III) La información celular
3) El gen
3) EL ADN COMO PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA. )QUÉ ES LA GENÉTICA MOLECULAR? Definiremos la Genética como la parte de la Biología que se ocupa del estudio de la herencia biológica, intentando explicar los mecanismos y circunstancias mediante los cuales se rige la transmisión de los caracteres de generación en generación. La genética molecular estudia estos procesos desde un punto de vista químico.
)CUÁL ES LA NATURALEZA DEL MATERIAL GENÉTICO I) LOS EXPERIMENTOS DE GRIFFITH: La bacteria Diplococcus pneumoniae es un pneu-mococo, una bacteria causante de enfermedades. Existen dos cepas, la S (Smooth = lisa), virulenta, y la R (rough = rugosa), no virulenta. Las bacterias S, vivas, producen la muerte en los ratones, pero no la producen si están muertas. Las segundas no son capaces de desarrollar la enfermedad. En 1928 Griffith realizó con estas bacterias las siguientes experiencias:
Experiencia 1: Al inyec-
Experiencia
tar en ratones (2) bac-
inyección
(2)
de
terias del tipo S (viru-
bacterias
R
no
lentas) (1) se produce
virulentas (1) no tenía
la muerte de los ani-
efectos
males
animales
por
neumonía
2:
La
sobre
los
(3).
Un
(3). Un cultivo poste-
cultivo
de tejidos del
rior
animal
después de la
(4)
detectaba
la
presencia de bacterias
inyección no detectaba
S en el animal muerto.
la
presencia
terias
de
bac-
de ninguna de
Experiencia 3: Al inyectar
bacterias
lentas
S
viru-
muertas,
por
tratamiento (2),
los
con ratones
calor no
desarrollaban la enfermedad (3). Un culti vo de tejidos
del animal
no detectaba bacterias (4).
Experiencia 4: Al inyectar a los ratones (2) una mezcla de bacterias no virulentas R y S, virulentas, por
calor
ratones
muertas (1),
desarrollan
los la
enfermedad y mueren (3). En los cultivos se observan bacterias de tipo S y R (4).
las cepas (4).
J. L. Sánchez Guillén
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III) La información celular
II) LOS EXPERIMENTOS DE AVERY y colaboradores.: En 1944. AVERY, MCLEOD y MCCARTY, se propusieron encontrar cuál era el componente que transmitía el carácter heredable y llegaron a la conclusión de que era el ADN de las bacterias S muertas por el calor el que transformaba las bacterias R en S. Demostraron así que el ADN era la molécula que contenía la información necesaria para que las bacterias S fueran virulentas y que, a pesar de estar muertas, su ADN no estaba destruido y podía pasar al medio y de aquí a las bacterias de cepa R, integrándose en el genoma de éstas y transformándolas en virulentas.
3) El gen
Fig. 1
Oswald Avery (1877 – 1955).
CONCEPTO CLÁSICO Y MOLECULAR DE LOS GENES Para Mendel (1822-1884) los genes eran considerados como factores hereditarios que determinaban las caracterís ticas externas de los seres vivos. En su época se ignoraba su composición quí mica o su localización. Para poder referirse a ellos fueron denominados mediante letras. Así, en los guisantes, el gen A determina que las semillas sean de color amarillo y el gen a hace que sean verdes. Pero nadie sabía qué era lo que hacía que los guisantes fueran verdes o amarillos ni cómo lo hacía. Esto es, no se sabía la naturaleza de los factores hereditarios ni cuál era su mecanismo de actuación.
Fig. 2 Imagen de un cromosoma. Al lado, esquema del cromosoma número 9 humano mostrando la posición aproximada del gen que determina los grupos sanguíneos ABO.
En 1901 los estudios de GARROD sobre la alcaptonuria permitieron empezar a conocer cómo actuaban los genes y las experiencias de GRIFFITH (en 1928) y AVERY (en 1943), que ya hemos estudiado, descubrieron que los genes estaban localizados en el ADN.
III) LOS ESTUDIOS DE GARROD: La alcaptonuria es una enfermedad hereditaria recesiva debida a una alteración en el metabolismo celular que determina la aparición del ácido homogentí sico. Este ácido provoca al oxidarse el ennegrecimiento de la orina y
J. L. Sánchez Guillén
Fig. 3
A. E. Garrod
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III) La información celular
3) El gen
un color grisáceo en los cartíla gos y ligamentos, también puede llegar a producir artritis. El ácido homogentísico aparece en el metabolismo del aminoácido fenilalanina. Por la acción de diversas enzimas la fenilalanina se transforma en tirosina, otro aminoácido, después, en ácido polihidroxifenilpirúvico y, finalmente, en ácido homogentísico. Fig. 4
Ácido homogentísico.
