BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO UNIDAD 4. GENÉTICA

BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

UNIDAD 4. GENÉTICA

1. GENÉTICA MOLECULAR: DEL ADN A LAS PROTEÍNAS

1.1. CONCEPTO DE GEN Y SU RELACIÓN CON LA CROMATINA Y LOS CROMOSOMAS

Se suele definir gen como fragmento o secuencia de ADN que codifica una proteína o

más concretamente un polipéptido, pues muchas proteínas están formadas por

subunidades polipeptídicas. Se sabe que algunos genes codifican más de un

polipéptido y que una proteína puede ser codificada por varios genes diferentes. Es

más, algunos genes ni siquiera codifican proteínas sino ARN con función propia. Por

ello, actualmente se define gen como una secuencia de nucleótidos que controla una

estructura y/o una función celular.

¿Qué relación hay entre ADN, genes, cromatina y cromosomas? La cromatina

es el conjunto de filamentos o moléculas de ADN, asociado a histonas y

proteínas no histónicas, que se encuentra en el núcleo de las células

eucariotas. Cuando una célula se divide, la cromatina se condensa originando

cromosomas, los cuales contienen los genes que determinan los caracteres

de un individuo. Los cromosomas son estructuras que representan el máximo

grado de empaquetamiento del ADN, y, por tanto, de la cromatina.

El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información

genética y unidad de herencia al transmitir esa información a la

descendencia. Los genes ocupan en el cromosoma una posición determinada

llamada locus. Los genes, contenidos en los cromosomas, pasan de las

células madres a las células hijas por mitosis o meiosis.

Se denomina genoma al conjunto de genes de un individuo o de una especie.

El genoma de las células está formado por ADN y el de los virus puede ser de ADN ó ARN.

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Estructura de los cromosomas (Del ADN a los cromosomas)

En la cromatina el ADN se asocia a histonas (proteínas básicas de

bajo peso molecular que permiten la compactación del ADN) y forma

unos complejos denominados nucleosomas. Cada nucleosoma está

formado por un octámero de histonas (8 moléculas: 2 H2A, 2 H2B, 2

HA3, 2H4) que forman un núcleo central cilíndrico, donde se enrolla una fibra de ADN de 200 pares de bases de longitud, que da dos vueltas alrededor de dicho cilindro. Se podría decir que los nucleosomas son las “unidades estructurales” de la cromatina. El ADN, de 54 pares de bases, que hay entre un octámero y el siguiente se llama ADN espaciador o linker. Cada nucleosoma se ensarta a otro formando una cadena que es la fibra elemental de cromatina o collar de perlas de 10 nm (100 A) de grosor que se convierte en cromatosoma o fibra condensada al asociarse cada nucleosoma con una histona H1. La fibra de cromatina condensada se enrolla sobre sí misma, con 6 nucleosomas por cada vuelta de hélice, y recibe el nombre de solenoide o fibra de 30 nm. Por tanto, 6 cromatosomas forman un solenoide. Esto provoca un acortamiento de unas 5 veces la longitud del “collar de perlas”. Las fibras de 30 nm (solenoides) se pliegan en el núcleo en forma de bucles o asas radiales, que irán haciéndose más complejos hasta llegar a formar los cromosomas. 6 bucles forman un rosetón y 30 rosetones en espiral un rodillo. El cromosoma (grado de condensación máximo) sería una sucesión de rodillos. Finalmente, la compactación a la que se llega es 10.000 veces mayor que la fibra de ADN desnudo.

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1.2. FLUJOS POSIBLES DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA. EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

Sabemos que la información genética que lleva el ADN se manifiesta con la formación de proteínas (muchas de ellas enzimas) que producirán los caracteres del individuo (color del pelo, altura, forma de la nariz,…). En resumen, el flujo de la información genética va desde el ADN al ARN y desde el ARN a las proteínas. Todo este flujo de información se produce gracias a la complementariedad de las bases nitrogenadas que puede generar copias de ADN y trasvase de información al ARN.

La transmisión y expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el "Dogma central de la Biología Molecular", que son: la replicación, la transcripción y la traducción.

▪ REPLICACIÓN: es la duplicación del ADN.

▪ TRANSCRIPCIÓN: síntesis de moléculas de ARN

complementarias del ADN. Es decir, es el paso de

nucleótidos de ADN a nucleótidos de ARN.

▪ TRADUCCIÓN: síntesis de proteínas.

