprobándose que<br />
el S 35 estaba en el medio externo mientras que en el interno abundaba el P 32
. Esto es lógico si pensamos que las bacterias habían sido infectadas por<br />
virus cuyo ADN se había recombinado con el de las bacterias.<br />
Obviamente el material hereditario no podía ser otro que el ADN
1.1.1. ADN y cromosomas.<br />
1.1.2. Concepto de gen.<br />
El ADN es el material del que están formados los genes y contiene la<br />
información necesaria que permite la síntesis de todas las proteínas de un<br />
organismo. Pero esta información se tiene que descodificar para poder ser<br />
utilizada por la célula, este proceso se realiza en dos fases:<br />
TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN<br />
TRANSCRIPCIÓN<br />
ADN ARNm<br />
TRADUCCIÓN<br />
ARNm proteínas<br />
(DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA)<br />
1.1.3 Conservación de la información: replicación del ADN<br />
Autoduplicación. Mediante mecanismos de síntesis se dotan a las células<br />
hijas de la información genética adecuada para que los caracteres se<br />
pasen de generación en generación<br />
Funciones biológicas del ADN y el ARN:<br />
El ADN es el portador de la información genética. Está protegido en el núcleo<br />
en las células eucarióticas y en las procarióticas se encuentra en el<br />
protoplasma.<br />
El ARN y sus diferentes tipos intervienen en la transcripción y la traducción de<br />
la información genética.<br />
Podemos imaginar que nuestro genoma es como una gran biblioteca<br />
compuesta por 46 estanterías, organizadas en 23 pares, cada una de las<br />
cuales contiene muchos libros con información para sintetizar enzimas o<br />
proteínas.<br />
Si imaginamos nuestro genoma como una gran biblioteca, decimos entonces<br />
que los pares de estantes son los cromosomas homólogos. Cada
miembro de un par de cromosomas es similar, pero no idéntico, a su<br />
compañero. Los libros son los genes, en los cuales se guarda la<br />
información para fabricar una proteína o una enzima. El conjunto de<br />
genes de una especie determinada se llama genoma.<br />
Cromosomas, genes y ADN<br />
En los organismos eucariontes, el ADN está organizado en cromosomas. Cada<br />
especie tiene un número característico: la cebolla tiene 16 (organizados en 8<br />
pares), la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, 8, y los seres humanos, 46.<br />
De esto no se desprende que una mayor cantidad de cromosomas equivale a ser<br />
“más inteligente” ya que las células que componen las patatas tienen 48<br />
cromosomas.<br />
Los seres humanos tenemos 23 pares de cromosomas: 22 de ellos se<br />
llaman cromosomas autosómicos y se heredan uno del padre y otro<br />
de la madre. Los cromosomas del par 23 se llaman cromosomas sexuales<br />
y son diferentes entre sí.<br />
En muchos organismos los<br />
cromosomas sexuales son distintos<br />
entre sí. Los seres humanos (así como<br />
otros mamíferos) tenemos cromosomas<br />
X iguales para el hombre y la mujer,<br />
mientras que el cromosoma Y, en los<br />
hombres, es un poco más corto y tiene<br />
menos genes. En las aves, los machos tienen dos cromosomas WW y las<br />
hembras uno W y otro Z.<br />
En cada cromosoma, que contiene una única molécula de ADN asociada a<br />
proteínas, se pueden distinguir las siguientes estructuras:<br />
Centrómero. Es el punto de unión de las cromátidas hermanas.<br />
Telómeros. Son las regiones del cromosoma ubicadas en los extremos, con<br />
estructuras de ADN repetidas que aseguran que no se pierda información<br />
importante en cada ciclo de duplicación. Las células sin telómeros se dividen de<br />
forma anormal. Sin embargo, con el tiempo estas estructuras se “gastan” hasta<br />
llegar a un punto en el que las células mueren.<br />
Orígenes de replicación: son los lugares donde comienza la replicación del<br />
ADN.<br />
Si tomamos una fotomicrografía de todos los cromosomas de un ser humano,<br />
luego cortamos las imágenes de cada cromosoma individual y las ordenamos,
creamos una imagen llamada cariotipo (figura 3). Este permite detectar<br />
anomalías cromosómicas en células somáticas debidas a enfermedades<br />
genéticas o determinados tipos de cáncer.<br />
Cariotipo. El examen microscópico del tamaño de los cromosomas y el patrón de bandas que estos<br />
presentan permite identificar y ordenar los 23 pares de cromosomas. El cariotipo es usado como<br />
herramienta de detección de enfermedades genéticas. Una copia extra en el par 21, como en la figura,<br />
indica que el individuo presenta síndrome de Down. Esta anomalía es un ejemplo de trisomía<br />
