1. Genética MOLECULAR.
1.1.Identificación del ADN como portador de la información genética
El ADN fue descubierto en 1869 y se le llamo nucleina por su localización, era una sustancia blanca, acida y contenía fósforo y nitrógeno. El descubrimiento de que los cromosomas se dividían y transmitían durante la división celular hizo pensar que estas estructuras contenían la molécula portadora de la información genética.
1.1.1.ADN y cromosomas
Se habían identificado a los cromosomas como las estructuras celulares de la herencia en la llamada teoría cromosomica de la herencia de sutton y boveri. Los cromosomas están formados por ADN y diversos tipos de proteínas. Constituyen el orden superior de empaquetamiento del ADN. Las proteínas unidas son histonas o no histonas. Las histonas son las principales proteínas componentes del material genético de eucariotas. Su función es estabilizar la estructura del ADN, contribuyendo a compactarla, para facilitar su empaquetamiento. Las no histonas son proteínas heterogéneas que intervienen en la replicación y transcripción del ADN y en la propia regulación de la cromatina.
1.1.2.Concepto de gen:
Mendel los llamo factores hereditarios y los considero responsables de los caracteres. Después el gen se definió como un fragmento de ADN que lleva información para un carácter. Los trabajos de Beadle y Tatum llevan a la conclusión de que los genes contienen información para sintetizar enzimas. Esta relación se denomino hipótesis de un gen-una enzima. En 1970 Crick establece el dogma central de la biología molecular según el cual el flujo de información genética sigue los pasos del ADN al ARN y de este a las proteínas. Como consecuencia la definición actual es un gen es el conjunto de secuencias de ADN de todo tipo, estructurales y reguladoras, necesarias para codificar un producto genético, sea este un ARN maduro de cualquier tipo o una proteína funcional.
1.1.3
Replicación DEL ADN EN Células PROCARIOTAS:
la replicación del ADN es ordenada y secuencial, es decir, se inicia en puntos fijos y el crecimiento de las nuevas hebras de ADN se produce de manera simultanea al desenrrollamiento de la doble hélice original.
FASE DE Iniciación:
es el desenrollamiento y la apertura de la doble hélice. La replicación se inicia en una secuencia concreta de nucleotidos denominada origen de replicación, que actúa como señal de inicio. El proceso se inicia con una enzima denominada helicasa que rompe los puentes de hidrógeno entre las dos cadenas complementarias y las separa para que sirvan de molde para las síntesis de las nuevas cadenas. La cadena se superenrrolla por lo que intervienen las topoisomerasas para eliminar las tensiones generadas. A las hebras recién separadas se les une unas proteínas llamadas estabilizadoras o SSB, que tienen como función mantener la separación de las hebras, impidiendo que vuelvan a unirse. Se inicia así la formación de la horquilla de replicación.
FASE DE Elongación:
en esta fase se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre cada hebra de la doble hélice original. Ademas de las enzimas que actúan en la iniciación, intervienen las ADN polimerasas, que son enzimas que catalizan la unión de nucleotidos en sentido 5′-3′, utilizando una cadena molde que recorren en sentido 3′-5′. Primero interviene la primasa que sintetiza un corto fragmento de ARN de unos 10 ribonucleotidos, denominado cebador. Interviene después la ADN polimerasa III, que partiendo del cebador comienza a sintetizar en sentido 5′-3′ una hebra de ADN a partir de desoxirribonucleosidos trifosfatos. La ARN polimerasa sintetiza un fragmento corto de ADN a partir de este cebador llamado fragmento de Okazaki. Posteriormente actúa la ADN polimerasa I que hidroliza los segmentos de ARN cebador y rellena los huecos con nucleotidos de ADN. Finalmente interviene la ADN ligasa que une los diferentes fragmentos.
FASE DE Terminación:
las dos horquillas de replicación van avanzando en sentidos opuestos hasta llegar a un punto de la molécula de ADN denominado Ter, situado en el extremo contrario al origen de replicación.
1.1.4.DIFERENCIAS EN EL PROCESO DE Replicación ENTRE EUCARIOTAS Y PROCARIOTAS
El ADN de las células eucariotas esta asociado a histonas constituyendo los nucleosomas, de manera que antes de la replicación, el ADN se disocia de las histonas y después estas deben reasociarse. -Como la longitud del ADN de un cromosoma eucariótico es mucho mayor que el ADN bacteriano y el proceso es bastante mas lento, por lo tanto, en cada ADN de un cromosoma no hay un solo origen de replicación, sino múltiples. -El ADN eucariótico también se replica vía fragmento de Okazaki. -Las ADN polimerasas son mas complejos. -La velocidad de replicación en cada replicón es menor en las eucariotas que en las procariotas. -Los cromosomas eucarioticos son lineales, lo que supone un problema para la replicación de los extremos o telomeros. El ARN cbeador del extremo 5′ de la hebra retardada no puede ser reemplazado por ADN, al no existir un cebador. En consecuencia, en cada ronda de replicación, los cromosomas son acortados en los extremos, en una longitud equivalente a la de los ARN cebadores.
