Genética molecular - IES San Isidro

TEMA 15. GENÉTICA MOLECULAR
1.- El ADN como depositario de la información genética: Experimentos de Griffith (1928)
sobre transformación bacteriana.
En 1928 F. Griffith, trabajó con dos cepas de neumococos productoras de la neumonía humana:
Bacterias no capsuladas formando colonias rugosas R (no virulenta: no mueren los ratones).
Los que presentan un aspecto de superficie áspera (rugosa) R (Rough), eran inofensivos
cuando se inyectaban en ratones. Esto se debe a que la cápsula previene que los
neumococos sean atrapadas por fagocitos y destruidos por células neutrófilas y macrófagos
del cuerpo.
Bacterias capsuladas formando colonias lisas S (virulenta: mueren los ratones). Una
inyección de neumococos del tipo S (Smooth) liso, mata a un ratón en 24 horas. Después
de un cultivo prolongado en un medio artificial, algunas células pierden la capacidad de
formar la cápsula y la superficie de las colonias muestran un aspecto rugoso y áspero R
(Rough).Con la pérdida de esta cápsula, la bacteria también pierde su virulencia.
Griffith observó que si inyectaba a los ratones con neumococos de tipo R (no virulentos) a las 24 horas
seguían vivos mientras que si los inyectaba con neumococos S (virulentos) a las 24 horas los ratones
morían. Entonces decidió calentar los neumococos S (virulentos) para destruirlos y posteriormente
inyectarlos a los ratones, encontrando que los ratones seguían vivos después de 24 horas. Por consiguiente
el calor, destruía el poder infectivo de los neumococos S. Por último, inyectó a los ratones una mezcla de
neumococos R vivos (no virulentos) y de S (virulentos) previamente muertos por calor, encontrando que los
ratones morían a las 24 horas y extrayendo de su sangre neumococos S vivos.
Conclusiones de Griffith: puesto que los neumococos R (no virulentos) nunca mutan a S (virulentos), en el
último experimento se demuestra la existencia de una sustancia presente en los extractos de neumococos S
muertos por calor que es capaz de transformar a los neumocos R vivos en S vivos. Dicha sustancia fue
denominada por Griffith el Principio Transformante y el proceso Transformación bacteriana.
http://www.dnai.org/timeline/index.html En 1920-49 pinchar en Oswald Avery para observar
los experimentos
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Algo de las células muertas S había producido un
cambio permanente en las células de R. El proceso fue
llamado Transformación Bacteriana (intercambio
genético producido cuando una bacteria es capaz de
captar fragmentos de ADN de otra bacteria que se
encuentra disperso en el medio en el que vive)
Por el año 1944 Oswald Avery, MacLeod, y McCarty , sus
colegas en el instituto Rockefeller de New York City
repitieron los experimentos de Griffith y demostraron que
el "Principio transformante" que convertía a las bacterias
rugosas en lisas era el ADN, descubrimiento que marcó un
hito importante en la historia de la Genética.
2.- Concepto molecular de gen. Teorías de "un gen-una cadena polipeptídica" y de "un gen-un
enzima" Beadle y Tatum (1948). A principios de la década de 1940, los estadounidenses, George
W. Beadle y Edward L. Tatum estudiaron las consecuencias de las mutaciones. Comprobaron que
la alteración de un gen suponía una variación fenotípica que consistía en el fallo en el
funcionamiento de un enzima. Propusieron entonces la hipótesis UN GEN = UN ENZIMA. Se
demostró la relación entre la secuencia de nucleótidos y la secuencia de aminoácidos, se aceptó
que el gen podía dividirse en partes más pequeñas. Actualmente, reconocemos que la mínima
unidad de mutación y recombinación es un nucleótido, un par de bases en la doble cadena de
ADN. Por otra parte, muchos enzimas están compuestos por varias cadena polipeptídicas, cada una
determinada por un fragmento de ADN. Además, muchas proteínas no son enzimas y se modificó
la hipótesis para UN CISTRÓN -------- UN POLIPÉPTIDO en la que un cistrón es el equivalente
a un gen.
http://www.dnaftb.org/dnaftb/16/concept/index.html
En 1953, el bioquímico estadounidense James D. Watson y el británico Francis H. C. Crick aunaron sus
conocimientos químicos, utilizaron la información de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins obtenida
mediante difracción de rayos X, así como los trabajos de Chargaff sobre composición química del DNA y
elaboraron una hipótesis sobre la estructura del DNA: la DOBLE HÉLICE.