(presencia de tres cromosomas homólogos).<br />
1.1.2. CONCEPTO DE GEN<br />
Un gen es la unidad básica de herencia de los seres vivos. Desde el punto de<br />
vista <strong>molecular</strong>, un gen es una secuencia lineal de nucleótidos en la molécula<br />
de ADN (o ARN en el caso de algunos virus), que contiene la información<br />
necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular<br />
específica.<br />
El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información y<br />
unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia. Los<br />
genes se disponen, pues, a lo largo de cada uno de los cromosomas. Cada<br />
gen ocupa en el cromosoma una posición determinada llamada locus. El<br />
conjunto de cromosomas de una especie se denomina genoma.<br />
Algunas enfermedades como la anemia drepanocítica (o anemia falciforme)<br />
pueden ser ocasionadas por un cambio en un solo gen (uno de los 30.000<br />
genes que constituyen el plan para todo el cuerpo humano).<br />
Los organismos diploides (entre ellos, casi todos los animales y plantas)<br />
disponen de dos juegos de cromosomas homólogos, cada uno de ellos<br />
proveniente de uno de los padres. Cada par de cromosomas tiene, pues, un<br />
par de copias de cada gen, una procedente de la madre y otra del padre<br />
Los genes pueden aparecer en versiones diferentes, con variaciones pequeñas<br />
en su secuencia, denominadas alelos. Los alelos pueden ser dominantes o
ecesivos. Cuando una sola copia del alelo hace que se manifieste el rasgo<br />
fenotípico, el alelo es dominante. Cuando sonprecisas dos copias del alelo<br />
(una en cada cromosoma del par), el alelo es recesivo.<br />
Tipos de genes<br />
La mayoría de los genes codifican proteínas, responsables de la mayor<br />
parte de las propiedades de un organismo. Para ello, la transcripción genera<br />
una molécula de ARN que posteriormente sufrirá traducción en los<br />
ribosomas, proceso por el cual se genera una proteína. Muchos genes se<br />
encuentran constituidos por regiones codificantes (exones) interrumpidas<br />
por regiones no codificantes (intrones) que son eliminadas en el<br />
procesamiento del ARN. En células procariontes esto no ocurre. La<br />
secuencia de bases presente en el ARN determina la secuencia de<br />
aminoácidos de la proteína por medio del código genético. Otros genes no<br />
son traducidos a proteína, sino que cumplen su función en forma de ARN.<br />
Entre éstos, encontramos genes de ARN transferente, ARN ribosómico,<br />
ribozimas y otros ARN pequeños de funciones diversas.<br />
Algunos genes han sufrido procesos de mutación u otros fenómenos de<br />
reorganización y han dejado de ser funcionales, pero persisten en los<br />
genomas de los seres vivos. Al dejar de tener función, se denominan<br />
pseudogenes, y pueden ser muy parecidos a otros genes del mismo<br />
organismo que sean funcionales.<br />
1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN<br />
BIOSÍNTESIS DEL ADN. (Duplicación de la doble hélice)<br />
Toda la información genética debe transmitirse a la descendencia y esto se lleva<br />
a cabo en la duplicación del ADN. Proceso que permite a las células hijas<br />
contener la misma información génica que la célula madre del ADN.<br />
La esencia de la duplicación está en la complementariedad de bases C, G, A, T<br />
Duplicación del ADN en bacterias (E. coli) en dos etapas:<br />
1) Desenrollamiento y apertura de la doble hélice.<br />
La doble hélice se abre como una cremallera por acción del enzima<br />
HELICASA, aunque para facilitar este fenómeno también intervienen GIRASAS<br />
y TOPOISOMERASAS, que eliminan las tensiones que se generan cuando se<br />
desenrolla el ADN.<br />
La separación de las cadenas comienza en puntos concretos del cromosoma
denominados orígenes de replicación, a partir de ellos se forman las<br />
burbujas de replicación que se extienden y dan lugar a las horquillas de<br />
replicación (forma de Y), donde las dos hebras actúan como patrones para la<br />
síntesis de dos nuevas cadenas de ADN.<br />
2) Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN.<br />
Los enzimas recorren la hebra molde y seleccionan en cada momento el<br />
desoxirribonucleótido fosfato cuya base es la complementaria a la base molde.<br />
Si el nucleótido seleccionado es el complementario cataliza su hidrólisis,<br />
separando un resto pirofosfato (PP) del nucleótido monofosfato que se incorpora<br />
a la cadena de ADN en formación mediante el enlace fosfodiéster. Radwan y R.<br />
Wagner lo resume muy ingeniosamente con esta frase:<br />