1.1.5.LA Expresión DE LOS GENES:
transcurre en dos etapas sucesivas:la transcripción de la información genética y la traducción.
1.1.5.1.Transcripción:
es la primera etapa necesaria para la expresión de la información genética. En este proceso se sintetiza ARN que tiene una secuencia complementaria a un fragmento de una de las cadenas de ADN. Mediante este proceso se sintetizan los tres tipos de ARN: ARNm, que es enviado a los ribosomas con el objeto de de codificar la secuencia de aminoácidos de una proteína; ARNt, que son pequeñas moléculas de ARN, cada una con una especificidad de unión a un aminoacidoconcreto, se encargan de transportar los aminoácidos a los ribosomas y los ARNr de tres tamaños distintos, que se unen a un conjunto de proteínas especificas para formar los ribosomas. La transcripción esta catalizada por enzimas llamadas ARN-polimerasas, que polimerizan ribonucleotidos de adenina, citosina, guanina y uracilo, en un orden determinado por la secuencia de la cadena molde de ADN. La cadena molde se denomina cadena antisentido y su cadena complementaria se denomina cadena con sentido.
Transcripción EN PROCARIOTAS:
-Iniciación:
para iniciar la transcripción la ARN-polimerasa se une al factor sigma que participa reconociendo las secuencias promotoras en el ADN. Una vez fijada la ARN-polimerasa, se desenrrollan y separan las dos hebras de ADN en un pequeño segmento esencial para la exposición de las bases nitrogenadas a la ARN-polimerasa. A continuación comienza la actividad sintetizadora en sentido 5′-3′.
Elongación
La ARNpolimerasa se desplaza osbre la hebra molde de ADN, conforme va adicionando nucleotidos al extremo 3′ del ARN formado, al tiempo que sigue separándose la doble hélice de ADN por delante del lugar donde se produce la polimerización.
Terminación:
la elongación de la cadena de ARN prosigue hasta que se encuentra una secuencia en el ADN patrón que especifica terminación de la síntesis de ARN.
Transcripción EN EUCARIOTAS: Iniciación:
las ARN polimerasas necesitan que previamente interaccionen los factores generales de transcripción con determinadas secuencias del promotor. Una vez que están unidos los factores de transcripción al promotor, las ARN polimerasa II puede interaccionar con el promotor e iniciar la síntesis de ARN.
Elongación:
el proceso de síntesis continua en sentido 5′-3′. Al cabo de 30 nucleotidos transcritos se añade al extremo 5′ la caperuza.
Terminación:
se produce la terminación como consecuencia de la detención de la ARN polimerasa y de la desestabilización del hibrido ARN/ADN. El resultado es la separación de los componentes del complejo de transcripción.
1.1.5.2. Maduración DEL ARN:
se llama transcrito primario o precursor de ARN a la molécula de ARN que resulta directamente del proceso de transcripción. Existen transcritos primarios para los tres tipos de ARN en eucariotas y para ARNt y ARNr en procariotas. Los transcritos primarios no pueden desempeñar su función sino que han de convertirse antes en ARN maduro mediante el procesamiento postranscripcional, que consiste en una serie de modificaciones químicas.
Modificación DEL EXTREMO 5′:
comienza a modificarse poco después de iniciada la transcripción. Se trata de una modificación que condeuce a la incorporación de un nucleótido protector en posición 5′ terminal del ARN.
Modificación DEL EXTREMO 3′:
deriva de la escisión de la molécula de pre-ARNm en una posición anterior de su extremo 3′.
Eliminación DE INTRONES Y EMPALME DE EXONES:
los intrones son grandes segmentos internos transcritos del gen que desaparecen durante la maduración y las regiones que flanquean a los intrones y que se conservan en el ARN maduro son exones.
1.1.5.3: EL Código Genético:
describe como las proteínas son codificadas por una secuencia de ARNm que contiene solo cuatro nucleotidos diferentes. Los tripletes en el ADN reciben el nombre de codogenos y sus complementarios en el ARNm se les conoce como codones.
