¡Bienvenidos a una nueva entrada! En el post de hoy trataré los aspectos más relevantes del ADN, la genética y la biotecnología. Te adelanto que será muy interesante pero un tanto extenso. Así que estate atento.
Para que un ser vivo no se extinga, tiene que reproducirse, y para ello necesitan duplicar el material genético del progenitor. Durante una época, coexistieron tres hipótesis que explicaban el modelo de replicación del ADN: la hipótesis conservativa, la dispersiva y la semiconservativa. Esta última, fue propuesta por Watson y Crick y, posteriormente demostrada por Meselson y Stahl mediante un experimento con bacterias E. Coli. Gracias a ellos, sabemos que la replicación del ADN es semiconservativa, ya que la doble hebra original se abre y actúa de molde para las síntesis de la complementaria, dando lugar a dos nuevas moléculas de ADN cada una portadora de una hebra original y otra de nueva síntesis.
LA REPLICACIÓN EN PROCARIOTAS:
La replicación en las células procariotas tienen lugar en varias etapas: iniciación, elongación y corrección de errores.
Iniciación: en esta etapa se produce el desenrollamiento y la apertura de la doble hélice en el punto oriC. En cada una de las etapas encontramos diferentes enzimas que son importantes para que se produzca el proceso. En la iniciación intervienen las helicasas, que facilitan la apertura de la doble hélice, rompiendo los puentes de hidrógeno entre bases nitrogenadas. También, actúan las girasas y topoisomerasas, que eliminan las tensiones generadas en el desenrollamiento. Por último, actúan las proteínas SSB que se unen a las hebras molde para que no vuelvan a enrollarse.
Elongación: aquí tiene lugar la síntesis de dos nuevas hebras de ADN. En esta etapa interviene la ADN-polimerasa para sintetizar las nuevas hebras en sentido 5’-3’, ya que la lectura se hace en sentido 3’-5’. Además, esta enzima puede actuar como exonucleasa o polimerasa. También, intervendrá la ADN-polimerasa III, leyendo la cadena en dirección 3’-5’, y la ADN ligasa, uniendo los diferentes fragmentos.
Corrección de errores: durante la replicación se producen errores, entonces la ADN-polimerasa I actúa con función exonucleasa eliminando los nucleótidos mal apareados.
LA REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS.
La replicación en eucariotas tiene una serie de diferencias con la replicación en procariotas:
Se crean burbujas de replicación de manera simultánea en varios puntos, ya que las moléculas de ADN son muy largas.
Hay cinco tipos de ADN polimerasas.
Los cromosomas se encuentran asociados a histonas, que también se duplican.
Al eliminar el último cebador, es necesario un extremo hidroxilo 3’ libre donde iniciar un nuevo fragmento.
Los fragmentos de Okazaki son más pequeños.
La información que está en la secuencia de nucleótidos del ADN podría generar proteínas, pero el ADN está en el núcleo y las proteínas se sintetizan en los ribosomas, los cuales están en el citoplasma, por lo que el ARNm nos ayudará a resolver este problema ya que será el intermediario. Este es el proceso conocido como transcripción o síntesis de la ARN.
TRANSCRIPCIÓN O SÍNTESIS DEL ARN.
Para que se de la transcripción se necesita cumplir una serie de requisitos previos, que son:
Que haya una cadena de ADN que actúe como molde.
Enzimas: el proceso está catalizado por las ARN-polimerasas.
Ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.
Este proceso también se encuentra dividido en una serie de etapas: iniciación, elongación y terminación.
Iniciación: la ARN-polimerasa II reconoce una señal de inicio y se une a un cofactor que permite su unión a una región del ADN llamada promotor, la cual posee una secuencia TATA o CAAT. Todo el conjunto se denomina complejo de iniciación de la transcripción.
Elongación: la ARN polimerasa recorre la hebra de ADN hacia su extremo 5’ sintetizando una hebra de ARNm en dirección 5’-3’, al ir añadiendo ribonucleótidos.