“ El ADN polimerasa sería como un cocinero ciego que toma los ingredientes al<br />
azar, saborea cada uno y decide si lo vierte en la sopa o lo devuelve a la<br />
alacena”<br />
La actividad autocorrectora exonucleásica de la ADN polimerasa es un buen mecanismo de prevención de<br />
errores pero aun así se comete un error de apareamiento por cada 10.10 6 bases, así pues este mecanismo puede<br />
ser eficaz en bacterias, pero es insuficiente en genoma humano con 3. 10 9 pares de bases.<br />
El ADN polimerasa debe resolver dos problemas relacionados con su actividad<br />
catalítica:<br />
En primer lugar, el ADN polimerasa solo “sabe” leer las secuencias de las<br />
hebras molde en el sentido 3’ - 5’, mientras que las nuevas cadenas se<br />
sintetizan y crecen en sentido 5’ - 3’; por lo tanto, de las dos hebras molde de<br />
ADN, la que está orientada en el sentido 3’ - 5’ es copiada de manera continua<br />
por este enzima y la nueva réplica, que crece en el sentido 5’ - 3’ recibe el<br />
nombre de hebra conductora<br />
En segundo lugar:<br />
Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar en sentido<br />
5’- 3’ no puede leerse directamente por el ADN polimerasa; este problema<br />
se soluciona mediante la síntesis de pequeños fragmentos de ADN,<br />
denominados fragmentos de OKAZAKI que crecen en sentido 5’ - 3’ y que<br />
posteriormente se sueldan y forman la hebra retardada que tarda más en<br />
sintetizarse ya que los enzimas necesitan que la horquilla esté abierta<br />
El ADN polimerasa es incapaz de iniciar por si solo la síntesis de una nueva<br />
cadena de ADN y necesita un ARN cebador que actúa como iniciador de las<br />
réplicas y se elimina posteriormente del ADN formado
1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información<br />
genética): transcripción, maduración y traducción. El código genético<br />
Recuerda que los genes de los procariotas son unidades continuas,<br />
mientras que los de los eucariotas están fragmentados (exones e intrones);<br />
solo un 10% del genoma se transcribe, el resto es “chatarra genética”,<br />
aunque ahora se sabe que son interruptores bioquímicos (EPIGENÉTICA).<br />
TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS<br />
Aunque es un proceso continuo se suelen destacar una serie de fase para<br />
hacer más comprensible este proceso.<br />
ININICACIÓN<br />
El “promotor”, formado por un secuencia rica en T y A se encuentra<br />
localizado unos 30 nucleótidos “curso arriba” del comienzo del gen; esta<br />
secuencia TATATA lo consideran algunos autores como una especie de caja<br />
reconocible por el ARN polimerasa II de manera que la “TATA box” indica al<br />
enzima que la transcripción comienza 30 nucleótidos más abajo en la dirección<br />
5’.<br />
ELONGACI ÓN<br />
El ARN polimerasa se acopla a una de las cadenas de ADN y desarrolla una<br />
vuelta de hélice, así queda al descubierto la hebra patrón. El enzima se<br />
desplaza por la hebra en sentido 3’-5’ mientras que la cadena de ARNm se va<br />
formando en sentido 5’-3’ antiparalela, conforme se adicionan ribonucleótidos. A<br />
medida que el enzima se desplaza, el ADN recupera su posición original en la<br />
doble hélice.<br />
Cuando se han transcrito 30 bases del gen, al ARNm se le añade en 5’ una<br />
“caperuza” compuesta por un resto de guanosina metilada unida a un grupo<br />
trifosfato, esto le sirve para que los ribosomas “sepan” el lugar de inicio de la<br />
traducción. La velocidad es de unos 30 nucleótidos por segundo: retranscriben<br />
tanto los exones como los intrones.<br />
TERMINACIÓN: El proceso finaliza cuando el ARN polimerasa II transcribe la
secuencia TTATTT ( el el ARNm será AAUAAA). Inmediatamente después<br />
actúa el poli-A polimerasa que adiciona en el extremo 3’ del ARNm una cola de<br />
poli-A (150-200 ribonucleótidos de A), que intervienen en la maduración y en el<br />
transporte del ARNm. Este ARNm se denomina “primario”.<br />
MADURACIÓN: Se eliminan los intrones que se enrollan y no codifican;<br />
posteriormente los exones se unen entre sí. Esto se debe a la acción de la<br />
Ribonucleoproteina pequeño-nucleolar “RNPpn” que contiene pequeñas<br />
moléculas de ARN-U y que es capaz de realizar los cortes en el ARNm; el<br />
empalme de los trozos resultantes se hace mediante enzimas ligasas
TRADUCCIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO: BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS<br />
A través de los ARNm se llevan mensajes a los ribosomas, donde tienen lugar<br />
la traducción de la información escrita en el lenguaje de los ácidos nucleicos<br />
