ADN unido... ¡Jamás será vencido!

¡Muy buenas, biólogos curiosos!

Y bienvenidos a una larga, pero interesante entrada sobre el ADN como material genético y genética II.

He intentado sintetizar lo máximo posible el contenido en los esquemas, pero aún así, me ha sido imposible poder hablar y explicar todo en únicamente un folio.

En esta entrada, tendréis una introducción de cada apartado y su esquema a continuación. ¡Comencémos!

ADN COMO MATERIAL GENÉTICO

El médico inglés Frederick Griffith realizaba sus experimentos de infección de ratones con los neumococos (bacterias que causan la neumonía en humanos). La incubación de estas bacterias en los ratones causa su muerte en 24h y su patogenicidad se debe a la cápsula de polisacáridos que poseen por fuera de su pared celular. Esta cápsula le otorga a las colonias de neumococos un aspecto brillante o liso, denominado S. Existen mutantes de neumococos que no producen la cápsula de polisacáridos y forman colonias de aspecto rugoso o R.

Estas mutantes no mataban a los ratones, pero si mezclaba a los neumococos R con neumococos S previamente muertos por calor, entonces los ratones se morían. Aún más, en la sangre de estos ratones muertos Griffith encontró neumococos con cápsula (S). Es decir que en las bacterias S muertas existía algo capaz de transformar a las bacterias R en patógenas permanentemente, y lo mismo sucedía al revés.

Tratando el flujo de información genética, podemos decir que las funciones de los genes es el almacenamiento y conservación de la información genética, además de la transmisión, expresión y regulación de los genes.

Crick enunció el dogma central de la biología molecular:

-Descubrió la enzima transcriptasa inversa en algunos virus. Los virus que tienen la información genética en forma de ARN, lo utilizan como molde para la síntesis de ADN.

-No todos los virus con ARN presentan retrotranscriptasa.

Meselson y Stahl probaron la hipótesis de la replicación del ADN. Ellos cultivaron bacterias en un medio 15N. El 15N es un isótopo pesado de nitrógeno, por lo tanto el ADN sintetizado es de densidad pesada. Entonces cambiaron las bacterias al medio 14N. El ADN se aisló diferentes veces que corresponden a los ciclos de replicación 0, 1, y 2. Después, el ADN fue todo de densidad intermedia. Esto descarta el modelo conservador de la replicación.

Este resultado es consistente con el modelo semiconservativo de replicación, que predice que todas las moléculas de ADN consistirán de una cadena 15N de ADN y una cadena 14N de ADN.

Descarta el modelo dispersivo de la replicación, que predice que después del ciclo 1 de replicación, la densidad del todas las moléculas de ADN, gradualmente llegarían a ser más bajas. Por lo tanto, ningún ADN de densidad intermedia intermedio debería permanecer después del ciclo 2. El modelo semiconservativo es correcto.

Surgieron tres hipótesis:

Hipótesis semiconservativa:

Propuesta por Watson y Crick, sostiene que en las dos molé-culas de ADN obtenidas a partir de la antigua, hay una hebra nueva y otra antigua.

Hipótesis conservativa:

Tras la duplicación quedarían, por un lado, las dos hebras antiguas  juntas, y por el otro, las dos nuevas.

Hipótesis dispersiva:

Las nuevas moléculas estarían compuestas por fragmentos de ADN nuevo y fragmentos de ADN antiguo.

Existen 2 tipos de síntesis de ADN:

Síntesis de ADN in vitro

La enzima ADN-polimerasa es capaz de sintetizar ADN in vitro.

Para ello, necesita la presencia de desoxirribonucleótidos-5-trifosfatos, de iones magnesio, y de un ADN en el que una de las hebras actúa como hebra patrón, y un extremo de la otra, que se ha retirado en parte, como cebador. La ADN-polimerasa está constituida por unos 1000 aminoácidos. Permite la síntesis in vitro de ADN a partir de ADN natural. Es incapaz de iniciar una cadena de novo.  .Su papel se limita a añadir nucleótidos al extremo 3’ de una cadena preexistente ; es incapaz de añadirlos al ex-tremo 5’. Por lo tanto, el ADN cebador sólo puede crecer en sentido 3’--5’. La nueva hebra sintetizada es antiparalela y complementaria.

Síntesis de ADN in vivo

Cairns realizó un experimento para observar al duplicación de ADN in vivo .