Fenilalanina Tirosina Ácido polihidroxifenilpirúvico Ácido Homogentísico En las personas sanas el ácido homogentí sico es transformado por la enzima homogentísi co-oxidasa en el ácido 4-maleil-acetoacético que, posteriormente, se transformará en acetil-CoA, que será degradada en el Ciclo de Krebs a CO2 y H2 O. GARROD llegó a la conclusión de que el gen normal (A) produce la enzima necesaria, mientras que el gen (a) recesivo no la produce. Ésta era la primera vez que se relacionaba un gen con una enzima y, por tanto, con una reacción. De aquí surgió la hipótesis: un gen-una enzima. Ahora bien, debido a que hay enzimas formadas por dos o más cadenas polipeptí dicas, la hipótesis se reformuló como: un gen-un polipeptido.
3’
ADN
5’
T A C G T T A C G A A T G C T T A A A T C H–Met – Gln – Cys – Leu – Arg - Ile-OH péptido
Fig. 5 Colinealidad entre un fragmento de ADN y un péptido.
EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
ADN
ARN
Polipéptido HIPÓTESIS DE LA COLINEALIDAD DE CRICK Una vez establecido el paralelismo entre genes y enzimas y tras ser propuesto, en 1.953, el modelo de doble hélice por Watson y Crick, este último propuso la denominada Hipótesis de colinealidad de CRICK:
Carácter
Fig. 6 Dogma central de la biología molecular.
" Existe una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos de la enzima codificada".
J. L. Sánchez Guillén
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III) La información celular
5) Replicación del ADN
5) LA REPLICACIÓN DEL ADN
)CÓMO ES EL PROCESO DE REPLICACIÓN DEL ADN? El ADN es una molécula formada por dos hebras complementarias y antiparalelas. Una de las primeras dudas que se plantearon fue la de cómo se replicaba el ADN. A este respecto había dos hipótesis: 10) El ADN se replica de manera conservativa. Esto es, cada hebra de ADN forma una copia y una célula hija recibe la molécula original y la otra célula recibe la copia. 20) El ADN se replica de manera semiconservativa. Cada hebra de ADN forma una hebra complementaria y cada célula hija recibe una molécula de ADN que consta de una hebra original y de su complementaria sintetizada de nuevo. Esta controversia fue MESELSON y STAHL con elegantes experiencias.
resuelta por una serie de
Replicación
ADN original
ADN original
Fig. 1
ADN copia
Replicación conservativa.
Replicación
ADN copia y original
ADN original
Fig. 2
ADN original y copia
Replicación semiconservativa.
EXPERIENCIAS DE MESELSON Y STAHL.
3 3
2
2
1
1
15 N- 15N
15 N- 15N
Se cultivan bacterias E. coli en un medio con
15
N (nitrógeno
14 N- 14N
A continuación, se cultivan las bacterias en nitrógeno 14 (14N)
pesado) durante cierto tiempo para que todo el ADN esté
más ligero durante 30 minutos, lo que dura un ciclo de replica-
formado por dos hebras de
ción. Si la hipótesis de la síntesis conservativa fuese la co-
15
N (15 N-15 N) más pesadas. Si se
centrifu ga, este ADN más pesado migra hacia el fondo del tubo
rrecta, se debería obtener lo que se ve en la figura, una banda
y se obtiene el resultado que se observa en la figura.
de ADN pesado (15 N-15 N) y otra con ADN ligero (14 N-14 N) pero...
14N -15N
3
3
2
2
1
1
15N -14N
14N -15N
.. lo que se obtiene en realidad es lo que se observa en la
14N- 14N
14N- 14N
15N -14N
Además, si se da otro ciclo de replicación en
14
N, se obtiene
figura: una sola banda en posición intermedia, pues está
una banda de ADN mixto ( N- N) y otra de ADN (14 N-14 N), lo
formada por ADN mixto (15 N-14 N). Esto es, todas las células hijas
que también está de acuerdo con la hipótesis de la síntesis
tienen un ADN con una hebra con
semiconservativa.
15
N y otra con
14
N. La
14
15
hipótesis de la síntesis semiconservativa es la correcta.