3.- Características de los genes en organismos procariotas y eucariotas.
1. La cantidad de ADN por célula es la misma para cada célula diploide de cada especie, pero las
variaciones entre las diferentes especies es enorme. Los seres humanos tienen 25 veces más pares
de bases que Drosophila, pero no existe una correlación estrecha entre la complejidad del
organismo y la cantidad de ADN. La mayor cantidad de ADN observada hasta el momento con una
cantidad de 40 veces más de ADN que la especie humana es un pez pulmonado.
2. La unidad funcional del ADN es el GEN (cistrón): segmento de ADN que codifica una cadena
polipeptídica o una proteína.
3. El ADN de las células está compuesto por:
Genes Estructurales: Codifican y se transcriben a cadena polipeptídicas, ARN R y ARN T
Secuencias reguladoras: Son señales de inicio o final del gen y codifican proteínas que controlan
la actividad de los genes estructurales.
http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/animations.htm Síntesis de
proteínas
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GENES DE PROCARIOTAS GENES DE EUCARIOTAS
Casi todo el ADN de procariotas es
codificante: todo el ADN se expresa en forma
de proteínas excepto las secuencias
reguladoras
Cada molécula del ADN bacteriano contiene
una sola copia de cada gen
Los genes de procariotas no tienen
INTRONES
Algunos genes contienen información para
proteínas diferentes (Policistrónicos)
En cada célula eucariota parece haber una gran cantidad de ADN cuyas
funciones son desconocidas. Sólo alrededor del 5-10 % consiste en
ADN codificador de proteínas y el resto del genoma consiste en ADN
no codificador, secuencias repetitivas y secuencias reguladoras.
Casi la mitad del ADN consiste en secuencias de nucleótidos que se
repiten centenas y hasta millones de veces.
Las secuencias de genes que codifican proteínas habitualmente no son
continuas sino que están interrumpidas por secuencias no codificadoras
(INTRONES). Las secuencias codificadoras que se expresan se llaman
(EXONES).
No hay genes Policistrónicos.
4.-LA TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN: EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA
5.- REPLICACIÓN DEL ADN:
Finalidad del proceso e importancia biológica. Etapa del ciclo celular donde tiene lugar
La replicación consiste en la síntesis de una copia de una molécula de ADN; es decir, a partir de una
molécula de ADN se obtendrán dos moléculas idénticas. Este proceso está relacionado con la reproducción
y ocurre en la fase S del ciclo celular. De esta forma, después de que ha tenido lugar la división celular,
cada célula hija posee la misma información genética. Se produce en el núcleo en eucariotas y en el
citoplasma en procariotas
Características del mecanismo de replicación. ADN-polimerasa.
Una vez descubierta la estructura del ADN, se plantearon tres hipótesis para tratar de explicar el mecanismo
de la replicación:
• Conservativa. Según esta hipótesis, las dos cadenas de la doble hélice hija se sintetizan de nuevo a
partir del molde de la parental, que permanece.
• Dispersiva. Según esta hipótesis, las dos cadenas tendrían fragmentos de la cadena antigua y
fragmentos recién sintetizados.
• Semiconservativa. La molécula de ADN se separa en sus dos hebras y cada una de ellas sirve de
molde para la síntesis de su complementaria. De esta forma, las dobles hélices resultantes
contienen una hebra antigua o parental y una de nueva síntesis. La hipótesis semiconservativa es el
modelo de replicación confirmado, tanto en eucariontes como en procariontes. Propuesta por
Watson y Crick.
