DUPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN, TRADUCCIÓN. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO.

1. DUPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN, TRADUCCIÓN. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO.

2. El material genético es el ADN, excepto en virus , que puede ser ARN. El material genético debe duplicarse para poder transmitirse a las células hijas, La estructura en doble hélice del ADN, la hace idónea para dar lugar a copias, presenta dos cadenas complementarias entrelazadas, lo que da una gran establilidad y por lado otro bastaría con que una enzima específica las separara , para que cada una de ellas pudiera servir de molde para sintetizar a partir de nucleótidos sueltos y bajo la acción de otra enzima , la hebra complementaria.

3. Dispersiva: cada hebra contendría fragmentos de ADN antiguo y nevo.

12. Enzimas en la duplicación del ADN.: • Helicasa: rompen enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. • Topoisomerasas: impiden el superenrrollamiento • Proteinas SSB: mantienen separadas las cadenas. • ARNpolimerasa (ARNpol): sintetiza el ARN primer (cebador) • ADNpolimerasa III: añade nucleótidos al cebador, según la cadena molde. • ADNpol I, rellena los huecos cuando elimina el cebador. • ADN ligasa, une todos los fragmentos de nucleótidos • Para que las polimerasas actúen necesitan , desoxinucleótidostrifosfato, cebador, la energía la proporcionan los enlaces fosfato de los desoxinucleótidos y Magnesio.

14. A) Iniciación: Consiste, básicamente, en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice. Se inicia en una región del ADN denominada oriC o punto de iniciación. Es una zona donde abundan las secuencias de bases GATC. Durante la iniciación se producen varios acontecimientos: • El punto de iniciación es reconocido por unas proteínas específicas que se unen a él. Las enzimas helicasas rompen los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y la doble hélice se abre como una cremallera. • Cuando la doble hélice se abre se produce desenrollamiento en esa zona, lo que crea en las zonas próximas unas tensiones que podrían provocar un mayor enrollamiento. La acción de otras enzimas, las girasas y las topoisomerasas, evita esas tensiones rompiendo y soldando de nuevo la hélice de ADN en estos puntos. • Las proteínas SSB (del inglés Single StrandBinding-DNA, proteínas de unión a la cadena sencilla) se unen a las hebras molde e impiden que se vuelva a enrollar. Dejan libre la parte de la hebra que lleva las bases, de modo que éstas sean accesibles para otras moléculas.

16. En el lugar de origen de replicación, alrededor de oriC, se ha formado una burbuja de replicación en la que hay dos zonas, con forma de Y, denominadas horquillas de replicación, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos, de ahí que se diga que la replicación es bidireccional.

17. B) Elongación: Es la fase en la que se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre cada hebra de la doble hélice original. Además de las enzimas que actúan en la fase de iniciación, en la elongación intervienen las ADN polimerasas. Hay varios tipos, que se nombran como I, II y III. Su función es doble: • Actividad polimerasa: Unen entre sí los nucleótidos que formarán el ADN. Para ello, recorren la hebra molde, seleccionan el desoxirribonucleótido cuya base es complementaria con la de la hebra molde, y lo unen. Las nuevas cadenas de ADN se sintetizan por unión de desoxirribonucleótidostrifosfatos. La energía para el nuevo enlace se obtiene de la hidrólisis de los dos grupos fosfato del nucleótido entrante. • Actividad exonucleasa: Eliminan nucleótidos, cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como fragmentos de ARN. Las ADN polimerasas no pueden iniciar de cero la síntesis de una nueva cadena de ADN. Necesitan un fragmento de unos 10 nucleótidos de ARN, denominado cebador o primer, con un extremo hidroxilo 3´ libre al que añadir los nuevos nucleótidos. El cebador es sintetizado por una ARN polimerasa denominada primasa. Una vez comenzada la síntesis, la propia cadena de ADN ya sintetizada actúa como cebador. Al descubrir el modo de acción de la ADN polimerasa se encontró un obstáculo que impedía explicar cómo se desarrollaba este proceso. Se observó que la ADN polimerasa recorre las hebras molde en sentido 3´- 5´ y va uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3´ hasta que se forman las hebras replicadas. Sin embargo las dos cadenas de ADN son antiparalelas, cuando se forma la horquilla de replicación la ADN polimerasa sólo puede sintetizar nucleótidos en uno de los dos sentidos. La síntesis de la nueva hebra orientada en sentido 3´- 5´ se realiza sin interrupciones. A esta hebra se la denomina conductora o líder. El mecanismo de síntesis de la hebra orientada en sentido 5´- 3´ (hebra retardada) fue descubierto en 1973 por R. Okazaki. Consiste en una síntesis discontinua de pequeños fragmentos de ADN de unos mil nucleótidos (fragmento de Okazaki). Cada uno de los fragmentos requiere de un cebador de ARN sintetizado por la primasa cada ciertos intervalos. La ADN polimerasa va eliminando el cebador y sustituyéndolo por ADN. Finalmente la ADN ligasa suelda todos los fragmentos obtenidos.

