El documento resume los principales descubrimientos en genética molecular. Explica que el ADN fue identificado como el material hereditario y describe los procesos de replicación, transcripción y traducción que transmiten la información genética. También define el concepto de gen a nivel molecular y explica el código genético que dirige la síntesis de proteínas.

1. TEMA 17
GENÉTICA MOLECULAR

2. 1.- EL ADN COMO MATERIAL HEREDITARIO
El DNA fue aislado y estudiado por primera vez por el suizo
Friedrich Miescher en 1869.
Hacia 1890, el químico alemán Albrecht Kossel, hidrolizó el ácido
nucleico, descubriendo la existencia de hidratos de carbono y de
unos compuestos o bases nitrogenadas a las que dio los nombres
de "adenina", "guanina", "citosina" y "timina".
En 1911, el bioquímico estadounidense de origen ruso, Theodore
Leven, demostró que los hidratos de carbono eran pentosas
Poco después, el británico Alexander R. Todd sintetizó
nucleótidos en situaciones controladas
1928 F. Griffith, trabajando con dos cepas de neumococos, una de
envoltura lisa y otra de envoltura rugosa obtuvo la primera
evidencia de que el ADN era el material hereditario

3. Cuando Griffith mezclaba
bacterias rugosas vivas
con bacterias lisas
muertas y esta mezcla se
inyectaba en ratones, de
éstos se obtenían bacterias
lisas vivas, lo cual sólo se
podía explicar si algo de
las lisas muertas había
pasado a las rugosas vivas
y las había transformado.
La cuestión era averiguar
la naturaleza de ese
"algo".

4. No sería hasta 1944 cuando Avery,
McLeod y McCarthy repitieron los
experimentos de Griffith y demostraron
que el "Principio transformante" que
convertía a las bacterias rugosas en lisas
era, precisamente, el DNA,
descubrimiento que marcó un hito
importante en la historia de la Genética.
.
.
Otro experimento que apoya al
ADN lo realizan Hersey y Chase
en 1952 usando virus
bacteriófagos marcados con un
isótopo de fósforo (32P), que es
un elemento del ADN y con un
isótopo de azufre (35S),
elemento de las proteínas

5. 2.- CONCEPTO MOLECULAR DE GEN
Los estadounidenses, George W.
Beadle y Edward L. Tatum,
trabajando con hongos
filamentosos, como Neurospora y
Penicillium, descubrieron que los
genes dirigían la formación de las
enzimas a través de los polipéptidos
que las constituyen, de tal forma
que cada polipéptido está producido
por un gen específico

6. Este descubrimiento fue el origen de la hipótesis
UN GEN = UNA ENZIMA.
Posteriormente , puesto que no todas las proteínas son enzimas y
que algunas proteínas están formadas por más de una cadena
polipeptídica, la hipótesis se transformó en UN GEN=UNA
CADENA POLIPEPTÍDICA
Un GEN se define como la unidad mínima de información genética
En procariotas prácticamente todo el ADN se emplea como
información para la síntesis de proteínas, y el gen codificador se
compone de una secuencia continua de nucleótidos
En eucariotas:- Existe un exceso de ADN, sólo el 10% se emplea
para codificar proteínas

7. - Casi la mitad del ADN es altamente repetitivo ( parece estar
relacionado con la estabilidad de la estructura de los cromosomas
- Es frecuente que un gen esté constituido por varios fragmentos
de DNA separados por secuencias sin sentido que no codifican
ninguna proteína. A las partes con sentido que sirven para fabricar
la proteína se les llama EXONES, y a las partes sin sentido
intercaladas en el gen INTRONES, que deben ser eliminados tras
la transcripción.

8. 3.- LA TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN: EL DOGMA
CENTRAL DE LA BIOLOGÍA
Los problemas que se plantearon, una vez conocida la estructura
del ADN, fueron: ¿cómo se transmite la información de una a la
siguiente generación celular? y ¿cómo el ADN puede dirigir la
construcción y el funcionamiento de un ser vivo?
La respuesta constituye lo que hoy se llama el dogma central de la
biología. El ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división
celular mediante un proceso de replicación además, transmite su
información a una molécula de ARNm por el proceso de
transcripcióny el ARNm lo transmite a una secuencia de
aminoácidos de una proteína en el proceso denominado traducción
Este "dogma" se ha completado con dos nuevos procesos como son
la transcripción inversa y la autorreplicación del ARN ambos
encontrados en ciertos grupos de virus que tienen como material
genético ARN y no ADN.

