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GENÉTICA MOLECULAR

ADN – ESTRUCTURA

ADN

• Estructura primaria del ADN

– Cadena lineal de nucleótidos que se unen por enlace fosfodiéster en sentido carbono 5’ 3’

• Nucleótido. Molécula orgánica formada por tres componentes:

– azúcar tipo pentosa (en el caso de ADN, desoxirribosa)

– Grupo fosfato

– base nitrogenada

Bases nitrogenadas

– Son compuestos cíclicos con nitrógeno (ANILLOS NITROGENADOS) que forman parte de los nucleótidos

– Hay dos grupos de bases nitrogenadas:

• Púricas (purinas). Compuestas por dos anillos nitrogenados, uno hexagonal y otro pentagonal. Son la Adenina (A) y la Guanina (G)

• Pirimidínicas (pirimidinas). Un único anillo hexagonal. Son la Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U)

– Los nucleótidos que conforman el ADN sólo presentan 4 tipos de bases nitrogenadas; ADENINA (A), GUANINA (G), CITOSINA (C) Y TIMINA (T)

ADN. Bases nitrogenadas

ADN. Bases nitrogenadas

Uracilo sólo en ARN

Timina sólo en ADN

ADN. Nucleótidos

ADN. Ácidos nucleicos

Enlaces fosfodiéster

ADN

• Estructura secundaria

– Se unen 2 cadenas de nucleótidos formado una doble hélice

– Características:

• Cadenas antiparalelas. El extremo 3`de una cadena coincide con el extremo 5’ de la otra cadena

• Cadenas complementarias. Cada cadena se une a la otra mediante enlace de puente de hidrógeno entre A y T (2 enlaces de puente de H) y G – C (3 enlaces)

• Cadenas enrolladas en doble hélice, en sentido contrario a las agujas del reloj.

Enlace de puente de Hidrógeno Adenina - Timina

ADN

• Estructura primaria del ADN

ADN

• Estructura secundaria

ADN • Estructura terciaria. Modelo “collar de perlas”

– La doble cadena de ADN se asocia a proteínas (histonas) para compactar la estructura

– Nucleosoma; estructura formada por un octámero de histonas asociadas a la cadena de ADN

– Resultado; fibra de cromatina de espesor 10 nm (100 Å)

• Estructura terciaria del ADN

ADN • Estructura cuaternaria. Modelo “solenoide”

– Nucleosomas de la fibra de cromatina se enrollan helicoidalmente dando lugar a una estructura llamada “solenoide”

– Resultado; fibra de cromatina se condensa y compacta más, aumentando de espesor (pasa de 10 nm (100Å) a 30 nm (300Å))

• Estructura cuaternaria del ADN

SOLENOIDE

ARN - ESTRUCTURA

ARN

• Cadena sencilla (no es doble cadena) formada por la unión de nucleótidos

• Nucleótidos del ARN

– Azúcar; ribosa

– Bases nitrogenadas; A, G, C y Uracilo (en lugar de Timina)

– Grupo fosfato

• Cadena más corta que la cadena de ADN

• Función; dirige la síntesis proteica y regula la expresión génica

(Nucleótido)

ARN

• Aunque no forma hélices, la cadena de ARN se puede plegar en algunos tipos de ARN (p.ej. ARN-t)

• Este plegamiento se mantiene por el apareamiento de bases nitrogenadas mediante enlace de puente de H (A-U y G-C)

ARN • En ocasiones, la estructura se vuelve a plegar

formado bucles (est. Terciaria ARN)

ARN - TIPOS

Tipos de ARN

ARN-m (ARN mensajero)

• Estructura lineal

• Realiza una copia de un fragmento de ADN

• Su secuencia de nucleótidos es complementaria al segmento (tránscrito) de la cadena patrón de ADN copiada (pero en lugar de Timina, ahora Uracilo)

• Se forma en el núcleo y sale al citoplasma para ser utilizada en el ribosoma para traducir la información genética

• En la molécula de ARN-m, cada 3 bases nitrogenadas codifican 1 aminoácido distinto (codon)

