Replicación del ADN

La replicación es el proceso de duplicación del ADN mediante el cual se obtienen dos copias idénticas. Su finalidad es duplicar el material genético antes de la división celular, lo que permite su reparto equitativo entre las dos células hijas resultantes. Por ello, su importancia biológica radica en ser un proceso fundamental para la vida, al garantizar la conservación y transmisión del material genético. Es un proceso semiconservativo y bidireccional que se produce en la fase S de la interfase.

• Se realiza en dirección 5′ → 3′.
• La enzima principal es la ADN polimerasa.
• Se localiza en el núcleo, mitocondrias y cloroplastos.

Etapas de la Replicación del ADN

• Iniciación: Desenrollamiento y apertura de la doble hélice. La topoisomerasa elimina las tensiones y superenrollamientos producidos. Las proteínas SSB mantienen las hebras molde separadas.
• Elongación: Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN. Se forman los fragmentos de Okazaki.
• Terminación:
  • En procariotas, termina cuando las horquillas llegan a un punto del cromosoma llamado Ter.
  • En eucariotas, como la hebra retardada queda incompleta, la enzima telomerasa permite completar el proceso y evitar la pérdida de información.

Componentes Clave de la Replicación

Los cuatro componentes esenciales de la replicación son:

• El ADN molde.
• Los cebadores (también denominados primers).
• Los fragmentos de Okazaki.
• Las ADN polimerasas.

Enzimas y sus Funciones en la Replicación

• Helicasa: Permite el avance de las horquillas de replicación, desenrollando el ADN (rompiendo los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases nitrogenadas).
• Primasa: Sintetiza cebadores de ARN complementarios a la cadena de ADN.
• ADN polimerasa III: Extiende los cebadores, agregando nucleótidos sobre el extremo 3′, para sintetizar la mayor parte del ADN nuevo. Alarga una nueva cadena de nucleótidos a partir del extremo 3’ OH.
• ADN polimerasa I: Elimina los cebadores de ARN y los sustituye por ADN.
• La actividad polimerásica rellena el hueco dejado por el cebador.
• La actividad exonucleásica tiene función correctora.

Modelos de Replicación del ADN

Existen tres modelos alternativos propuestos para la replicación del ADN:

• Hipótesis semiconservativa: Formulada por Watson y Crick. En una doble hélice, cada hebra servirá de molde y, mediante la complementariedad de bases, se formará una hebra copia de cada hebra molde, quedando al final dos dobles hélices formadas por una hebra antigua (molde) y una hebra nueva (copia). En 1957, experimentos realizados por Meselson y Stahl confirmaron esta hipótesis.
• Hipótesis conservativa: Tras la duplicación, quedan dos hebras antiguas y dos hebras nuevas formando una doble hélice.
• Hipótesis dispersiva: Se propone que las hebras están formadas por fragmentos distintos de ADN antiguo y ADN recién sintetizado.

Maduración del ARNm

Las etapas de maduración del ARNm incluyen:

• Identificación de exones (información genética útil para la síntesis de proteínas) e intrones (información no útil para la síntesis).
• Actuación de los espliceosomas para extraer los intrones mediante un apareamiento con los extremos.
• Unión de los exones mediante ligasas.
• Adición de una cola de poli-A en el extremo 3′.

Dogma Central de la Biología Molecular

Francis Crick propuso el dogma central de la biología molecular (1958), que esquematiza el flujo de información genética entre el núcleo y los ribosomas del citosol. El producto final es la creación de proteínas, proceso que recibe el nombre de síntesis de proteínas. Este consiste en dos procesos: transcripción y traducción.

• La transcripción ocurre en el núcleo. Utiliza el ADN como modelo para crear una molécula de ARN.
• El ARN luego sale del núcleo y va a un ribosoma en el citoplasma, donde ocurre la traducción. La traducción lee el código genético en el ARNm y crea una proteína.

El dogma central de la biología molecular describe el flujo de la información genética en la célula. Lo componen el ADN, el ARN y las proteínas.