combinación de las 4 letras ACTG que representan las correspondientes bases<br />
nitrogenadas. Los ribosomas leen la secuencia de bases de los ARNm y los<br />
traducen en secuencias de aminoácidos de las proteínas.<br />
Tres bases del ARNm constituyen un triplete o CODÓN, que representan<br />
palabras de tres letras en el idioma de los ácidos nucleicos, cada triplete hace<br />
referencia a un aminoácido. La correspondencia entre tripletes y aminoácidos<br />
constituye el código o clave genética, que viene a ser una especie de diccionario<br />
<strong>molecular</strong> que permite traducir el idioma de los genes al de las proteínas.<br />
Papel de los ARNt en la biosíntesis<br />
La descodificación requiere que la secuencia de bases del ARNm determine la<br />
secuencia de aminoácidos de la proteína.<br />
Los encargados de mantener esa correspondencia entre aminoácidos y ARNm<br />
son los ARNt , ya que estos se unen a los aminoácidos y a los codones de<br />
ARNm mediante los anticodones (tres nucleótidos del ARNt complementarios<br />
del codón).<br />
En una primera fase los ARNt se cargan con sus respectivos aminoácidos<br />
gracias a la Raminoacil sintetasa. En una segunda fase cada ARNt “cargado”<br />
se une mediante su anticodon al codón del ARNm. Para que esto ocurra es<br />
imprescindible el concurso del ribosoma que interviene como adaptador de los<br />
ARN.<br />
Existen codones sinónimos que codifican el mismo aminoácido y también<br />
existen tripletes sin sentido que indican el final de la traducción.
(1) INICIACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTÉICA<br />
Hacen falta dos señales de iniciación para que comience la síntesis de<br />
proteínas: el triplete iniciador AUG que codifica para la metionina y la<br />
“caperuza” de metil – guanosina del ARNm; de tal manera que la traducción<br />
comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza.<br />
Posteriormente la subunidad menor del ribosoma se une con el ARNm en<br />
la zona próxima a la caperuza (extremo 5’) FORMANDO EL<br />
COMPLEJO DE INICIACIÓN. Esta subunidad aporta el ARNt iniciador que está<br />
cargado con metionina. Todas las proteínas recien sintetizadas<br />
poseen metionina en su extremo; posteriormente puede perder este<br />
aminoácido. Todo esto necesita la presencia de un factor de iniciación FI<br />
y la energía dada por la hidrólisis del GTP. Al final de la etapa de iniciación se<br />
liberan los factores FI y dejan paso a la subunidad mayor del ribosoma,<br />
esta se acopla al complejo de iniciación para formar un ribosoma completo<br />
dotado de dos hendiduras o sitios de fijación; el sitio P, que queda ocupado por
el ARNt Met y el sitio A que está libre para recibir a un segundo ARNt<br />
cargado con su correspondiente aminoácido.<br />
(2) ELONGACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA<br />
Se podría definir como la unión sucesiva de aminoácidos que se añaden a<br />
la cadena polipeptídica en el seno de los ribosomas.<br />
Se hace en ciclos de tres fases:<br />
El sitio P está ocupado inicialmente por el ARNt Met ; en el sitio A que estaba<br />
vacío se introduce un ARNt cuyo anticodon es complementario de la siguiente<br />
tripleta; interviene el factor de elongación FE-1, la energía para el proceso se<br />
obtiene de la hidrólisis del GTP.<br />
La metionina unida mediante su grupo carboxilo COOH al ARNt , rompe su<br />
enlace y se vuelve a asociar mediante un enlace peptídico con el NH2 del<br />
segundo aminoácido. Este paso está catalizado por la peptidil – transferasa,<br />
que está asentada en el ribosoma, De esta manera se forma un dipéptido.<br />
Interviene un segundo factor de elongación FE-2 que, utilizando la energía<br />
suministrada por el GTP, obliga a los ribosomas a desplazarse exactamente<br />
tres nucleótidos a lo largo del ARNm (sentido 5’ – 3’). Esto obliga a la<br />
expulsión del ARNt Met del sitio P. De la misma manera el complejo peptidil –<br />
ARNt – ARNm va del sitio A al P. Así pués el sitio A está vacante y<br />
dispuesto a recibir otro ARNt.<br />
(3) TERMINACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTÉICA.<br />
La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando , en el momento de<br />
producirse la última traslocación, aparece en el sitio A, uno de los tres<br />
codones de terminación (UAA, UAG, UGA). En este momento un factor protéico<br />
de terminación RF se une al codón de terminación e impide que algún ARNraminoacil<br />
se aloje en el sitio A, por lo que el peptidil transferasa se ve obligado<br />
a catalizar la transferencia de la cadena polipeptídica a una molécula de agua.