La confirmación de su teoría trajo diversas dudas.

Las soluciones a estas las resolvió Meiji Okazaki cuando descubrió unos fragmentos a los que llamó fragmentos de Okazaki. Fueron sintetizados por la ARN-polimerasa y continuados por la ADN-polimerasa.

Pierden su porción de ARN que se sustituye por ADN y permanecen unidos entre si contituyendose un filamento de ADN.

Duplicación de ADN en procariotas:

INICIACIÓN : desenrrollamiento y apertura de la doble hélice en el punto ori-c.

Primero: intervienen las helicasas que facilitan en desenrrollamiento

Segundo: actúan las girasas y topoisomerasas que eliminan la tensión generada por la torsión en el desenrrollamiento.

Tercero: actúan las proteínas SSBP que se unen a las hebras molde para que no vuelva a enrollarse.

ELONGACIÓN: síntesis de dos nuevas hebras de ADN.

Actúan las ADN polimerasas para sintetizar las nuevas hebras en sentido 5´-3´, ya que la lectura se hace en el sentido 3´-5´.Intervienen las ADN polimerasa I y III, que se encargan de la replicación y corrección de errores. La que lleva la mayor parte del trabajo es la ADN polimerasa IIIActuá la ADN polimerasa II, corrigiendo daños causados por agentes físicos.

La cadena 3´-5´ es leída por la ADN polimerasa III sin ningún tipo de problemas ( cadena conductora). En cambio, la cadena 5´-3´ no puede ser leída directamente, esto se soluciona leyendo pequeños fragmentos ( fragmentos de Okazaki ) que crecen en el sentido 5´-3´, los cuales se unirán mas tarde. Esta es la hebra retardada, llamada de esta forma porque su síntesis es más lenta.

La ADN polimerasa III es incapaz de iniciar la síntesis por sí sola, para esto necesita un cebador (ARN) que es sintetizado por una ARN polimerasa (=primasa). Este cebador es eliminado posteriormente.

CORRECCIÓN DE ERRORES.

La enzima principal es la ADN polimerasa III, que corrige todos los errores cometidos en la replicación o duplicación. Intervienen otros enzimas como:

Endonucleasas que cortan el segmento erróneo.ADN polimerasas I que rellenan correctamente el hueco.ADN ligasas que unen los extremos corregidos.

Duplicación en eucariotas:

Es similar a la de los procariontes, es decir, semiconservativa y bidireccional. Existe una hebra conductora y una hebra retardada con fragmentos de Okazaki. Se inicia en la burbujas de replicación (puede haber unas 100 a la vez).

Intervienen enzimas similares a los que actúan en las células procariontes y otros enzimas que han de duplicar las histonas que forman parte de los nucleosomas. Los nucleosomas viejos permanecen en la hebra conductor.

La transcripción es el primer paso de la expresión génica, el proceso por el cual la información de un gen se utiliza para generar un producto funcional. El objetivo de la transcripción es producir una copia de ARN de la secuencia de ADN de un gen.

La transcripción de un gen ocurre en tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Aquí veremos brevemente cómo ocurren estas etapas en bacterias.

1) Iniciación.

La ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor, que se encuentra al inicio de un gen. Cada gen (o grupo de genes co-transcritos en bacterias) tiene su propio promotor. Una vez unida, la ARN polimerasa separa las cadenas de ADN para proporcionar el molde de cadena sencilla necesario para la transcripción.

2) Elongación.

Una cadena de ADN, la cadena molde, actúa como plantilla para la ARN polimerasa. Al "leer" este molde, una base a la vez, la polimerasa produce una molécula de ARN a partir de nucleótidos complementarios y forma una cadena que crece de 5' a 3'. El transcrito de ARN tiene la misma información que la cadena de ADN contraria a la molde (codificante) en el gen, pero contiene la base uracilo (U) en lugar de timina (T).

3) Terminación.

Las secuencias llamadas terminadores indican que se ha completado el transcrito de ARN. Una vez transcritas, estas secuencias provocan que el transcrito sea liberado de la ARN polimerasa. A continuación se ejemplifica un mecanismo de terminación en el que ocurre la formación de un tallo-asa en el ARN.

Traducción:

En la iniciación, el ribosoma se ensambla alrededor del ARNm que se leerá y el primer ARNt (que lleva el aminoácido metionina y que corresponde al codón de iniciación AUG). Este conjunto, conocido como complejo de iniciación, se necesita para que comience la traducción.