Características:
el código esta organizado en tripletes o codones(cada tres nucleotidos determinan un aminoácido). Es altamente especifico pues cada triplete codifica un solo aminoácido. El código genético es degenerado ya que los aminoácidos están codificados por mas de un aminoácido. El código no es solapado debido a que un nucleótido solamente forma parte de un triplete y por consiguiente no forma parte de varios tripletes. La lectura del mismo se lleva a cabo sin interrupciones de tres en tres bases. El código genético es universal los mismo tripletes codifican los mismo aminoácidos en todos los seres vivos.
1.1.5.4. Traducción:
requiere que los ARNt actúen como adaptadores entre la información del ARNm y la secuencia de aminoácidos de la proteína correspondiente.
Activación de los aminoácidos:
es la fase previa a la traducción. Tiene lugar en el citosol y es critica, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt especifica, gracias a la acción de la enzima aminoacil-ARNt sintetasa especifica de cada uno de los veinte aminoácidos. El proceso de unión del aminoácido con su ARNt necesita energía que es aportada por el ATP que se hidroliza a AMP y dos grupos fosfato. Síntesis de proteínas:
1. Iniciación:
los componentes que se requieren para iniciar el ptroceso de traducción se reúnen para formar el complejo de iniciación que esta formado por un ribosoma unido al ARNm y al aminoacil-ARNt iniciador. El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. A continuación lo hace el aminoacil ARNt iniciador que se acopla a través de de su anticodón al codón iniciador del ARNm mediante puentes de H entre las bases complementarias de ambos. La estructura del ribosoma posee lugares de unión denominados A, P y E.
2. Elongación:
al centro A llega el segundo aminoacil ARNt. Una vez anclados los dos aminoacil ARNt, uno al centro P y otro al A, se produce la unión entre los dos aminoaciodos mediante un enlace peptídico entre el grupo carboxilo del aminoácido iniciador y el grupo amino del segundo aminoácido. Esta unión esta catalizada por la enzima peptidil transferasa. A continuación se produce la translocacion ribosomal, es decir, el ribosoma se traslada sobre el ARNm en dirección al extremo 3′.
3. Terminación:
el final de la síntesis viene determinado por los tripletes sin sentido. Cuando el ribosoma llega aun triplete sin sentido es reconocido por los factores de liberación, los cuales provocan un cambio en la actividad de la peptidil-transeferasa.
1.2. ALTERACIONES DE LA Información Genética. 1.2.1. CONCEPTO DE Mutación Y TIPOS: las mutaciones son alteraciones o cambios en el material genético. En los organismos unicelulares las son siempre hereditarias. En los pluricelulares con reproducción sexual solo son hereditarias las que afectan a las células germinales. Según los efectos pueden ser: Inocuas: no producen ni beneficio ni perjuicio apreciable. Beneficiosas: producen alguna ventaja o beneficio. Perjudiciales: provocan algún perjuicio que pueden ser patológicas, teratologicas o letales. Según la extensión del material genético afectado pueden ser: mutaciones génicas: alteraciones en la secuencia de nucleotidos de un gen.
Mutaciones cromosomicas: alteracioens en la estructura de los cromosomas. Mutaciones genómicas: alterael numero de cromosomos propios de una especie. MUTACIONES Génicas O PUNTUALES: -mutaciones por sustitución de una base por otra distinta: hay dos tipos: transiciones(base purica por otra purica) y transversiones (base purica por pirimidinica o viceversa). -Mutaciones por perdida o inserción de nucleotidos: estas mutaciones se denominan deleciones o adiciones, respectivamente. Son mas graves que las anteriores ya que a partir del punto de deleción todos los tripletes de las bases estarán cambiados y el mensaje codificado sera totalmente distinto. MUTACIONES CROMOSOMICAS: -Deleción: es la perdida de un fragmento del cromosoma y de algunos genes. Si la parte del cromosoma perdido es la del segmento terminal del mismo se denomina deficiencia. Si el fragmento perdido contiene muchos genes la deleción puede tener consecuencias patológicas o incluso letales. En la especie humana por una deleción en el cromosoma 5 se produce el síndrome cri du chat. -Duplicación: es la repetición de un segmento de un cromosoma por lo que existe un exceso de los genes correspondientes. -Inversión: es el cambio de sentido de un fragmento en el cromosoma. Si el fragmento invertido incluye el centromero se denomina pericentrica y si no paracentrica. -Translocacion: es el cambio de posición de un segmento de cromosoma a otro lugar del mismo cromosoma. Cuando se produce por intercambio de segmentos