Tipos de ARN


V

CODÓN

Tipos de ARN


Tipos de ARN

ARN-t (ARN transferente o de transferencia)

• Estructura plegada y con bucles

• Transporta (“transfiere”) los aminoácidos a los ribosomas; cada ARN-t solo transporta 1 tipo de aminoácido

• Contiene el anticodon; secuencia específica de 3 bases nitrogenadas complementarias al codon del ARN-m

Tipos de ARN



Anticodon

Tipos de ARN

ARN-r (ARN ribosómico)

• Forma parte de la estructura de los ribosomas

• Ribosomas; orgánulo celular donde tiene lugar la traducción de la información genética y la síntesis de proteínas

• Presenta 2 subunidades:

– Mayor (coeficiente de sedimentación 50S)

– Menor (coeficiente de sedimentación 30S)

Tipos de ARN

ARN-r (ARN ribosómico)

DUPLICACIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA (REPLICACIÓN)

Duplicación del ADN

• En división celular, cada célula hija debe recibir la misma información genética

• Para ello, es necesario duplicar (=replicar) la molécula de ADN

• La duplicación de la molécula de ADN es de tipo semiconservativa

Duplicación del ADN

• Duplicación semiconservativa

Duplicación del ADN • Duplicación semiconservativa

Mecanismo de duplicación

1. Doble hélice de ADN se abre y se desenrolla

La enzima helicasa abre la doble cadena de ADN en el punto de replicación.

Para abrir la doble cadena, rompe los enlaces de puente de H entre bases nitrogenadas.

También es necesario desenrollar la doble hélice (se encarga la enzima topoisomerasa).

La molécula de ADN se abre como una “cremallera”.



El punto donde se inicia la replicación se denomina “origen de replicación” y da lugar a una burbuja de replicación con dos horquillas de replicación

En eucariotas, aparecen múltiples horquillas de replicación.

En procariotas, aparecen dos horquillas de replicación



Burbuja de replicación


2. A cada hebra separada de ADN se acoplan nucleótidos libres cuyas bases son complementarias a las bases nitrogenadas existentes en esa hebra

En esta fase interviene la enzima ADN polimerasa, que recorre la hebra molde (hebra paterna) y va formando la nueva hebra complementaria en sentido 5` 3’

Esta enzima también corrige errores; elimina nucleótidos mal apareados y rellena el hueco con los nucleótidos correctos


Problema 1; ADN polimerasa no puede iniciar “de cero” la síntesis de una nueva hebra de ADN.

Necesita de un fragmento inicial de 10 nucleótidos de ARN, que recibe el nombre de cebador o primer.

Este fragmento se sintetiza por una primasa (un tipo de ARN polimerasa).

El motivo es que la ADN polimerasa sólo puede añadir nucleótidos a un extremo 3’ libre, no puede empezar una síntesis por sí misma.


Cebador o primer

separa


Problema 2; ADN polimerasa sólo puede sintetizar en sentido 5’ 3’.

Esto significa que según se van separando las dos hebras, en una hebra la síntesis es continua (“hebra adelantada o conductora”), mientras que en la otra hebra la síntesis será discontinua (“hebra retardada”)

Hebra adelantada o conductora

Hebra retardada

Síntesis hebra adelantada o conductora

- Síntesis continua en sentido 5’ 3’.

- Se necesita solo 1 cebador

Síntesis hebra retardada

- Síntesis discontinua en sentido 5’ 3’.

- Se van sintetizando pequeños fragmentos de ADN de 1000 – 2000 nucleótidos (fragmentos de Okazaki)

- Cada uno de estos fragmentos necesita de forma previa un cebador (se necesitan varios cebadores en este caso)

- Finalmente, la ADN-ligasa une los fragmentos de Okazaki obtenidos y da lugar a una cadena continua

- Se llama hebra retardada porque su síntesis es algo más lenta que la hebra conductora

Hebra adelantada o conductora

Hebra retardada

Hebra retardada


• Paso final

– La ADN-ligasa, además de unir los fragmentos discontinuos de Okazaki en la hebra retardada, sustituye los fragmentos de ribonucleótidos de los cebadores