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA<br />
En los años 60 del siglo pasado Jacob y Monod propusieron un modelo<br />
denominado operón para la regulación de la expresión génica en las bacterias.<br />
Un operón es un conjunto de genes que codifican proteínas que a su vez<br />
intervienen en una ruta metabólica. En cada operón se pueden encontrar<br />
genes reguladores, genes estructurales, la zona del promotor y la zona del<br />
operador.<br />
lacZ, lacY, lacA codifican para la síntesis de proteínas (enzimáticas o<br />
reguladoras)<br />
R codifican para la síntesis de una proteína represora que se puede encontrar<br />
de forma activa o inactiva y es el agente que controla materialmente la<br />
expresión.<br />
P Promotor, es la zona que se une al ARN<br />
polimerasa y decide el inicio de la<br />
transcripción.<br />
O Operador. Región entre el promotor y los<br />
genes estructurales que posee una secuencia<br />
característica reconocida por la proteína<br />
represora activa: Cuando se bloquea el<br />
operador con la proteína represora, impide el<br />
avance del ARN polimerasa y la transcripción<br />
se interrumpe, (represión génica)<br />
Si la bacteria necesita sintetizar proteínas debe separar el operador del represor<br />
y utiliza dos caminos: la inducción enzimática y la represión enzimática. En el<br />
esquema anterior se representa la inducción enzimática (operón LAC): La<br />
lactosa inhibe a la proteína represora y entonces la zona del operador queda<br />
libre y por lo tanto se sintetizan los enzimas que degradan la lactosa. Si no<br />
hay lactosa en el medio ¿Para qué necesita la bacteria los enzimas que<br />
degradan la lactosa?<br />
En la represión enzimática (operón HIS de histidina) se sintetiza un represor<br />
que es inactivo, esto implica que los genes se expresan y se fabrica la histidina.<br />
Cuando hay en exceso, sus moléculas se unen a la proteína represora y la<br />
activa con lo cual se bloquea el operador y se reprimen los genes. Si disminuye
la histidina en el medio se desactiva el represor y los genes se expresan de<br />
nuevo.
1.2. Alteraciones de la información genética.<br />
1.2.1. Concepto de mutación.<br />
1.2.2. Causas de las mutaciones.<br />
1.2.3. Consecuencias de las mutaciones.<br />
1.2.3.1. Consecuencias evolutivas.<br />
1.2.3.2. Efectos perjudiciales<br />
Una de las características propias del material genético es la extraordinaria<br />
fidelidad con la que se efectúan las copias durante los fenómenos de mitosis<br />
o meiosis; sin embargo en ocasiones pueden sufrir cambios que además se<br />
pueden transmitir a la descendencia. Estos cambios son denominados:<br />
MUTACIONES.<br />
Algunas de estas mutaciones traducidas a proteínas pueden perjudicar al<br />
organismo anómalo, incluso puede causar su muerte; sin embargo en<br />
ocasiones puede mejorar sus expectativas vitales, manteniéndose(a partir de<br />
ese momento) en el “gen-pool” de la población. A veces las mutaciones ni<br />
son beneficiosas ni son perjudiciales, al menos a simple vista.<br />
TIPOS DE MUTACIONES:<br />
Según las células afectadas pueden ser: Germinales y Somáticas. Resulta<br />
evidente que las mutaciones en células somáticas solo producen alteraciones<br />
puntuales que no se transmiten a la descendencia. Si la mutación afectan a<br />
los gametos se pueden transmitir a la descendencia y sobre ellas actuará la<br />
selección natural.<br />
Según la extensión del material genético afectado pueden ser:<br />
GÉNICAS o puntuales : Provocan cambios en la secuencia del ADN,<br />