J. L. Sánchez Guillén
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III) La información celular
5) Replicación del ADN
LA REPLICACIÓN SEMICONSERVATIVA DEL ADN EN EUCARIOTAS Cuando una célula se divide, o cuando se originan los gametos, las nuevas células que se forman deben contener la información genética que les permita sintetizar todas las enzimas y el resto de las proteí nas necesarias para realizar sus funciones vitales. Ésta es la principal razón por la que el ADN debe replicarse. La replicación del ADN es el 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. En la célula procariótica la replicación parte de un único punto y progresa en ambas direcciones hasta completarse. En la célula eucariótica el proceso de replicación del ADN no empieza por los extremos de la molécula sino que parte de varios puntos a la vez y progresa en ambas direcciones formando los llamados ojos de replicación. Primero se separan las dos hebras y, una vez separadas, van entrando los nucleótidostrifosfato complementarios de cada uno de los de las hebras originales del ADN. Las enzimas ADN polimerasas los unen entre sí formando una hebra de ADN complementaria de cada una de las hebras del ADN original. Se dice que la síntesis de ADN es semiconservativa porque cada una de las moléculas de ADN " hijas" está formada por una hebra de ADN original y otra complementaria sintetizada de nuevo.
Cromosoma: arriba, en procariotas, abajo, en eucariotas.
Fig. 3 Replicación del ADN en procariotas y en eucariotas. En procariotas sólo hay un ojo de replicación, mientras que en eucariotas hay varios.
Fig. 4 Microfotografía al MET de un fragmento de la doble hélice de un cromosoma de eucariota replicándose.
Ojos de replicación
Cromosoma (doble hélice de ADN) replisomas
Fig. 5 Cromosoma de eucariota replicándose. El replisoma es un complejo formado por todas las enzimas que intervienen en el proceso de replicación.
Hebra de ADN A
ATP asa
C
Es de destacar que la dirección en la que progresa la replicación es la misma en ambas hebras. Ahora bien, las enzimas que unen los nucleótidos sólo pueden efectuar la unión en dirección 5' 3'. Esto nos indica que ambas hebras, al ser antiparalelas, deben de sintetizarse de diferente manera. a) Síntesis continua de la hebra en dirección 5' 3'. La síntesis de esta hebra no plantea ningún problema. Así, una vez separadas ambas hebras, la ADN pol. III (una de las
J. L. Sánchez Guillén
T
Helicasa
Topoisomerasa Proteínas estabilizadoras
A G T
ADN polimerasas
Fig. 6 Enzimas y otras proteínas que forman el replisoma. Se muestra en este esquema un detalle del recuadro de la figura anterior.
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III) La información celular
5) Replicación del ADN
enzimas que unen los nucleótidos) va a elongar la cadena en dirección 5' 3' a partir de un primer o fragmento de ARN que después será eliminado. b) Síntesis discontinua. La hebra complementaria no se va a replicar en sentido 3' 5' sino que se replica discontinuamente en dirección 5' 3'. Los diferentes fragmentos sintetizados, llamados fragmentos de Okazaki, son posteriormente unidos entre sí. El proceso es complejo y consiste en lo siguiente: En primer lugar se sintetiza un pequeño fragmento de ARN, fragmento denominado primer. Partiendo de este primer se sintetiza un fragmento de ADN en dirección 5' 3'. Al llegar al primer del fragmento anteriormente sintetizado, éste es degradado y se rellena el hueco con ADN. Se dice que la replicación es discontinua porque el ADN se va a ir sintetizando en fragmentos que, posteriormente, son soldados uno al otro.
A
T
C
G
A
T
C
G
G
G
C
T
A
G
C
T
A
G
C
C
C
G
A
U
C
G
A
T
C
G
G
G
T
A
G
C
T
A
G
C
C
C
Fig. 9
A
T
C
G
A
A
C
C
G
T
T
G
C
A
C
U
A
G
C
T
T
G
G
C
A
A
C
G
T
G
Fig. 7
G
T
T
G
C
A
C
G
C
Síntesis continua.
A
T
C
G
A
A
C
C
T
A
G C
T
U
G
G C
G
T
T
G
C
A
C
C
G
T
T
C
G
T
G G
C
A
A
1er fragmento sintetizado
2º fragmento sintetizado
A
A
Fig. 8
C
Síntesis discontinua.
A
T
C
G
A
T
C
G
G
T
A
G
C
T
A
G
C
C
Replicación del ADN. Acontecimientos que se dan en un replisoma.
J. L. Sánchez Guillén
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