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La replicación es:
SEMICONSERVATIVA
BIDIRECCIONAL: comienza por los puntos de origen (O) o locus Ori-C y avanza
bidireccionalmente hacia los puntos de terminación, formando “Burbujas de replicación”
ANTIPARALELA: los nucleótidos complementarios son seleccionados y fijados por la
ADN polimerasa
3’ 5’
5´ 3’
SEMIDISCONTINUA:Una hebra de crecimiento continuo (conductora) y otra de
crcimiento discontinuo (retardada)
Las principales moléculas implicadas en la replicación del ADN en los procariontes son:
• ADN polimerasas. Son los enzimas que se encargan de catalizar la formación de enlaces
fosfodiéster entre dos nucleótidos consecutivos. Los nucleótidos complementarios a los de la
cadena que actúa como molde se añaden solamente por el extremo 3´. Se lee la cadena en
dirección 3´ --- 5´ y se forma la nueva en la dirección 5´---3´
Para llevar a cabo la catálisis necesitan un extremo 3'–OH libre necesario para que la ADN- polimerasa
pueda añadir nucleótidos, por lo que requieren un cebador para iniciar la síntesis. Este cebador es un
fragmento de ARN llamado primer o iniciador.
En E. Coli (PROCARIOTAS) se conocen tres polimerasas:
ADN polimerasa I, que presenta también actividad exonucleasa y se encarga de rellenar
espacios polimerizando ADN
ADN polimerasa II, que interviene en la reparación del ADN
ADN polimerasa III, que sintetiza la mayor parte del ADN durante la replicación.
• Helicasas. Separan las dos hebras de la molécula de ADN mediante la rotura de los puentes de
hidrógeno que las mantienen unidas; de este modo, cada hebra puede actuar de molde para la
síntesis de una nueva cadena.
• Topoisomerasas. (Girasa) Son enzimas encargados de desenrollar la doble hélice de ADN a
medida que se va replicando, para permitir la acción del ADN polimerasa.
• Primasa. Es un ARN polimerasa que sintetiza pequeños fragmentos de ARN llamados cebadores o
"primer".
• Proteínas SSB. Son proteínas estabilizadoras de la cadena sencilla. Una vez que actúa la helicasa
se unen a las cadenas sencillas, estabilizándolas mientras se produce la replicación.
• ADN ligasas. Se encargan de unir fragmentos adyacentes de ADN, que se encuentran
correctamente emparejados con la hebra complementaria.
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• ATP y GTP
MECANISMO DE REPLICACIÓN: Inicio de la replicación. Formación de las nuevas
hebras de ADN. Corrección de errores
http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/animations.htm DNA
replication
1. Inicio: Desenrollamiento y apertura de la doble hélice.
La molécula de ADN se desenrolla por acción de los enzimas Girasas. Las helicasas rompen los puentes
de hidrógeno que mantienen unidas las dos cadenas proporcionando la energía el ATP. Estas se separan y
se forma una horquilla de replicación.
Las hebras se mantienen separadas al unirse las Proteínas SSB que las estabilizan.
2. Síntesis de las nuevas hebras.
Simultáneamente a la separación de las dos hebras, se van sintetizando las nuevas hebras complementarias,
por acción de las ADN polimerasas.
El proceso es el siguiente:
• El ARN polimerasa, denominada primasa, sintetiza una pequeña molécula de ARN que actúa de
cebador, ya que el ADN polimerasa III es capaz de alargar la cadena, pero no de iniciar la síntesis.
El cebador aporta un extremo 3´ OH necesario para que la ADN polimerasa III pueda añadir
nucleótidos.
• El ADN polimerasa III, utilizando como cebador ("primer") el fragmento de ARN, va alargando
la cadena. Este enzima solo es capaz de unir nucleótidos en sentido 5’--- 3'. Como las dos cadenas
que forman el ADN son antiparalelas, las dos hebras se sintetizan de manera diferente:
Hebra continua: (a partir del origen de replicación de la cadena molde 3´---5´) se lee
la cadena en dirección 3´---5´ y la hebra hija que se sintetiza a partir de ella lo hace de
forma continua de 5´--3´.