generalmente afecta a un solo par de bases y se transmiten por herencia.<br />
CROMOSÓMICAS: Afectan a la disposición de los genes de un cromosoma,<br />
pero no a la secuencia de nucleótidos.<br />
GENÓMICAS: Son aquellas que alteran, aumentando o disminuyendo el<br />
número cromosómico de la especie.<br />
MUTACIONES GÉNICAS:<br />
Se denominan mutaciones puntuales ya que afectan a un solo gen; pueden<br />
ocurrir por sustitución de bases y también por cambios en las pautas de lectura:<br />
Se denominan mutaciones puntuales ya que afectan a un solo gen; pueden
ocurrir por sustitución de bases y también por cambios en las pautas de lectura:<br />
TRANSICIONES: Se sustituye una<br />
púrica por otra púrica o una<br />
pirimidínica por otra pirimidínica.<br />
TRANSVERSIONES: Se cambia<br />
una púrica por otra pirimidínica o al<br />
revés; el caso es que solo afecta a<br />
uno de los nucleótidos y solo un<br />
triplete de bases.<br />
Puesto que el código genético esta<br />
degenerado (varios tripletes<br />
codifican para el mismo<br />
aminoácido), puede ocurrir que esa<br />
mutación sea silenciosa y no afecte<br />
al fenotipo del individuo. Si la<br />
mutación afecta a la tripleta final,<br />
puede ocurrir que la proteína sea<br />
más larga o más corta de lo normal.<br />
Pueden ser:<br />
INSERCIONES Y DELECCIONES. Consiste en la pérdida o adición de<br />
algún nucleótido en la molécula de ADN. A partir del punto de inserción o<br />
delección cambian todas las tripletas. Al traducirse en proteína puede<br />
que sea totalmente distinta a la original. (CAMBIAN EL MARCO DE LA<br />
LECTURA)<br />
.<br />
MUTACIONES GENÓMICAS:<br />
Son variaciones en el número normal de cromosomas de una especie. Ocurren<br />
por una incorrecta segregación de cromosomas durante la meiosis. Dos<br />
grades grupos EUPLOIDIAS Y ANEUPLOIDIAS.<br />
EUPLOIDIAS: Alteraciones del número normal de dotaciones cromosómicas.<br />
Existen dos tipos:<br />
Monoploidias: Solo existe un cromosomas de cada par (solo se ha<br />
observado en algunas especies vegetales; muy raro)<br />
Poliploidías: Tienen más de un juego completo de cromosomas, pudiendo
ser triploides (3n), tetraploides (4n) o en general poliploides. Se observan en<br />
vegetales que tienen generalmente mayor tamaño que las naturales. El trigo que<br />
se cultiva hoy día es hexaploide.<br />
ANEUPLOIDIAS:<br />
Trisomías. Los portadores poseen un cromosoma de más (2n+1) si<br />
se da en autosomas. La más estudiada es la trisomía del par 21<br />
(mongolismo). El síndrome de Edwards (trisomía del 18); el síndrome de Patau<br />
(trisomía del 13). Son poco frecuentes. Si se da en cromosomas sexuales las<br />
trisomías son más frecuentes:<br />
- Síndrome de Klinefelter (trisomía XXY). Hombres estériles, testículos<br />
poco desarrollados y con tendencia a rasgos femeninos.<br />
- Síndrome de triple X (trisomía XXX). Mujeres de aspecto normal,<br />
aunque en algún caso se podido describir algún retraso mental.<br />
- Cariotipo XYY (trisomía XYY). Hombres normales, más altos que la<br />
media con tendencia a padecer acné intenso. En algún caso se ha<br />
descrito una vinculación con actitudes violentas.<br />
Monosomías: Los individuos carecen de un cromosoma de una pareja de<br />
homólogos. Su dotación cromosómica es (2n-1). La carencia de un<br />
autosoma es letal. Sí puede faltar un cromosoma sexual (Síndrome de Turner<br />
XO). Mujeres con escaso desarrollo de los caracteres sexuales primarios y<br />
secundarios; son estériles.