entre dos cromosomas no homólogos se denomina translocacion reciproca. Si el segmento pasa a situarse en otro cromosoma se denomina transposición. MUTACIONES Genómicas: -Euploidias: se trata de una alteración en el numero de juegos cromosomicos. Se denomina juego cromosómico al conjunto formado por un cromosoma de cada tipo, por lo que los individuos diploides normales tienen en sus células somáticos dos de ellos. Las euploidias se dividen en: -Monoploidias: unicamente existe un juego cromosómico completo, es decir, presenta una sola dotación cromosomica. -Poliploidias: consiste en la existencia de mas de dos juegos cromosomicos. Las poliploidias pueden ser triploidias, tetraploidias etc. Estas mutaciones ocasionan un aumento de tamaño celular, que puede ir acompañado por un aumento de tamaño corporal. -Aneuploidias: son alteraciones en el numero normal de cromosomas por falta o sobra de uno ovarios cromosomas. Las mas frecuentes son: Monosomias (falta un cromosoma de una determinada pareja. -Trisomía (un cromosoma se encuentra triplicado). Tetrasomias (existen cuatro ejemplares de un cromosoma determinado). 1.2.2 Agentes mutagenicos: AGENTES MUTAGENICOS Físicos -Radiaciones no ionizantes: son fundamentalmente las radiaciones ultravioletas del sol que provocan el paso de electrones a niveles energéticos mas altos y esto facorece la formación de enlaces covalentes entre dos pirimidinas contiguas, que forman dimeros de timina o citosina. -Radiaciones ionizantes: son las radiaciones de longitud de onda inferior a los rayos ultravioletas y por tanto muy energéticas. -Fluctuaciones térmicas: las subidas intensas y rápidas de temperatura pueden provocar mutaciones depurinizacines y desaminaciones: -Despurinizacion: perdida de bases puricas por rotura del enlace entre la base y la desoxirribosa. Desaminacion: se produce la transformación del grupo amino de una base nitrogenada en grupo ceto, lo cual provoca la conversión de la citosina en uracilo y de la adenina en hipoxantina. AGENTES MUTAGENICOS Químicos: -Modificación de las bases nitrogenadas: como desaminacion, hidroxilacion y alquilación que provocan emparejamientos erróneos. -Sustitución de una base por otra análoga: los análogos de bases nitrogenadas provocan emparejamientos erróneos durante la replicación. -Intercalación de moléculas: introducción de ciertas moléculas en la cadena polinucleotidica de ADN. AGENTES MUTAGENICOS Biológicos: destaca entre ellos ciertos virus que pueden producir cambios en la expresión de lagunos genes. Los transposones que son segmentos móviles de ADN que pueden cambiar de posición. 1.2.3 CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES: cualquier mutación constituye en principio un perjuicio para el individuo que las sufre. Sin embargo, para la especie en conjunto puede suponer un beneficio a largo plazo, en tanto que es la fuente de variabilidad que se introduce en su patrimonio genético. 1.2.3.1. Consecuencias evolutivas y aparición de especies: la evolución biológica es el proceso de transformación de unas especies en otras, gracias a la acumulación de pequeñas variaciones del material genético que se han ido sucediendo generación tras generación. Los cambios producidos en el material genético constituyen el motor de la evolución de especies. Las mutaciones génicas permiten la
aparición degenes nuevos. Las mutaciones cromosomicas poseen también un gran interés en los procesos evolutivos. Por ejemplo parece demostrado que la duplicación y posterior mutación de fragmentos cromosomicos han hecho posible la aparición de diversas cadenas polipeptidicas en la hemoglobina humana y de primates a partir de una única globina ancestral. Las mutaciones genómicas contribuyen fundamentalmente a la evolución de especies vegetales. 1.2.3.2. Efectos perjudiciales:mutaciones y cáncer. Puede ocurrir que en una célula se desencadene una división rápida sin control lo que da lugar a una masa de células llamada tumor, que es benigno si las células tienden a crecer lenteamente y se mantienen juntas. Sin embargo, cuando lo hacen de manera rápida e invaden órganos próximos se designa maligno. La aparición de un cáncer es consecuencia de mutaciones que afectan a tres tipos principales de genes: -Protooncogenes: son genes normales presentes en todas las células. Codificas proteínas qu eiducen la división celular. -Genes supresores de tumores: codifican proteínas que detienen la división celular en respuesta a determinadas señales del organismo. -Genes reparadores del AADN: son genes que codifican proteínas y enzimas responsables de la identificación y de la corrección de los errores producidos durante la replicación del ADN.