9. 4.- LA REPLICACIÓN DEL ADN
El primer proceso necesario para la transmisión de la información
genética es su duplicación, es decir, la realización de una copia que
pueda ser transportada por los gametos hasta la fecundación y luego
pueda ser utilizada por el nuevo individuo.
La REPLICACIÓN es el proceso por el cual el DNA se copia para
poder ser transmitido a nuevos individuos. Ocurre en la fase S
de la interfase

10. Con el modelo de la doble hélice de Watson y Crick se
desarrolló la idea de que las hebras originales debían servir
de patrón para hacer la copia, aunque en principio había tres
posibles modelos de replicación:
•Modelo conservativo: Proponía que tras la replicación se
mantenía la molécula original de DNA intacta, obteniéndose
una molécula idéntica de DNA completamente nueva, es decir,
con las dos hebras nuevas.
•Modelo semiconservativo: Se obtienen dos moléculas de
DNA hijas, formadas ambas por una hebra original y una hebra
nueva.
•Modelo dispersivo: El resultado final son dos moléculas
nuevas formadas por hebras en las que se mezclan fragmentos
originales con fragmentos nuevos. Todo ello mezclado al azar,
es decir, no se conservan hebras originales ni se fabrican hebras
nuevas, sino que aparecen ambas mezcladas.

11. Meselson y Stahl demostraron en 1958 que el modelo válido era el
semiconservativo. Para ello utilizaron nucleótidos marcados con
nitrógeno pesado.
Aunque existen pequeñas variaciones entre procariotas y eucariotas,
el mecanismo básico es bastante similar:

13. Aunque existen pequeñas variaciones entre procariotas y
eucariotas, el mecanismo básico es bastante similar
1.- Inicio de la replicación: Comienza en ciertas zonas del ADN
donde existen determinadas secuencias de nucleótidos (ORIGEN
DE REPLICACIÓN).
En primer lugar interviene
una enzima helicasa que
separa las dos hebras del
ADN al romper los puentes
de hidrógeno entre bases
complementarias
Cuando la doble hélice se rompe se produce un
desenrollamiento en esa zona que crea unas tensiones. La
acción de enzimas como las girasas y las topoisomerasas
evitan esas tensiones
Las proteínas SSB se unen a las hebras molde e impiden que
se vuelvan a enrollar

14. En el lugar origen de la replicación se ha formado una burbuja de
replicación en el que hay zonas con forma de Y denomindas
horquillas de replicación, donde se van a sintetizar las nuevas
hebras en ambos sentidos por ello decimos que la replicación es
bidireccional
2.- Formación de las nuevas
hebras:El proceso se lleva a cabo
mediente la enzima ADN polimerasa
III que presenta las siguientes
características:
a) Necesita una hebra molde de ADN
que recorre en sentido 3’-->5’
b) Une los nucleótidos en sentido
5’-->3’

15. c) Utiliza nucleótidos trifosfato, los cuales proporcionan al
mismo tiempo la energía necesaria para la unión
d) No puede comenzar la síntesis por misma, pues sólo puede
añadir nucleótidos sobre el extremo 3’ libre de una cadena
polinucleótida. Por este motivo es necesario que exista una
cadena corta de ARN, denominada ARN cebador o primer. Este
primer es sintetizado por la enzima primasa que utiliza ADN
como molde para sintetizar ARN

16. Dado que el ADN polimerasa recorre la hebra molde en sentido
3’-->5’ la síntesis de un de las hebras es continua y se le denomina
hebra conductora o líder. Sin embargo en la otra cadena
( antiparalela) ; el ADN no puede unir los nucleótidos en ese
sentido.
La síntesis en este caso es discontinua y se realiza en fragmentos
separados; esta cadena se le denomina hebra retardada y a los
segmentos se les denomina fragmentos de Okazaki.Cada
fragmento requiere de un ARN cebador

17. La enzima ADN polimerasa I elimina después los ARN
cebadores de ambas cadenas ( actividad exonucleasa) y ella
misma se encarga de rellenar el hueco dejado
Posteriormente tras la eliminación de los ARN cebadores, los
fragmentos se unen entre sí gracias a la acción de enzimas
ligasas