MUTACIONES CROMOSÓMICAS:<br />
Son mutaciones que afectan a la estructura de los cromosomas; al<br />
orden de los genes, a su número, o un gen o a grupos de genes.<br />
Las traslocaciones e inversiones afectan poco al portador ya que no varía<br />
el número de genes. Pueden provocar alteraciones cuando un gen se separa de<br />
las regiones que controlan su expresión (zona del operador, promotor o zonas<br />
reguladores en la síntesis protéica). Las delecciones y duplicaciones, en<br />
cambio, aunque afecten solo a un<br />
cromosoma de los homólogos pueden tener<br />
consecuencias graves. No basta con<br />
poseer todos los genes propios de la<br />
especie, sino que han de estar en el número<br />
adecuado, para que existan desequilibrios<br />
en su expresión.<br />
1.2.2. Causas de las mutaciones<br />
Los mutágenos son agentes físicos,<br />
químicos o biológicos que pueden provocar<br />
mutaciones en las células. (radiaciones<br />
ionizantes, temperatura, benzopirenos,<br />
virus, bacterias, transposones etc)<br />
Pueden estar provocadas por agentes<br />
endógenos dando mutaciones espontáneas<br />
o naturales, generalmente debidas a la<br />
actividad celular, dando lugar a la aparición<br />
de radicales libres, AGE (productos de la<br />
glicosilación avanzada), etc. y provocando<br />
errores en el apareamiento de bases y<br />
trnasposiciones.<br />
MUTÁGENOS ENDÓGENOS<br />
Metabolitos reactivos: Se denominan en<br />
conjunto “radicales libres” y son residuos del<br />
metabolismo intemediario en las<br />
mitocondrias y generando lesiones en el<br />
ADN celular y en el ADN mitocondrial. A la larga provocan el envejecimiento.<br />
Los AGE son el resultado de la combinación de la glucosa con los grupos
amino de las proteínas y con las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos.<br />
Deterioran los procesos de replicación, reparación y transcripción.<br />
Errores en el apareamiento de bases, debido al deterioro de los enzimas<br />
encargados del sistema de reparación SOS.<br />
Transposiciones: Genes capaces de saltar del cromosoma original y<br />
acoclarse a otro, provocando mutaciones espontánea (trasposones)<br />
Fluctuaciones térmicas: Fenómenos de despurinización y desaminación,<br />
perdiendo bases púricas y alteración del grupo amino de una base en cetosa<br />
haciendo que la citosina pase a uracilo y la adenina a hipoxantina.<br />
MUTÁGENOS EXÓGENOS<br />
ESTÁN PROVOCADAS POR CUALQUIER AGENTE EXTERNO YA SEA<br />
FÍSICO, QUÍMICO O BIOLÓGICO.<br />
Tabaco, alcohol, insecticidas, medicamentos, partículas α, β o ϒ<br />
radioactivas, abonos, pesticidas, radiaciones solares etc.<br />
AGENTES FÍSICOS:<br />
La radiación UV del sol (UVA y UVB), estas radiaciones provocan la<br />
formación de un enlace covalente entre dos bases pirimidínicas<br />
consecutivas de la misma cadena, formando dímeros de timina o dímeros<br />
de citosina, se rompen los puentes de hidrógeno y el ADN se<br />
desorganiza.<br />
La radiaciones ionizantes (rayos X, rayos ϒ) rompen las cadenas de<br />
ADN.<br />
Las radiaciones corpusculares (α y β) de los materiales radioactivos<br />
también rompen las moléculas de ADN provocando tumores y cáncer.<br />
(Maremoto Japón+centrales nucleares partículas radioacitvas en las<br />
cadenas tróficas cánceres)<br />
AGENTES QUÍMICOS:<br />
Provocan errores, delecciones, inserciones en las moléculas de ADN<br />
El 5-bromo uracilo y la cafeína parecidos a la Timina pueden<br />
sustituirla<br />
Los benzopirenos que aparecen en todos los ahumados,<br />
barbacoas, alquitranes, café torrefacto, son hidrocarburos<br />
policíclicos que en el hígado se transforma y aparecen productos<br />
que impiden el apareamiento de bases.<br />
El ácido nitroso que hay en las carnes, embutidos ec. El bisulfito<br />
sódico de los vinos, etc , provocan la desaminación de la citosina<br />
dando uracilo
Agentes alqulantes (dimetilnitrosamina, dimetilsulfato, gas mostaza,<br />
introducen radicales metilo, etilo en las bases del ADN.<br />
Minerales como el cadmio de las pinturas, asbesto de los aislantes,<br />
cromo. Dioxinas de la quema de los PVC, acrilamida de las patatas<br />
fritas.<br />
AGENTES BIOLÓGICOS:<br />
ONCOVIRUS:<br />
Virus dela hepatitis B y C, puden dar cáncer de hígado.<br />
Papilomavirus, virus del herpes genital que dan cáncer de útero.<br />
Virus de Epstein-Barr (enfermedad del beso), mononucleosis<br />
Helicobaceter pilori, relacionada con el cáncer de estómago.<br />
1.2.3 Consecuencias de las mutaciones.<br />
1.2.3.1 Consecuencias evolutivas.<br />
La evolución biológica se puede definir como el conjunto de cambios<br />
hereditarios, y acumulativos, que sufren los grupos de seres vivos a lo largo<br />
del tiempo y que provoca la aparición de nuevas especies a partir de otras ya<br />
existentes.<br />
Los cambios producidos en el material genético constituyen el motor de la<br />
evolución de las especies.<br />
Se dice que las mutaciones son necesarias pero no suficientes para la<br />
evolución de los seres vivos.<br />
Los mecanismos de la evolución requieren la existencia previa de variabilidad<br />
entre los individuos que integran una población(considerada actualmente la<br />
unidad evolutiva por excelencia en lugar del individuo aislado, ya que son las<br />
proporciones en que se encuentran los diversos individuos de una población<br />
las que cambian a lo largo del tiempo).<br />
FUENTES de VARIABILIDAD GENÉTICA<br />
Los principales agentes de la variabilidad en las poblaciones son la<br />
recombinación genética y las mutaciones.<br />
-La recombinación genética consiste en una reordenación de los genes ya<br />
existentes en la población y proporción a nuevas combinaciones de genes,<br />
que pueden provocar la aparición de nuevos caracteres fenotípicos, pero no se<br />
originan genes nuevos. Dicha recombinación se produce, en los seres con<br />
reproducción sexual, durante la profase-I meiótica.