Terminación: la ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final, el ADN vuelve a su forma normal y el ARNm queda libre. En procariotas, la señal determinación es una secuencia de bases palindrómicas, formadas por guanina y citosina seguidas de timina, que origina un ARN en bucle. En las eucariotas, una enzima corta el fragmento ARN que lleva la información para sintetizar la proteína. La señal de corte es AAUAA, al final se añade en el extremo 3’ la cola poli-A.
MADURACIÓN: si lo que se forma es un ARNm no hay maduración, pero si se trata de un ARNt o ARNr hay procesos de corte de intrones y empalme de exones.
Una vez que el ADN está duplicado y transcrito en ARN, la información se traduce en el citoplasma, ya que en él se realizará la síntesis de proteínas.
TRADUCCIÓN O EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO.
Para que tenga lugar el proceso de traducción o síntesis de proteínas se necesitan:
Ribosomas: donde se realiza la síntesis proteica.
Aminoácidos: son los componentes de las proteínas.
ARN ribosómico: forma parte esencial del ribosoma.
ARN transferente: aporta los aminoácidos en el orden preciso.
Enzimas y energía: necesarias en toda reacción de biosíntesis.
Factores proteicos y nucleótidos trifosfato.
ARNm: lleva la información para sintetizar cada proteína, desde el citosol hasta ribosomas.
Antes de comenzar con el proceso en sí, cabe destacar que en el ribosoma se distinguen 3 lugares diferentes de unión a los ARN de transferencia:
Centro A (aminoacil): donde entran los aa que se van a unir a la cadena proteica.
Centro P (peptidil): donde se sitúa la cadena polipeptídica en formación.
Centro E (centro de salida): donde se sitúa el ARNt antes de salir del ribosoma.
Ahora sí, la traducción implica descodificar un mensaje del ARNm y utilizar su información para construir un polipéptido o cadena de aminoácidos. En un ARNm, las instrucciones para construir un polipéptido vienen en grupos de tres nucleótidos que son denominados codones.
En la traducción, los cordones de un ARN mensajero se leen en orden 5’-3’ mediante moléculas llamadas ARN de transferencia o ARNt.
Primero, es necesaria la activación de los aminoácidos que consiste en la unión de un aminoácido con el ARNt correspondiente. Además, interviene la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, que da lugar a un complejo denominado aminoacil-ARNt. Esta reacción requiere energía, que es aportada por la molécula de ATP: Aminoácido + ATP + Enzima + ARNt → Aminoacil-ARNt + Ppi + AMP + Enzima.
El proceso de traducción está dividido en tres etapas: iniciación de la cadena proteica, elongación y terminación.
Iniciación de la cadena proteica: la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se une a un codón iniciador, AUG. Entra en el sitio P un aminoácido-ARNt, que lleva unido un aminoácido f-Met en bacterias y metionina en eucariotas. La subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el primer aminoacil-ARNt forman el complejo de iniciación. Al que después, se une la subunidad grande del ribosoma y forman el complejo ribosomal o complejo activo.
Elongación: es el alargamiento de la cadena proteica, el segundo ARNt entra y ocupa el sitio A y se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio A y P. Este proceso está catalizado por la enzima peptidil-transferasa. También, se produce la translocación, ya que el primer ARNt abandona el ribosoma y el segundo se mueve ocupando el sitio P y dejando libre el A.
Terminación: se inicia cuando llega al ribosoma en un lugar del ARNm un codón de terminación (UAA, UAG, AGA) y entra en el sitio A. Estos son reconocidos por factores de liberación que interfieren con la enzima que normalmente forman los enlaces peptídicos, hacen que agregue una molécula de agua al último aminoácido de la cadena y esta reacción separa la cadena del ARNt y la proteína que se acaba de formar se libera.
TEORÍA “UN GEN, UNA ENZIMA”.
Esta hipótesis establece que un gen codifica una sola enzima. Sir Archibald Garrod fue el primero en sugerir que los genes tenían relación con las enzimas. Posteriormente, Beadle y Tatum confirmaron su hipótesis con estudios genéticos y bioquímicos del moho del pan Neurospora.