18. 3’ 3’ Una de las hebras se sintetiza de modo contínuo. Es la conductora o lider. 5’ 5’ Fragmentos de Okazaki 3’ 3’ La ADN polimerasa necesita un fragmento de ARN (cebador o primer) con el extremo 3’ libre para iniciar la síntesis. 5’ 5’ La otra hebra se sintetiza de modo discontinuo formándose fragmentos que se unirán más tarde. Es la retardada. El mecanismo de elongación La ADN polimerasa recorre las hebras molde en el sentido 3’-5’ uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3’. 5’ 3’ 5’ 3’ 3’ 5’ 3’

19. 1 2 Cebador Primasas Cebador 3 4 5 6 Hebra retardada Nuevo cebador Ligasas Hebra retardada Nuevo cebador El mecanismo de elongación (II) La primasa sintetiza un cebador en cada hebra de la burbuja de replicación. Las ADN polimerasa comienzan la síntesis de la hebra conductora por el extremo 3’ de cada cebador. La primasa sintetiza un nuevo cebador sobre cada hebra retardada. La ADN polimerasa comienza a sintetizar un fragmento de ADN a partir del nuevo cebador. Cuando la ADN polimerasa llega al cebador de ARN, lo elimina y lo reemplaza por ADN. La ligasa une los fragmentos de ADN.

22. 3’ Telómero 5’ Cebador Último cebador 3’ 5’ La ADN polimerasa polimeriza desde el extremo 3’ libre Eliminación de cebadores 3’ Hebra más corta 5’ Replicación en los eucariontes Es muy parecida a la de los procariontes, salvo en algunas diferencias: La replicación se inicia simultáneamente en Varios puntos del cromosoma llamados replicones. Existen cinco tipos de ADN polimerasas (, , , , y  ). Fragmentos de okazaki de 100-200 nucleótidos. Las histonas se duplican durante la replicación. Junto al ADN formarán el nucleosoma. Los nuevos nucleosomas se incorporan a la hebra retardada y los viejos en la conductora. Cuando se elimina el último cebador, la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco, al no poder sintetizar en dirección 3’ - 5’. 3’ 5’ 5’ 5’ Debido a esto el extremo del cromosoma (telómero) se va acortando cada vez que la célula se divide. Esto se asocia al envejecimiento y muerte celular 5’ 5’

23. ADN polimerasas de eucariotas. ADN polα: replicación ADN , hebra retardada ADN polβ: reparación ADN y unión fragmentos okazaki ADN polγ: replicación ADN mitocondrial ADN polδ: replicación hebra conductora y correcciones ADN polε : reparación ADN

24. En las células madres de los gametos, las células cancerosas o las de los tejidos embrionarios, que se dividen continuamente, existe una enzima, la telomerasa, que impide el acortamiento del telómero. Está formada por una porción proteica y por un ARN que actúa como molde. A partir de este molde, la enzima sintetiza ADN para completar la hebra retardada; la telomerasa es una retrotranscriptasa. Si se inhibe la acción de la telomerasa en la células cancerosas, se acortarían los telomeros y se favorecería el envejecimiento de estas células.

25. MUERTE CELULAR: Existen dos formas de muerte celular: • Necrosis o muerte accidental: Se produce cuando la célula sufre un daño grave; por ejemplo, por falta de oxígeno. Los caracteres morfológicos que acompañan este tipo de muerte implican un hinchamiento de la célula y una intensa y rápida alteración de la estructura normal de la membrana plasmática y de los orgánulos citoplasmáticos, incluido el núcleo. • Apoptosis o muerte celular programada: Se trata de una muerte natural, en el curso de la cual las células se autodestruyen en ejecución de un programa genético en el que están implicadas proteínas de efectos antagónicos. Se caracteriza porque se produce una retracción celular, una condensación de la cromatina y su fragmentación en oligonucleosomas (por activación de endonucleasas), y culmina con la formación de protuberancias en la superficie de la célula. La célula se rompe en muchos fragmentos o cuerpos apoptóticos que son fagocitados por los macrófagos.

26. Globulos rojos LA EXPRESIÓN INMEDIATA DEL MENSAJE GENÉTICO Establecen una relación directa entre la molécula de ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima: “un gen, una enzima”. G. Beadle y E. Tatum No todas las proteínas son enzimas y hay proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas. La hipótesis se transforma: “un gen, una cadena polipeptídica”. Neurospora crassa, moho con el que trabajaron Linus Pauling Descubre, estudiando la anemia falciforme, la relación entre una mutación en el ADN y la pérdida de actividad biológica de una proteína: En la cadena B el sexto aminoácido, que debería ser ácido glutámico, es sustituido por valina. Normales Falciformes

27. Flujo de información genética Entre la información del ADN que se encuentra en el núcleo y la síntesis de proteínas que se realiza en los ribosomas (citoplasma), existe un intermediario: el ARNm ARNt ADN PROTEÍNA ARNm Transcripción Traducción Replicación NÚCLEO RIBOSOMAS Este esquema fue considerado durante muchos años el “dogma central de la biología molecular”.