Hebra retardada: (a partir del origen de replicación de la cadena molde 5´---3´ ) se
replica de forma discontinua y de forma retardada mediante la síntesis de pequeños
fragmentos (1 000 nucleótidos) que crecen en dirección 5'---3', llamados fragmentos de
Okazaki.
• A continuación el ADN polimerasa I elimina los fragmentos de ARN que han actuado de
cebadores ( función exonucleasa) y rellena los huecos entre los fragmentos (función polimerasa)
• Por último, el ADN-ligasa une los extremos de los fragmentos, dando lugar a la molécula completa
utilizando la energía del ATP.
3. Corrección de errores.
En E. coli tanto la ADN polimerasa I como la III tienen capacidad para corregir errores en la incorporación
de nucleótidos con bases incorrectamente apareadas. Esto es posible por la actividad exonucleasa 3´-5´de
estos enzimas, que eliminan los nucleótidos mal colocados. La ADN polimerasa I también tienen actividad
exonucleasa 5´-3´, lo que permite la corrección de otros tipos de errores y la eliminación del ARN cebador.
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REPLICACIÓN : PROCESO SEGÚN EL CUAL UNA MOLÉCULA DE ADN DE DOBLE
HÉLICE DA LUGAR A OTRAS DOS MOLÉCULAS DE ADN CON LA MISMA SECUENCIA
DE BASES
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TEMA 15. GENÉTICA MOLECULAR
SÍNTESIS DE LA HEBRA CONTINUA Y DE LA HEBRA DISCONTINUA
http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/PDFs/17Replicacion.pdf
Diferencias entre el proceso replicativo en procariotas y en eucariotas.
Las principales diferencias entre la replicación en procariontes y eucariontes se resumen en la siguiente
tabla:
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PROCARIONTES EUCARIONTES
Existen tres ADN polimerasas I, II y III.
La replicación la realiza fundasmentalmente la
polimerasa III.
Tienen cuatro ADN polimerasas a, d , b y e, además
de la polimerasa g, que replica el ADN mitocondrial.
La polimerasa a replica la hebra retardada, y la d, la
hebra lider.
Presentan cientos de puntos de origen de la
Presentan un único punto de inicio de la replicación
(oriC).
replicación.
No tienen actividad telomerasa, ya que su ADN es Debido a que las cadenas de ADN son lineales,
circular y no presentan problemas en la terminación presentan actividad telomerasa (enzima del extremo
de la síntesis.
de los cromosomas) para poder completar el extremo
de la hebra una vez quitado el cebador.
Fragmentos de Okazaki mayor (1000 a 2000 Fragmentos Okazaki menores (100 a 200
nucleótidos)
nucleótidos)
Velocidad replicación mayor Velocidad replicación menor (hasta 50 veces)
http://www.uc3m.es/uc3m/serv/GA/SEL/examenes.html preguntas selectividad
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TEMA 15. GENÉTICA MOLECULAR
http://www.selectividad.tv/ http://www.selectividad.profesores.net/ Selectividad
4) El dogma central de la biología molecular se puede representar esquemáticamente de la siguiente manera:
ADN ------- ARN------- proteína.
a) Indique las diferencias que existen entre la composición y estructura del ADN y del ARN (1 punto).
b) Indique el nombre de los procesos ADN ----- ARN y ARN ----- proteína e indique en qué parte de la célula
eucariótica se producen (0,5 puntos).
c) Mencione tres tipos distintos de ARN y cite el proceso que permite el paso de ARN a ADN (0,5 puntos)
En el proceso de duplicación del ADN en bacterias (Escherichia coli):
a) Explique el significado de los siguientes términos: replicación semiconservativa y
replicación bidireccional. (0,5 puntos)
b) Explique brevemente el mecanismo de la síntesis de ADN en la cadena retardada.
(1,5 puntos)
La Replicación del ADN es un proceso importante para las células
¿Cuál es la finalidad de la replicación ¿En qué fase del ciclo celular se produce?¿por qué es tan importante que la
replicación se produzca de forma fiel?
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