Diferencias en la Replicación de Eucariotas y Procariotas

Fragmentos de Okazaki

Un fragmento de Okazaki consiste en un ácido nucleico monocatenario, en su mayor parte ADN pero con un fragmento inicial de ARN (cebador), que se utilizan en la síntesis de la hebra retardada durante la replicación. La primasa genera el cebador de ARN y la ADN polimerasa III usa el 3’-OH del cebador de ARN para comenzar la síntesis de ADN sobre la hebra retardada hasta llegar al siguiente fragmento de Okazaki.

Transcripción

Es el proceso a partir del cual se obtiene o sintetiza ARN mediante la unión de nucleótidos de ARN obtenidos a partir de una secuencia de nucleótidos de ADN complementarios, de una cadena de ADN molde.

• Etapas: Iniciación, elongación y terminación.
• Localización: Núcleo (cloroplastos y mitocondrias).
• Enzima responsable: ARN polimerasa.

Retrotranscripción

Proceso de síntesis de ADN a partir de ARN. La enzima que lo realiza es la transcriptasa inversa (retrotranscriptasa).

Importancia de la ARN Polimerasa

Si debido a una mutación, una célula no tiene actividad ARN polimerasa, no se produciría el proceso de transcripción, ya que es la enzima encargada de sintetizar ARN a partir de ADN.

Exón e Intrón

• Exón: Secuencia de ADN que se transcribe y forma parte del ARNm maduro.
• Intrón: Secuencia de ADN que se transcribe, pero no forma parte del ARNm maduro.

Traducción

Es la síntesis de la secuencia de aminoácidos de una proteína, siguiendo la secuencia de nucleótidos del ARN, basado en el código genético. Ocurre principalmente en los ribosomas del citoplasma. Algunos elementos que participan son los ribosomas, ARNm, ARNt, ARNr y aminoácidos.

Ribosomas

Los ribosomas (70S en procariotas, 80S en eucariotas) constan de dos subunidades, una grande y otra pequeña, de distinto tamaño según su coeficiente de sedimentación. Sus componentes son ARN ribosomales y proteínas.

Codón y Anticodón

• Un codón es un triplete de nucleótidos (bases) del ARNm que especifica un aminoácido.
• Un anticodón es un triplete de bases del ARNt (que se asocia a un aminoácido determinado) complementario del codón en el ARNm.

El reconocimiento codón-anticodón sucede en el sitio A del ribosoma, lo que permite la incorporación de cada aminoácido al polipéptido en síntesis.

Código Genético

El código genético posee varias características fundamentales:

• Es universal porque el mismo triplete de diferentes especies codifica para el mismo aminoácido (a excepción de la mitocondria).
• Es degenerado porque existen más tripletes (64, 61 codificantes sin contar el iniciador y los finalizadores) que aminoácidos (20), por lo que un aminoácido puede ser codificado por más de un codón.
• Tiene una señal de inicio (codón AUG) y una señal de terminación (UAA, UAG, UGA).

Por lo tanto, el proceso se lleva a cabo de tres en tres bases sin espacios vacíos, siendo continuo y sin solapamientos (una base nunca pertenece a dos codones a la vez).

Genes Ligados e Independientes

• Cuando dos genes se encuentran en cromosomas diferentes, se dice que son genes independientes.
• Cuando dos genes se encuentran en un mismo cromosoma, se dice que son genes ligados.

Mutaciones

Una mutación es una alteración o cambio al azar en la información genética (genotipo) o en el material genético de un ser vivo. Pueden ser de origen natural, apareciendo espontáneamente (errores en la replicación, lesiones al azar de ADN, elementos genéticos móviles), o inducidas por agentes físicos (rayos UV, gamma, X…), químicos (gas mostaza, acridina, ácido nitroso…) o biológicos (virus, por ejemplo).

Tipos de Mutaciones Génicas o Puntuales

• Mutaciones por sustitución de bases: Se cambia una base por otra, provocando la alteración de un único triplete del gen. Se pueden clasificar en:
  • Transversión: Cambio de bases de distinto tipo (púrica por pirimidínica o viceversa).
  • Transición: Cambio de bases del mismo tipo (púrica por púrica o pirimidínica por pirimidínica).
• Mutaciones por deleción o inserción de nucleótidos: Provocan un corrimiento de lectura de los tripletes a partir del punto donde ocurre la mutación.

Significado Biológico de las Mutaciones

Las mutaciones son fuente de variabilidad genética, al generar nuevos alelos. Permiten la selección natural (supervivencia), la adaptación y especiación, fundamentales para la evolución.