28. Transcriptasa inversa ARN vírico Envoltura Membrana plasmática de la célula huésped REDEFINICIÓN DEL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Algunos virus poseen ARN replicasa, capaz de obtener copias de su ARN. Otros poseen transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de ARN mediante un proceso de retrotranscripción. ADNc(complementario) ADNcbicatenario Transcriptasa inversa RETROVIRUS Transcriptasa inversa Transcriptasa inversa ADNcmonocatenario Degradación del ARN DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Transcripción ARN ADN PROTEÍNAS Traducción Transcripción inversa Replicación Replicación

30. ARN polimerasa I ARNr • ARN polimerasa II ARNm • ARN polimerasa III ARNt y ARNr Bases Ribosa Ribonucleótido trifosfato Síntesis de ARN: requisitos previos La síntesis de ARN o transcripción necesita: CADENA DE ADN QUE ACTÚE COMO MOLDE En eucariotas ARN -POLIMERAsAS RIBONUCLEÓTIDOS TRIFOSFATO DE A, G, C y U

31. Punto de corte Señal de corte Cadena molde de ADN (transcrita) ARN ARN - polimerasa Cadena inactiva de ADN El proceso de la transcripción 1 INICIACIÓN La ARN-polimerasa reconoce los centros promotores. Luego abre la doble hélice para que los ribonucleótidos se unan a la cadena molde. 3 TERMINACIÓN La ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción. En procariontes son secuencias palindrómicas. 2 ELONGACIÓN La ARN-polimerasa avanza en sentido 3’-5’ y sintetiza el ARN en sentido 5’-3’. .

32. ARN -polimerasa Región a transcribir ADN Punto de inicio Centro promotor Señal de corte (AAUAA) Caperuza ARNm inmaduro Punto de corte Degradación del ARN sobrante Caperuza Poli-A Poli-A polimerasa Esquema general de la transcripción en eucariontes La ARN-polimerasa se une al centro promotor y comienza la transcripción. Final de la transcripción La polimerasa sigue transcribiendo un tiempo y después se para. Procesos pos-transcripcionales ARN mensajero para traducir

34. ARNasa ARNr ARNt Intrón Exón Exón RNPpn Intrón Exón Punto de unión entre exones La maduración del ARN ORGANISMOS PROCARIONTES Transcrito primario Los ARNm no sufren proceso de maduración. Los ARNt y ARNr se forman a partir de un transcrito primario que contiene muchas copias del ARNt y ARNr. ORGANISMOS EUCARIONTES El ARN transcrito primario sufre un proceso llamado splicing mediante el que se eliminan los intrones y se unen los exones. Bucle Bucle

35. En mitocondrias y cloroplastos la transcripción y traducción es simultánea como en procariontes.

36. Preparan 20 tubos con extracto de E. Coli y lo necesario para síntesis de proteínas. Añadieron en cada tubo uno de los 20 aminoácidos marcados radiactivamente. Añaden a cada tubo ARN igual al sintetizado por Severo Ochoa: “poli U” con la polinucléotidofosforilasa. * * * * * Fen - Fen - Fen - Fen - Fen En sólo uno de los tubos se obtuvo un polipéptido que era de fenilalanina. Aceptando que el código genético está formado por tripletes, dedujeron que el UUU codificaba para fenilalanina. Desciframiento del código genético: Experimentos de Nirenberg. Poli U

37. Iniciación AUG Terminación EL CÓDIGO GENÉTICO AUG UAG UAA UGA

38. Met Gli Tre His Ala Fen Ala Met Leu Leu Pro Codones de iniciación Solapamiento Características del código genético UNIVERSAL DEGENERADO Compartido por todos los organismos conocidos incluso los virus. El código ha tenido un solo origen evolutivo. Existen excepciones en las mitocondrias y algunos protozoos. A excepción de la metionina y el triptófano, un aminoácido está codificado por más de un codón. Esto es una ventaja ante las mutaciones. CARECE DE SOLAPAMIENTO Los tripletes se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas Posibilidad de solapamiento

39. En procariotas, transcripción y traducción son simultáneas y en eucariotas la transcripción es en el núcleo y la traducción en el citoplasma.

40. Aminoacil ARNt -sintetasa La unión se realiza en el extremo 3’ del ARNt ACTIVACIÓN DE LOS A.A. PREVIA A LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS + + Aminoácido Ácido aminoaciladenílico + ARNtx Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasas, una para cada aminoácido. Son enzimas muy específicas Aminoácil -ARNtx

43. Promotor (p): Es una secuencia de nucleótidos del ADN a la que se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción de un gen o un conjunto de genes. • Genes estructurales: Aquellos que codifican la síntesis de proteínas implicadas en un mismo proceso metabólico. Se transcriben sin interrupción, de modo que el ARNm resultante lleva la información para varias proteínas y recibe el nombre de ARNmpolicistrónico. • Operador (o): Secuencia de nucleótidos situada entre el promotor y los genes estructurales. • Gen regulador (r): Puede estar situado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano y codifica la proteína que actúa de represor. Cuando la proteína represora se asocia al operador impide físicamente que la ARN-polimerasa se pueda unir al ADN y con ello imposibilita la transcripción. Cuando el represor se separa, la transcripción ya es posible.