18. 3.- Corrección de errores:
Participan varias enzimas: Endonucleasas que detectan los errores
y cortan la cadena anómala; Exonucleasas que eliminan el
fragmento incorrecto; ADN polimerasas que sintetizan la parte del
segmento eliminado( ADN polimerasa I ; que tb tiene una
actividad de exonucleasa); ADN ligasas que une el nuevo
segmento al resto de la cadena
Las diferencias entre el proceso en procariotas y en eucariotas son:
a) Como el ADN de eucariotas está asociado con histonas; al
replicarse éstas deben sintetizarse. Se ha comprobado que las
histonas viejas se mantienen en la hebra conductora; mientras que
las nuevas se unen a la hebra retardada
b) El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en eucariotas
que en procariotas

19. c) Existen tres ADN polimerasas en procariotas y cinco en
eucariotas
d) La replicación en procariotas tiene un único origen ( oriC)
mientras que en eucariotas existen múltiples. Cada unidad de
replicación se denomina replicón
e) La velocidad de replicación en cada replicón es menor en
eucariotas que en procariotas
El proceso de replicación del ADN se va completando hasta
llegar al telómero. Cuando se elimina el último ARN cebador, la
hebra retardada quedará incompleta ya que el ADN polimerasa
no podrá rellenar el hueco por no tener un extremo 3´ libre
Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada
vez que la célula se divide , fenómeno que se asocia con el
envejecimiento y muerte celular

20. 5.- TRANSCRIPCIÓN
La transcripción del DNA es un mecanismo fundamental para el
control celular y para la expresión de la información genética.
Este mecanismo permite que la información del DNA llegue al
resto de orgánulos celulares y salga del núcleo en el caso de los
eucariotas. Para ello esa información debe copiarse en forma de
ARN.
La TRANSCRIPCIÓN es el proceso de copia de un gen o
fragmento de ADN utilizando ribonucléotidos y originándose
diferentes tipos de ARN

21. Ocurre en el núcleo en eucariotas y en el citoplasma en procariotas.
Para realizarlo se necesita:
a) un cadena de ADN que actue como molde. La otra no se
transcribe ( hebra informativa)
b) ARN polimerasas; en procariotas sólo interviene 1 mientras en
eucariotas intervienen 3: ARN polimerasa I (formación de ARNr) ;
II ( formación de ARNm) y III (ARNt y ARNr)
c) Ribonucleótidos trifosfato
El mecanismo de transcripción
consta de tres etapas: iniciación,
elongación y terminación tras
ellas viene una etapa de
maduración

22. 1.- INICIACIÓN
En procariotas la ARN polimerasa se une a un cofactor σ ; cambia
de conformación lo que permite su unión a una región del ADN
llamada promotor, la cual posee una secuencia TATAAT ó
TTGACA.
Una vez fijada la ARN polimerasa el
cofactor se libera y se produce el
desenrollamiento de la doble hélice
En eucariotas para el ARNm la ARN
polimerasa II se une a una zona del ADN
llamada promotor (posee secuencias
CAAT y TATA); pero no necesita
cofactor

23. 2.- ELONGACIÓN
En procariotas la ARN
polimerasa recorre la hebra de
ADN hacia su extremo 5´
sintetizando una hebra de
ARNm en dirección 5´-3´
En eucariotas . Al poco ( 30
ribonucleótidos )se añade una
caperuza (metil-guanosín
trifosfato) al extremo 5´

24. 3.- TERMINACIÓN
En procariotas presenta dos variantes. En una interviene un
cofactor "p" y en otra no interviene dicho cofactor. El proceso
finaliza al llegar a una secuencia palindrómica rica en G y C (zona
llamada operador) y que da lugar a un bucle que favorece la
separación del ADN . El ADN vuelve a su forma normal y el
ARNm queda libre.
En eucariotas la señal de terminación
parece que está relacionado con la
secuencia TTATTT. Ahora interviene un
poli-A polimerasa que añade una cola de
poli-A al pre-ARNm (ARNhn)., que
parece que interviene en los procesos de
maduración y transporte