Mutaciones Cromosómicas Estructurales

• En la deleción, se pierde un fragmento del cromosoma o conjunto de genes (ejemplo: cri du chat).
• En la duplicación, sucede la repetición de un segmento del cromosoma.
• En la inversión, un fragmento del cromosoma cambia de sentido (puede ser pericéntrica si incluye el centrómero o paracéntrica si no lo incluye).
• En la translocación, un fragmento de cromosoma cambia de posición (puede ser recíproca o transposición).

Clasificación de Mutaciones según su Magnitud

• Mutaciones génicas: Se produce la alteración puntual en la secuencia de nucleótidos de un gen concreto (no se observan al microscopio). Ejemplos: transición, inserción o transversión.
• Mutaciones cromosómicas: La alteración se extiende a varios genes de un cromosoma (visibles al microscopio). Ejemplos: deleción, translocación o duplicación.
• Mutaciones genómicas: La alteración se extiende afectando al número de cromosomas. Ejemplos: aneuploidías (nulisomía, monosomía…) y euploidías (poliploidía, haploidía…).

Preguntas y Respuestas sobre Genética Molecular

2.- En relación con la expresión del material genético:

a) Explique la relación entre mutación y evolución (0,5 puntos).

La evolución es el proceso mediante el cual los organismos cambian con el tiempo. Las mutaciones son la fuente primaria de la variabilidad genética, que es necesaria para que haya evolución.

b) En la siguiente secuencia de nucleótidos de una cadena de ADN: 3’TTGACGTAA 5’ introduzca una deleción de una base en posición 5 e indique la secuencia de ADN obtenida. Explique si el péptido obtenido, una vez producida la transcripción y la traducción, sería el mismo o diferente (0,5 puntos).

La secuencia de ADN obtenida sería: 3’ TTGAGTAA 5’. El péptido resultante sería diferente, ya que cambia la pauta de lectura.

c) Copie y complete la siguiente tabla (1 punto).

3. b) Indique dos mecanismos moleculares por los que se puede generar diversidad genética en los seres vivos (0,5 puntos).

b) Mediante las mutaciones y por procesos de recombinación.

4.- En referencia al material hereditario:

a) Si la cadena molde de un fragmento de ADN tiene la secuencia: 3’ TACGACATGCGGATTACG 5’. ¿Cuál es la secuencia y polaridad de la otra cadena de la doble hélice? (0,5 puntos).

La secuencia y polaridad de la otra cadena es: 5’ ATGCTGTACGCCTAATGC 3’.

b) Escriba la secuencia de ARN producto de la transcripción con sus polaridades (0,5 puntos).

La secuencia de ARN producto de la transcripción es: 5’ AUGCUGUACGCCUAAUGC 3’.

c) Indique cuántos aminoácidos se traducirán a partir de la secuencia de ARN transcrita y escriba las secuencias de los anticodones de los ARN transferentes de los mismos y sus polaridades (1 punto).

Teniendo en cuenta que a un aminoácido le corresponde un triplete o codón, se pueden producir 6 aminoácidos. Los anticodones de los ARN transferentes serían:

• 3’-UAC-5’
• 3’-GAC-5’
• 3’-AUG-5’
• 3’-CGG-5’
• 3’-AUU-5’
• 3’-ACG-5’

5.- Con relación a la expresión de la información genética: El esquema adjunto representa un importante proceso celular:

a) Indique todos los pasos que se han producido para obtener el ARN mensajero maduro desde el ADN (1,25 puntos).

Se ha producido la transcripción y el procesamiento del ARN, que incluye: la adición de una caperuza de Guanina (7mG) en 5’; la eliminación de los intrones; la unión de los exones y la adición de una cola de Adeninas (poli-A) en 3’.

b) ¿Está toda la secuencia del ARN copiada de la cadena molde del ADN? Razone la respuesta (0,75 puntos).

La secuencia del ARN mensajero no está copiada íntegramente del ADN, ya que la Guanina en 5’ y las Adeninas en 3’ no son transcritas, sino que se incorporan al ARN durante el procesamiento.