Diferencias fundamentales en el proceso de duplicación en eucariotas y procariotas

Procariotas Eucariotas

Proceso inicial de apertura más sencillo debido a que el ADN está menos replegado

Proceso previo de apertura es más complejo

Participan 3 ADN polimerasas distintas

Participan más tipos de ADN polimerasas

Un punto de inicio de la replicación (origen de la replicación ) y dos horquillas de replicación

Numerosos puntos de inicio de replicación y con múltiples horquillas de replicación (para acelerar el proceso)


• Recursos web biosfera

http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/2bachillerato/genetica/contenido7.htm

EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 1. TRANSCRIPCIÓN 2. TRADUCCIÓN

Significado de la expresión de información genética

• Gen; fragmento de ADN con información necesaria para la síntesis de una proteína

• Proteína; biomolécula compleja (polipéptido) formada por la unión de biomoléculas más simples, los aminoácidos, por enlace peptídico. Hay 20 aminoácidos diferentes que dan lugar a multitud de distintas proteínas

– Funciones de las prot; estructural, fisiológica, enzimática, etc.

• Enzima; proteína que permite la realización de las reacciones bioquímicas en el organismo.

• Las características anatómicas y funcionales de cada individuo (ej; carácter color del pelo) son consecuencia de las reacciones controladas por las enzimas


Aminoácido Aminoácido

Enlace peptídico

Polipéptido


• Etapas en la expresión de la información genética

1. Transcripción

2. Traducción

TRANSCRIPCIÓN

Transcripción

• Objetivo; copiar una parte del mensaje genético desde su forma original (ADN) a ARNm (ARNm)

• ADN ARNm

• Se lleva a cabo por las enzimas ARN polimerasas (primasas)

• En el caso de eucariotas, el proceso se realiza en el núcleo. El ADN no puede atravesar el núcleo, pero el ARNm sí puede.

• Solamente se copia un fragmento de una de las dos cadenas de ADN

Mecanismo de transcripción

Etapas:

1. Preiniciación. Factores de transcripción se unen a secuencias específicas del ADN para indicar dónde debe empezar la transcripción. Estas secuencias se denominan regiones promotoras y son secuencias muy definidas de bases.

La región promotora más conocida se conoce como la caja TATA (TATAAA)

La acción previa de estos factores de transcripción permitirán el acceso de la enzima ARN polimerasa a la región promotora para el inicio de la transcripción


2. Iniciación y desarrollo . La enzima ARN polimerasa reconoce la región promotora y comienza a añadir ribonucleótidos con bases nitrogenadas complementarios a la cadena molde en sentido 5’ 3’ (pero en lugar de T, U)

Permite la formación de enlaces de puentes de H entre bases nitrogenadas, siendo más lenta la velocidad de síntesis en la pareja G-C por tener que llevar 3 enlaces de puente de hidrógeno.

Esta enzima también permite la unión de enlace fosfodiéster entre nucleótidos.

Según se abre la cadena (burbuja de replicación) y se copia la información, se va cerrando por la acción de la misma enzima ARN polimerasa.


2. Iniciación y desarrollo.


3. Finalización. Al llegar la ARN polimerasa al terminador, zona que indica el final de la transcripción, se desestabiliza y cesa su función. Como consecuencia la cadena de ARN-m copiada se libera

4. Maduración. Tras la transcripción tiene lugar el proceso de maduración (exclusivo de eucariotas) en el que se eliminan fragmentos denominados intrones y se mantienen las regiones que codifican para una determinada proteína (exones)

Este proceso también se conoce como “splicing” de ARN, del que se obtiene ya el ARNm maduro, definitivo.