CÓDIGO GENÉTICO
El código genético es el conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético se traduce en proteínas en las células vivas. El código define la relación (colinealidad) entre la secuencia de tres nucleótidos, llamados codones, y los aminoácidos.
Existen 64 tripletes posibles, de los cuales:
Varios codifican un mismo aminoácido.
Algunos, como UAA, UAG y UGA, no codifican ningún aminoácido, sino que marcan el final del proceso de traducción.
El triplete AUG actúa como señal de inicio para el comienzo de la traducción, y si el proceso ha comenzado, codifica la metionina.
Algunos aminoácidos están codificados por varios tripletes distintos que difieren en un solo nucleótido, esta situación se denomina degeneración del código genético.
Algunas características del código genético son: universalidad, disposición lineal, codones sin sentido, de paro o stop y el código está degenerado.
HIPÓTESIS DEL OPERÓN.
Todas las células de un organismo pluricelular, excepto los gametos, poseen la misma información genética. Pero no todos los genes se encuentran activos durante el ciclo celular.
Así que, uno de los modelos de regulación de la expresión génica mejor conocidos en procariotas es el modelo del operón.
Un operón se compone de los siguientes elementos:
Promotor (p): 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
Operador (o): secuencia de nucleótidos situada entre el promotor y los genes estructurales. Lugar donde se fija el represor.
Genes estructurales: codifican la síntesis de proteínas implicadas en un mismo proceso metabólico.
ARNm resultante lleva la información para varias proteínas: ARNm policistrónico.
Gen regulador (r): situado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano.
Codifica la proteína que actúa de represor y que controla los genes estructurales.
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.
INGENIERÍA GENÉTICA.
La ingeniería genética es una rama de la biotecnología que consiste en el uso de diversas técnicas para manipular el ADN de los organismos, mediante la transferencia de ADN de unos organismos a otros.
Las técnicas utilizadas en ingeniería genética son las siguientes:
Enzimas o endonucleasas de restricción, que son un grupo de varias enzimas propias de diversas especies de bacterias cuya función es destruir los ADN víricos que puedan entrar en estos organismos, para lo cual realizan cortes en el ADN extraño obteniendo secuencias reducidas de ADN, que son palindrómicas.
Vectores de clonación, que son los medios biológicos que se emplean para introducir material genético en una célula. En células bacterianas se emplean los plásmidos, los fagos y los cósmidos).
Tecnología del ADN complementario.
Vectores de clonación para eucariotas: uno de los vectores más empleados es la bacteria Agrobacterium tumefaciens.
Reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que se emplea para conseguir una gran cantidad de ADN a partir de cantidades minúsculas. Para ello, se utilizan unos oligonucleótidos que se han de diseñar como cebadores que inician la replicación "in vitro".
Además, la ingeniería genética tiene numerosas aplicaciones como, por ejemplo:
Terapia de enfermedades humanas.
Terapia génica, que consiste en introducir genes en el organismo para corregir alguna enfermedad de origen genético.
Producción agrícola, con el objetivo de aumentar la productividad y mejorar los productos.
Producción animal: no se ha aprobado el empleo de ningún animal transgénico para consumo humano, se ha llevado a cabo en peces porque tienen fecundación externa lo que permite la introducción de genes en el cigoto y consiguiendo así peces que crecen más rápido.
Clonación: la hay en plantas, animales, terapéutica, de células madre embrionarias y adultas o de anticuerpos monoclonales.
PROYECTO GENOMA HUMANO.
En la década de 1980, y gracias a los avances de la ingeniería genética, científicos de todo el mundo decidieron secuenciar el genoma humano. Tras años de controversia sobre la viabilidad del proyecto, en 1988, el Congreso de los Estados Unidos autorizó el dinero para su financiación, y puso al frente del mismo a Watson. Más tarde, en 1990, se creó un consorcio público (Organización del Genoma Humano, HUGO) con la colaboración de distintos países, con el fin de desarrollarlo. Había nacido el Proyecto Genoma Humano (PGH).