25. 4.- MADURACIÓN
En procariotas si lo que se forma es un ARNm no hay maduración,
pero si se trata de un ARNt o ARNr hay procesos de corte y
empalme.
En eucariotas se produce en el núcleo y la hace un enzima
llamada RNPpn ( ribonucleoproteína pequeña nuclear) , El
proceso se denomina splicing y comienza cuando las secuencias
intrónicas forman unos bucles y se eliminan los intrones
formados.
Posteriormente las ARN ligasas
empalman los exones (E) y
forman el ARNm.
Un mismo gen puede madurar de
diferentes maneras dependiendo
de cómo se eliminen los intrones
El ARN t también se produce en
el núcleo; mientras que el ARNr
se produce en el nucleolo

27. Los retrovirus son virus ARN, envueltos, que atacan a células
eucariotas. Contienen transcriptasa inversa . Este enzima actúa
por un mecanismo inverso a la transcripción normal, pues usando
como molde al ARN viral genera ADN bicatenario,

28. 6.- CODIGO GENÉTICO
Uno de los grandes misterios, una vez descubierto el ARNm, era
comprender cómo la información del ADN se transformaba en una
secuencia de aminoácidos en un polipéptido. Surge la necesidad de un
código genético a modo de diccionario que establezca la relación
entre la información del ARNm (sobre la base de 4 nucleótidos con
bases diferentes) y el lenguaje de las proteínas (escrito con 20
aminoácidos distintos).
Después de muchos estudios (1955
Severo Ochoa y Grumberg; 1961
M.Nirenberg y H. Mattaei) se comprobó
que a cada aminoácido la corresponden
tres bases nitrogenadas o tripletes (61
tripletes codifican aminoácidos y tres
tripletes carecen de sentido e indican
terminación de mensaje).

29. El código genético presenta las
siguientes características:
Es universal, pues lo utilizan
casi todos los seres vivos
conocidos. Solo existen algunas
excepciones en unos pocos
tripletes en bacterias, protozoos
y mitocondrias
Está degenerado, pues hay
varios tripletes para un mismo
aminoácido, es decir hay
codones sinónimos.
.No presenta imperfecciones,no es ambiguo, pues cada triplete
tiene su propio significado y sólo uno Todos los tripletes tienen
sentido, bien codifican un aminoácido o bien indican
terminación de lectura.

30. Carece de solapamiento,es decir los tripletes no comparten bases
nitrogenadas; no existen espacios ni comas.. Es unidireccional,
pues los tripletes se leen de manera continua en el sentido 5´-3
desde el codón de iniciación al de terminación
7.- TRADUCCIÓN.
La TRADUCCIÓN es el proceso de síntesis de proteínas llevado a
cabo en los ribosomas, a partir de la información aportada por el
RNA mensajero que es, a su vez, una copia de un gen.
Las proteínas de los seres vivos se fabrican en los RIBOSOMAS,
orgánulos celulares que se encuentran en el citoplasma de los
procariotas y en eucariotas, asociados al retículo endoplasmático.
Elementos que intervienen en la traducción
•RNA-m, RNA-t.
•Ribosomas.
•Aminoacil RNA-t sintetasa, translocasas, peptidasas.

31. •GTP, factores de iniciación y terminación.
•Aminoácidos.
En el proceso de traducción intervienen de forma fundamental los
tres tipos más frecuentes de ARN:
•RNA-mensajero (RNA-m): es el encargado de transportar la
información genética desde el núcleo hasta los ribosomas con
el fin de que pueda ser expresada en forma de proteínas.
•RNA-ribosómico (RNA-r): forma parte esencial de las dos
subunidades que constituyen los ribosomas.
•RNA-transferente (RNA-t): juega un papel fundamental
transportando a los aminoácidos hasta los ribosomas en el
orden correcto en que deben unirse para formar una proteína
determinada, según la información genética.

32. Los RNA-t son cadenas
cortas de ribonucleótidos
arrolladas en el espacio de
tal forma que se produce
apareamiento entre bases
complementarias que
quedan próximas. Se
origina así una
configuración espacial en
forma de "hoja de trébol",
con cuatro brazos o bucles
de RNA no apareado que
cumplen diferentes
funciones:
BRAZO ACEPTOR, formado por los extremos 3' y 5' de la cadena
que se encuentran próximos. En el extremo 3’ es donde se unirá el
aminoácido que debe ser transportado hasta el ribosoma.