Las excepciones al dogma central de la biología molecular encontradas en virus son:

▪ Replicación de ARN: duplicación del ARN en virus sin ADN gracias a la enzima ARN replicasa. ▪ Transcripción inversa o retrotranscripción: Consiste en la síntesis de ADN a partir de ARN. La realizan los retrovirus gracias a la enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa.

1.3. REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN

La replicación consiste en la síntesis de dos moléculas de ADN idénticas a la original o parental. Su finalidad es duplicar el ADN antes de una división celular (en la fase S de la interfase). Se produce en el núcleo en las células eucariotas y en el citoplasma en procariotas.

Para explicar la replicación se propusieron tres modelos:

▪ Conservativo: Tras la duplicación, quedarían las dos hebras

antiguas juntas y las nuevas por otro lado.

▪ Dispersivo: Las dos cadenas del ADN original se reparten en

fragmentos entre las cadenas formadas en la replicación.

▪ Semiconservativo: cada hebra inicial sirve de molde para que se

forme una nueva. Así en cada réplica se conserva una de las dos cadenas del ADN original y la otra es de nueva formación. Esta hipótesis, sugerida por Watson y Crick, es la que se ha confirmado.

La replicación es semiconservativa porque cada hebra de ADN original sirve de molde para que se forme una nueva. Y es bidireccional pues se produce a partir de un punto inicial u origen en los dos sentidos 5’3’ y 3’5’. Se dice que es un proceso fiel porque las dos moléculas de ADN que se obtienen son idénticas a la original. Esta fidelidad de la replicación es muy importante porque permite que el material hereditario se reparta de manera equitativa entre las células hijas sin errores de copia; si no fuera así, podría dar lugar a mutaciones importantes, como las que provocan la formación de tumores.

REPLICACIÓN DEL ADN EN CÉLULAS PROCARIOTAS

La replicación necesita:

- desoxirribonucleótidos trifosfato de A, T, G, C

- iones Mg2+

- ADN polimerasas (ADN pol)

- otras enzimas

- ribonucleótidos para la síntesis de los cebadores

Consta de las siguientes fases:

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Fase de iniciación: La replicación comienza en un punto concreto de la molécula de ADN, en una secuencia de nucleótidos denominada origen de replicación (OriC). Esta secuencia es distinta según la especie, pero tiene abundante T y A. A partir del origen de replicación, la enzima helicasa rompe los puentes de H que existen entre las hebras complementarias y las separa, de manera que éstas quedan al descubierto y puedan actuar de molde para la formación de las hebras complementarias.

Las enzimas topoisomerasas o girasas eliminan tensiones y superenrollamientos que se producen en el ADN al abrirse la doble hélice cortando las hebras y uniéndolas luego.

Las proteínas SSB mantienen la separación de la doble hélice, impidiendo que las cadenas separadas se vuelvan a unir. Se inicia así la formación de una horquilla de replicación con forma de Y. Como el proceso es bidireccional (una helicasa trabaja en un sentido y otra en el contrario), las dos horquillas de replicación enfrentadas forman la llamada

burbuja de replicación.

Fase de elongación: Para que actúen las enzimas

ADN-polimerasas necesitan un pequeño fragmento de ARN

de 10 nucleótidos (primer o cebador) al que poder unir los

nucleótidos que van a constituir las nuevas cadenas de

ADN. Los primers son sintetizados por una ARN-polimerasa

llamada primasa.

La ADN polimerasa III, partiendo del cebador, añade

nucleótidos complementarios a una hebra de ADN que actúa como molde

sólo en el extremo 3’ a partir de nucleótidos 3P. La energía necesaria para la

síntesis es proporcionada por los propios nucleótidos, que pierden dos

grupos fosfato. Esto hace que una de las hebras hijas tenga una síntesis

continua constituyendo la hélice o hebra adelantada (líder o conductora).

La síntesis de la otra hebra hija es discontinua porque va en sentido 3’-5’ y

se denomina hebra retardada. En la hebra retardada la primasa sintetiza en

distintos puntos cebadores a partir de los cuales la ADN polimerasa III

añade nucleótidos de ADN formándose los llamados fragmentos de

Okazaki, cada uno de los cuales requiere su cebador. Estos fragmentos

están formados por unos nucleótidos de ARN y nucleótidos de ADN.

¿Por qué la síntesis es continua en una de las cadenas y

discontinua en la otra? Porque la dirección de síntesis es 5' 3' (la

ADN polimerasa III añade nucleótidos al primer en el extremo 3’).

Cuando se abre la doble cadena de ADN

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