Los objetivos que tienen son situar genes y marcadores moleculares en mapas genéticos, caracterizar y localizar ADN clonado y secuenciar fragmentos de ADN, y obtener secuencia genómica.
No obstante, la ingeniería genética posee diversos riesgos. En el marco ético tiene una serie de límites por motivos ecológicos y de sanidad, éticos y morales, sociales y políticos. Aún así, se aplica para la detección de enfermedades genéticas, determinación de una predisposición a contraer alguna enfermedad, facilitar la determinación de paternidades, desarrollar alternativas para el tratamiento de enfermedades, determinar el efecto de medicamentos...
MUTACIONES.
Las mutaciones son alteraciones del material genético que se pueden clasificar según las células a las que afecte, la extensión del material genético, atendiendo a su efecto o por su origen.
Según el tipo de células:
Mutaciones somáticas: afectan a las células somáticas. No se transmiten a la descendencia. Si la mutación tiene lugar en una célula que sobreviviese, sí se transmitirá a la descendencia. Puede ser una causa de cáncer.
Mutaciones germinales: afectan a las células germinales. Se transmite a la descendencia.
Según la extensión de material genético afectado:
Mutaciones génicas: Alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen.
Mutaciones cromosómicas: alteraciones en la secuencia de genes de un cromosoma.
Mutaciones genómicas: alteraciones en el número de cromosomas.
Según el origen:
Causas naturales: aparecen espontáneamente.
Causas inducidas: aparecen por la exposición a determinados agentes físicos o químicos (agentes mutagénicos) Ej: radiaciones, sustancias químicas…
Según las consecuencias:
Perjudiciales.
Neutras.
Beneficiosas.
Por otro lado, el cáncer se produce cuando un grupo de células no responde a los controles de purificación y diferenciación celular y se reproduce aceleradamente. El conjunto de células resultante, daña los tejidos y emigra a otros órganos, dando lugar al proceso denominado metástasis.
Las células cancerosas tienen las siguientes características:
Proliferación rápida e incontrolada.
Metástasis.
Cambios en la estructura del citoesqueleto.
Reduce la adhesión con otras células.
Secretan enzimas que invaden tejidos vecinos.
Proteínas de membrana diferentes.
En cuanto a sus causas, sabemos que dentro del genoma existen genes encargados del control de la proliferación y muerte de células. Estos genes codifican información para diversos tipos de proteínas, desde receptores de factores de crecimiento a proteínas que controlan el ciclo celular, o factores de transcripción que regulan la expresión de otros genes. La alteración de estos mecanismos de control es la responsable de que una célula prolifere desordenadamente y se transforme en célula cancerosa.
Atendiendo a todo esto podemos concluir en los siguientes conceptos:
Protooncogenes: son genes normales implicados en el crecimiento y diferenciación celular. Si experimentan un pequeño cambio (mutación) producido por los agentes cancerígenos, pasan a convertirse en oncogenes.
Antioncogenes: genes normales que inhiben la proliferación descontrolada de las células.
Oncogenes: son versiones alteradas (mutadas) de los protooncogenes o de los antioncogenes, cuya presencia en una célula le confiere características neoplásicas o cancerosas. Pueden actuar por tres vías: adquisición de genes alterados, pérdida de antioncogenes o por bloqueo de la apoptosis.
Además, de tener causas genéticas, el cáncer también puede ser ocasionado por virus oncogénicos. Estos virus poseen uno o más genes, que también llamamos oncogenes, que son capaces de inducir la transformación de células normales en cancerosas. Un ejemplo es el sarcoma de Rous de los pollos.
Finalmente, el cáncer puede ser producido por sustancias químicas o por radiaciones. Son agentes cancerígenos que se supone producen la transformación de los protooncogenes y/o antioncogenes en oncogenes. Son agentes mutágenos que aumentan la mutabilidad de los genes, como por ejemplo, el hollín, las radiaciones o el tabaco.
A continuación, podréis ver unos esquemas sobre el dogma central de la biología molecular y las mutaciones. También, he hecho algunos problemas de genética que os adjunto.
Espero que os haya parecido interesante y ¡nos vemos en el próximo blog!
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