4. Maduración

Pre-ARNm

4. Maduración

• RESULTADO DE LA TRANSCRIPCIÓN

– Información copiada en forma de ARN idéntica a la que se encuentra en el ADN (con la salvedad de que posee U en lugar de T)

– ARN obtenido tras maduración es una molécula de cadena sencilla y lineal (ARNm) que puede salir del núcleo para ir a ribosomas donde tiene lugar la traducción

TRADUCCIÓN

Significado de la traducción

• Objetivo; decodificar la información del ARNm, y así convertir la secuencia de nucleótidos (de bases) del ARNm en una cadena de aminoácidos para formar una proteína

• Para que se dé la traducción o síntesis de proteínas se necesita:

– Ribosomas, orgánulo donde se realiza la síntesis proteica (libres en el citoplasma o asociados al retículo endoplasmático)

– ARN-m, que lleva la información para sintetizar la proteína

– Aminoácidos, que son los componentes de las proteínas

– ARN-t, que aporta los aminoácidos en el orden preciso

– Enzimas y energía para todo el proceso

Fases de la Traducción

• FASES de la traducción

1. Activación de los aminoácidos

2. Iniciación de la cadena proteica

3. Elongación de la cadena proteica

4. Terminación de la cadena proteica


1. Activación de los aminoácidos

- Unión de un aminoácido con el ARNt

- El complejo aminoácido+ARNt se denomina “Aminoacil-ARNt”

Aminoacil-ARNt

ARNt



- La subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto localizado cerca del codón AUG del ARN-m (codón iniciador). Este punto coincide con el “sitio P” del ribosoma

Subunidad pequeña del ribosoma

ARNm

Codón iniciador ubicado en el sitio “P” de la subunidad mayor del ribosoma



- A continuación, en este codón AUG del ARNm se une un aminoacil-ARNt que presente un anticodon formado por las 3 bases UAC, complementarias a las del codón iniciador AUG

-Este primer ARNt lleva unido el aminoácido metionina (Met) en eucariotas. (ARNt-Met) -Todas las proteínas en eucariotas inician su síntesis con este aminoácido, Metionina

Unión del anticodón del aminoacil-ARNt con el codón iniciador del ARNm


3. Elongación de la cadena proteica - Consiste en el alargamiento de la cadena proteica

- Se inicia cuando entra un segundo aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al codón del ARNm situado en el “sitio A” del ribosoma

- Posteriormente se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P (Metionina en eucariotas) y el nuevo aminoácido del sitio A

- El nuevo dipéptido (dos aminoácidos unidos) pasa a ocupar el sitio A y el primer ARNt abandona

- Continua este proceso según se desplaza el ribosoma en sentido 5’ 3’

3. Elongación de la cadena proteica



- La cadena proteica (polipeptídica) finaliza cuando el ribosoma llega al codón de terminación (finalización) del ARNm

- Codón de terminación; pueden ser UAA, UGA ó UAG

- Estos codones de terminación no son reconocidos por ningún ARN-t pero si por unos factores de liberación, que hacen que la proteína se separe del ARN-t

- RESULTADO TRADUCCIÓN; PROTEINA


Codón de terminación

RESUMEN TRADUCCIÓN

Codón de terminación

RESUMEN TRANSCRIPCIÓN – TRADUCCIÓN

(UAG si le damos la vuelta al ribosoma )

EL CÓDIGO GENÉTICO

El código genético • El código genético nos indica qué aminoácido

corresponde a cada triplete o codón del ARN mensajero.

• Características del código genético:

– Cada aminoácido está codificado por 1 triplete de bases del codón del ARNm

– 1 mismo aminoácido (p.ej. Serina) puede estar codificado por más de un triplete

– Cada triplete (p.ej. UCU) sólo codifica para 1 aminoácido (en el caso de UC, sólo codifica para Serina)

Codón Aminoácido

Primera base del codón

Segunda base del codón

Tercera letra (base) del codón

En lugar de escribir el nombre completo del aminoácido, se suele usar su abreviatura

Ejercicio; Indica la secuencia de aminoácidos codificada por el siguiente fragmento de ARNm; AUGCCAGUAUGCUUAUGA

Ejercicio; Indica la secuencia de aminoácidos codificada por el siguiente fragmento de ARNm; AUGCCAGUAUGCUUAUGA Solución; Met-Pro-Val-Cys(-Final) Metionina – Prolina – Valina – Cisteína

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