9.- Respecto a la expresión génica en células eucariotas: El siguiente esquema representa la secuencia de ADN bicatenario de un gen que codifica para una proteína en eucariotas:

a) Defina qué es un exón y un intrón (0,5 puntos).

Exón: Secuencia de ADN que se transcribe y forma parte del ARNm maduro. Intrón: Secuencia de ADN que se transcribe, pero no forma parte del ARNm maduro.

b) Indique dos procesos que tienen lugar durante la maduración del ARNm y en qué compartimento celular ocurren (0,75 puntos).

Ocurre la adición de una caperuza (cap) en el extremo 5’. Así como la eliminación de intrones y unión de exones (splicing). La maduración del ARNm ocurre en el núcleo.

c) Si la cadena de ADN codificante es la señalada con el asterisco (*), determine la secuencia de ARNm maduro que se formará e indique su polaridad ¿Cómo se denomina la enzima que sintetiza el ARNm? (0,75 puntos).

La secuencia de ARNm maduro que se formará es: 5’- AUGAGUGAUACUCACCUGUGA – 3’ (puede incluir la caperuza en el extremo 5’ y la cola de poli-A en el extremo 3’). La enzima es la ARN polimerasa.

10.- Respecto a la replicación del ADN de células eucariotas:

a) En la siguiente molécula de ADN bicatenario, la flecha indica la dirección de apertura de la doble hélice. Indique a partir de qué cadena (A) o (B) se sintetizará la hebra conductora y a partir de cuál la hebra retardada. Explique por qué una hebra se sintetiza de forma continua y la otra de forma discontinua (0,75 puntos).

La hebra conductora se sintetizará a partir de la hebra B y la hebra retardada se sintetizará a partir de la hebra A. Hay una hebra continua y otra discontinua ya que la ADN Polimerasa III, encargada de la síntesis de hebras, solo sintetiza estas en sentido 5′ a 3′. De este modo, la hebra que cumple con esto es la hebra continua y, por el contrario, la síntesis de la otra hebra se produce por fragmentos, conocidos como fragmentos de Okazaki.

12.- Con relación a la expresión de la información genética:

a) Copie la tabla en su hoja de examen y complétela considerando los distintos procesos que intervienen en la expresión génica. Tenga en cuenta que el codón para Metionina (Met) es AUG, el codón de terminación es UAG, el codón para Valina (Val) es GUU y el codón para Cisteína (Cys) es UGU (1,25 puntos).

b) Indique los tipos de ARN que participan en la síntesis de proteínas y la función de cada uno de ellos (0,75 puntos).

Los tipos de ARN que participan en la síntesis de proteínas son:

• El ARN mensajero (ARNm), que es el molde a partir del cual va a ser sintetizada la proteína.
• El ARN de transferencia (ARNt), que se encarga de aportar los distintos aminoácidos que formarán la proteína.
• El ARN ribosómico (ARNr), que forma parte, junto con proteínas, de las subunidades ribosómicas.

13.- En relación con la expresión del material hereditario: La siguiente secuencia de nucleótidos corresponde a un fragmento de una hebra de ADN: (3’…AAATCAGCGGCTCCTCTA …. 5’).

a) Escriba la secuencia de nucleótidos y polaridades del ARNm resultado de su transcripción (0,5 puntos).

La secuencia de nucleótidos y polaridades del ARNm es: 5’…UUUAGUCGCCGAGGAGAU…3’. Ya que se sintetiza una cadena antiparalela y complementaria (se cambia la timina por el uracilo porque es ARN).

b) Indique la correspondiente secuencia de aminoácidos que se obtendría de su traducción. ¿Qué significa que el Código Genético es casi universal? (0,5 puntos).

La secuencia de aminoácidos sería, siguiendo la tabla, y según los tripletes:

• UUU: Phe
• AGU: Ser
• CGC: Arg
• CGA: Arg
• GGA: Gly
• GAU: Asp

Que el código genético sea casi universal significa que un triplete de bases nitrogenadas codifica siempre para el mismo aminoácido, sea cual sea la especie, salvo algunas excepciones (mitocondrias de los seres humanos y de otros mamíferos, en ciertos protozoos y ciertas bacterias).