(También puede surgir en otros momentos de la vida celular por la acción de<br />
los transposones, la llamada recombinación génica transposicional).<br />
- Las mutaciones, por el contrario, son el único fenómeno que provoca la<br />
aparición de genes que antes no existían y que se incorporan al patrimonio<br />
genético de la población, lo cual amplía notablemente las posibilidades<br />
biológicas.<br />
En los seres con reproducción asexual las mutaciones son la única fuente de<br />
variabilidad (aunque también puede intervenirla recombinación génica<br />
transposicional).<br />
SELECCIÓN NATURAL<br />
En principio, la mayoría de las mutaciones son negativas si el organismo está<br />
bien adaptado en su entorno. Pero siempre hay excepciones:<br />
- Las mutaciones beneficiosas suelen pasar inadvertidas en un primer<br />
momento, por lo que las ventajas evolutivas se manifiestan lentamente, es<br />
decir, si el gen mutado proporciona algún beneficio a los individuos que lo<br />
llevan, irá sustituyendo paulatinamente al gen original en la población,<br />
conforme aumenta la proporción de los individuos portadores que, al estar<br />
mejor adaptados al entorno, tienen más capacidad de sobrevivir y procrearán<br />
más que el resto.<br />
Se va produciendo así una evolución <strong>molecular</strong> que se reflejará en las<br />
características biológicas de los individuos.<br />
- La verdadera importancia de las mutaciones se pone de manifiesto en<br />
particular durante la adaptación de una población a un entorno nuevo, ya sea<br />
como consecuencia de importantes cambios medioambientales en el lugar<br />
donde vive o porque se coloniza una nueva área geográfica. En estos casos,<br />
la presión ambiental selectiva aumenta extraordinariamente y favorece la<br />
supervivencia de aquellos individuos que portan las mutaciones adaptativas<br />
más favorables.<br />
OBSERVACIONES.-<br />
1) Las mutaciones génicas, para muchos autores, son las verdaderas<br />
mutaciones pues afectan directamente a la estructura de los genes<br />
(secuencia de nucleótidos). En un principio, puede que no originen cambios<br />
ostensibles, pero la acumulación de ellas termina provocando<br />
transformaciones sustanciales en las especies.<br />
2) Desde el punto de vista evolutivo, se habla de dos tipos de mutaciones:<br />
- Las micromutaciones, a nivel <strong>molecular</strong>, las más conocidas y que sólo<br />
explican pequeños cambios acumulativos.<br />
- Las macromutaciones, de las que aún se sabe poco, que explicarían grandes<br />
cambios que diferenciarían los grandes grupos de seres vivos. (Éstas podrían<br />
afectar a genes reguladores que controlan la expresión de grupos de genes<br />
estructurales, los cuales determinan caracteres morfológicos y fisiológicos que<br />
sufrirían importantes modificaciones)
1.2.3.2<br />
A- Como ya se ha dicho, las mutaciones pueden resultar negativas, en<br />
principio, para los organismos que están bien adaptados a su entorno (aunque,<br />
a largo plazo pueden favorecer a toda una población ante cambios<br />
ambientales o a la hora de colonizar nuevos hábitats).<br />
B- Las mutaciones pueden ser la causa de que una célula se convierta en<br />
tumoral: Por ejemplo:<br />
- Los protooncogenes codifican proteínas implicadas en diversas etapas<br />
de la división celular. Por mutación pueden transformarse en oncogenes que<br />
originan tumores ya que promueven la proliferación continua de las células.<br />
- Los Genes supresores de tumores codifican proteínas inhibidoras de la<br />
división celular. La mutación de éstos genes podría aumentar el ritmo<br />
reproductor de las células.<br />
C- Las mutaciones cromosómicas numéricas (de tipo aneuploidías) dan lugar<br />
a la aparición de los conocidos síndromes de Down, de Turner, de Klinefelter,<br />
etc.<br />
D-Las mutaciones génicas pueden dar lugar a enfermedades genéticas como<br />
alteraciones metabólicas, anemia falciforme, ciertas inmunodeficiencias,<br />
malformaciones, etc.