La elongación es la etapa donde la cadena de aminoácidos se extiende. En la

elongacón, el ARNm se lee un codón a la vez, y el aminoácido que corresponde a cada codón se agrega a la cadena creciente de proteína.

Cada vez que un codón nuevo está expuesto:

Un ARNt correspondiente se une al codón.

La cadena de aminoácidos existente (polipéptido) se une al aminoácido del ARNt mediante una reacción química.

El ARNm se desplaza un codón sobre el ribosoma, lo que exponde un nuevo codón para que se lea. La terminación es la etapa donde la cadena polipeptídica completa es liberada. Comienza cuando un codón de terminación (UAG, UAA o UGA) entra al ribosoma.

Activación de los aminoácidos:

Mediante la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa y de ATP, los aminoácidos pueden unirse ARN específico de transferencia, dando lugar a un aminoacil-ARNt. En este proceso se libera AMP y fosfato y tras él, se libera la enzima, que vuelve a actuar.

Iniciación de la síntesis proteica:

En esta primera etapa de síntesis de proteínas, el ARN se une a la subunidad menor de los ribosomas, a los que se asocia el aminoacil-ARNt. A este grupo, se une la subunidad ribosómica mayor, con lo que se forma el complejo activo o ribosomal.

Elongación:

El complejo ribosomal tiene dos centros o puntos de unión. El centro P o centro peptidil y el centro A. El radical amino del aminoácido inciado y el radical carboxilo anterior se unen mediante un enlace peptídico y se cataliza esta unión mediante la enzima peptidil-transferasa.

De esta forma, el centro P se ocupa por un ARNt carente de aminoácido. Seguidamente se libera el ARNt del ribosoma produciéndose la translocación ribosomal y quedando el dipeptil-ARNt en el centro P.

Al finalizar el tercer codón, el tercer aminoacil-ARNt se sitúa en el centro A.

A continuación se forma el tripéptido A y después el ribosoma procede a su segunda translocación. Este proceso puede repetirse muchas veces y depende del número de aminoácidos que intervienen en la síntesis.

Finalización de la síntesis de proteínas:

En la finalización de la síntesis de proteínas, aparecen los llamados tripletes sin sentido, también conocidos como codones stop. Estos tripletes son tres: UGA, UAG y UAA. No existe ARNt tal que su anticodón sea complementario. Por ello, la síntesis se interrumpe y esto indica que la cadena polipeptídica ha finalizado.

Un operón es una unidad de transcripción regulada coordinadamente en bacterias. El modelo operón fue propuesto por Jacob, Monod basado en sus estudios genéticos y bioquímicos sobre las mutaciones de E. coli que requieren lactosa. Un operón es una unidad del cromosoma bacteriano formado por los siguientes componentes:

1. Un gen regulador.

El gen regulador codifica una proteína reguladora, el represor. El represor lac, codificado por el gen lacI, es la proteína reguladora del operón lac.

2. Un operador.

El operador es la región de DNA en el operón a la que se une la proteína reguladora.

3. Un promotor.

El promotor es la secuencia de DNA en el operón reconocida por la RNA polimerasa dependiente del DNA. El lugar de iniciación para la síntesis del RNA está situado inmediatamente tras el promotor.

4.  Genes estructurales.

El operón contiene uno o más genes que codifican enzimas inducibles. El operón lactosa codifica las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa.

GENÉTICA II

Introducción de genes en el genoma de un individuo que carece de ellos. Se realiza mediante enzimas de restricción, capaces de cortar el ADN en puntos concretos y separar los segmentos que interesa.

Permiten la formación in vitro de ADN recombinante: ADN formado al intercalar un segmento de ADN extraño en en un ADN receptor.

1. Se aísla un gen determinado mediante enzimas de restricción. Este ADN puede provenir de:

* ADN de una célula, cortado mediante enzimas de restricción. Tiene el inconveniente de que el ADN eucariótico tiene intrones, y la bacteria no puede eliminarlos al sintetizar el ARNm.

* ARNm, ya sin intrones. De él se produce una molécula de ADN gracias al enzima transcriptasa inversa. Después se ha de formar ADN de doble hélice, y luego introducirlo en el vector.

2. Se introduce el gen en una célula a partir de un vector; plásmidos, fagos o cósmidos.