15.- Respecto al ADN y los mecanismos de expresión génica:

a) Copie la siguiente tabla en su hoja de examen y complétela relacionando los siguientes términos con su proceso correspondiente: ARN polimerasa, fragmento de Okazaki, codón de terminación, Helicasa, transcrito primario ARN, Primasa, ARN transferente (ARNt), promotor, ribosoma, 5’-caperuza, ADN polimerasa y anticodón (1,5 puntos).

23. d)

Inversión pericéntrica (del segmento CDEF, que contiene el centrómero): es un cambio estructural que consiste en el cambio de sentido (giro de 180º) de un segmento cromosómico, que incluye el centrómero, con lo cual los genes que contiene invierten su posición (y el cromosoma puede cambiar su morfología).

16.- a) Con relación al proceso de fabricación del pan, indique qué microorganismo interviene en dicho proceso, el tipo de reacción que lleva a cabo, así como el sustrato y los productos generados en la misma (1 punto). b) Cite dos ejemplos de antibióticos obtenidos a partir de microorganismos, uno de origen fúngico y otro de origen bacteriano (0,5 puntos). c) Cite dos ejemplos de hormonas de interés sanitario sintetizadas a nivel industrial por microorganismos modificados genéticamente (0,5 puntos).

a) Para la fabricación de pan se hace una mezcla con harina de trigo, agua y levaduras (Saccharomyces cerevisiae). Se amasa y se deja reposar. La masa crece por la fermentación alcohólica de las levaduras (el sustrato de la fermentación son glúcidos). Las piezas se hornean. El alcohol se evapora durante la cocción, y los espacios de la miga son acúmulos del CO2 que se desprende en el proceso (también se desprende etanol).

b) Antibiótico de origen fúngico: La penicilina producida por el moho Penicillium. Antibiótico de origen bacteriano: estreptomicina derivada de bacterias del género Streptomyces.

c) La insulina y la hormona de crecimiento (hGH). Ambas se sintetizan utilizando la bacteria E. coli.

16.2.- El gráfico adjunto es un esquema de la aplicación de la ingeniería genética a la producción de insulina humana. a) Identifique las estructuras que se indican con los números (1 punto). b) ¿Qué tipo de molécula es la insulina? Señale otras tres sustancias de interés farmacológico que se producen actualmente mediante ingeniería genética (1 punto).

a)

1. Plásmido de E. coli
2. Gen de la insulina humana
3. ADN recombinante (o gen de la insulina humana inserto en el plásmido)
4. Bacteria transformada

b) La insulina es una proteína (hormona). Otras sustancias de interés farmacológico que se producen actualmente mediante ingeniería genética son los antibióticos, vacunas y sueros.

22.- Respecto a las mutaciones del material hereditario: a) Si en un fragmento de ADN que codifica para una proteína se produce un cambio de una base Adenina por una Timina, explique qué tipo de mutación génica se produce (0,5 puntos). b) Explique las posibles consecuencias que tendría la mutación del apartado anterior sobre la proteína codificada por este fragmento de ADN, teniendo en cuenta que el código genético es degenerado (0,5 puntos).

a) Se trata de un cambio de tipo transversión al ser una sustitución de una base púrica (Adenina) por una pirimidínica (Timina).

b) Las posibles consecuencias sobre la proteína codificada son:

• Puede cambiar la secuencia de aminoácidos, si el nuevo codón que se forma codifica para otro aminoácido o para un codón de terminación (mutación sin sentido).
• También puede que no ocurra nada, si la mutación forma un nuevo codón que codifica para el mismo aminoácido (mutación silenciosa), debido a la degeneración del código genético.

23.- En relación con los cambios cromosómicos estructurales: Tenemos un cromosoma con la siguiente estructura:

En la tabla se muestran diferentes alteraciones del cromosoma. Indique en cada caso el tipo de alteración y defínala.

a) Deleción (se ha perdido el segmento FG): es la pérdida de un fragmento cromosómico y, por tanto, de los genes que contiene.

b) Duplicación (del segmento AB): se trata de la repetición de un segmento cromosómico y, por lo tanto, de los genes que contiene.

c) Inversión paracéntrica (del segmento DEFG que no contiene al centrómero): es un cambio estructural que consiste en el cambio de sentido (giro de 180º) de un segmento cromosómico, que no incluye el centrómero. Con lo cual, los genes que contiene invierten su posición.