33. •BRAZO AMINOACIL RNA-t SINTETASA o TFIC, que
interacciona con la enzima que va a unir al RNA-t con su
aminoácido específico.
•BRAZO ANTICODÓN: Es el más importante porque
gracias a él el RNA-t se une a un aminoácido específico,
según la secuencia de cada codón del RNA-m. El
anticodón es una secuencia de tres bases complementaria
de un codón o triplete de bases de un RNA-m. Según
cual sea el codón, entrará al proceso de traducción un
RNA-t u otro diferente. Es frecuente que la tercera base
del anticodón sea una base rara (pseudouridina, metil
guanosina, dihidrouridina, etc.)
El mecanismo de la traducción es muy semejante en eucariotas y
procariotas. Antes de comenzar los aminoácidos deben estar
activados

34. Activación de aminoácidos: Cada RNA-t busca a su aminoácido
específico según el triplete de su anticodón y se une a él por la
acción de una enzima específica llamada aminoacil RNA-t
sintetasa, que une al aminoácido con su RNA-t en el brazo aceptor,
gastándose una molécula de ATP. De este modo, un gran número de
transferentes se encuentran unidos a su aminoácido antes de
iniciarse la traducción. La unión se realiza entre el grupo carboxilo
del aminoácido y el grupo OH del extremo 3’ del ARNt
1.-Iniciación. En eucariotas comienza por el triplete iniciador del
ARNm (AUG), que está próximo a la caperuza 5'. Este triplete va
precedido de la secuencia AGGAGG (secuencia de Shine-
Dalgarno ) que es la zona de unión con el ribosoma.
Se forma el complejo de iniciación con los factores de iniciación
(FI) y la energía suministrada por el GTP, la subunidad menor del
ribosoma reconoce la caperuza y se une al ARNm en la zona
próxima al triplete o codón iniciador.

35. Esta caperuza aporta el ARNt iniciador que a su vez aporta el
aminoácido metionina. Este ARNt contiene un triplete
complementario al AUG, es decir el UAC, llamado anticodón (la
proteína sintetizada contiene en su extremo el aminoácido metionina)
Una vez encajado el
ARNt-metionina, se
liberan los FI y dejan paso
a la subunidad mayor del
ribosoma, formandose así
el ribosoma completo y
funcional. En él hay dos
sitios claves:
.- Sitio P (sitio peptidil) ocupado por el ARNt-metionina
- Sitio A (sitio aminoacil) que está libre para recibir un segundo ARNt
(sólo el que su anticodón coincida con el del codón del ARNm) cargado
con un nuevo aminoácido

36. En procariotas los factores de iniciación son diferentes y el primer
aminoácido no es la metionina sino la formil-metionina
2.- Elongación de la cadena peptídica: es un proceso catalizado
por el enzima peptidil transferasa, el cual, mediante enlaces
peptídicos va uniendo aminoácidos a la cadena peptídica. El nuevo
aminoácido entra en el sitio A. Se produce el enlace peptídico. A
continuación se produce la liberación del ARNt y la translocación
del ribosoma , es decir el desplazamiento del ribosoma a lo largo
del ARNm en sentido 5’-->3’ y el nuevo peptidil ARNt pasa al
lugar P y así sucesivamente

37. 3.- Terminación de la cadena peptídica: ocurre cuando aparece
uno de los codones de terminación ( UAA,UAG,UGA ). En este
momento un factor proteico de terminación (RF) se une al codón
de terminación e impide que algún ARNt con otro aminoácido
(ARNt-aminoacil) se aloje en el sitio A. En este momento se
produce la hidrólisis de la cadena peptídica y se separan las dos
subunidades del ribosoma.

39. A medida que se van sintetizando las proteínas adquieren la
estructura secundaria y terciaria que les corresponde
Tanto en procariotas como en eucariotas, si el ARNm que se tiene
que traducir es lo suficientemente largo , puede ser leído por más
de un ribosoma a la vez, formando un polirribosoma o polisoma
En procariotas, al no haber división entre núcleo y citoplasma, la
traducción es simultanea a la transcripción: el ARNm comienza a
traducirse antes que termine la transcripción
•En eucariotas: se almacenan generalmente en el lumen del RER.
Luego maduración en Golgi.