Misión 10: ADN como material genético y sus alteraciones

Buenos días a todos, en esta nueva entrada os voy a hablar sobre el cáncer, mutaciones, el código genético y muchas cosas más. En resumen en esta entrada os hablaré del ADN como material genético y de la genética aplicada.

El ADN contiene la información genética que se transmite a la descendencia. Es una doble hélice formada por dos cadenas de polinucleótidos. Los nucleótidos están formados por una pentosa (desoxirribosa), un ácido fosfórico y una base nitrogenada , que puede ser púrica o pirimidínica .

Las bases nitrogenadas del ADN son adenina, guanina, citosina y timina, y están unidas por enlaces de hidrógeno. Entre las bases nitrogenadas existe complementariedad, es decir, la adenina se enlaza con la timina y la guanina con la citosina.

Los seres vivos se reproducen, es decir, dan lugar a nuevos individuos con características muy similares o idénticas a las de sus progenitores. Esto se debe a que la información genética contenida en el ADN se copia durante el proceso de la duplicación (previo a la reproducción) y luego es transmitida a la descendencia.

En el proceso de la duplicación, cada cadena de ADN sirve de molde para la formación de una nueva cadena complementaria, de manera que se pueden formar dos dobles hélices con secuencias de nucleótidos idénticas.

Una vez conocida la forma en la que se producía la replicación del ADN, faltaba por determinar cómo se copiaba la nueva hebra a partir de la hebra molde.

Los resultados realizados por John Cairs confirmaron la teoría semiconservativa y evidenciaron la existencia del “punto de inicio de la replicación”, además resolvieron las dudas de cómo la ADN-polimerasa podía sintetizar sin cebador y cómo las dos hebras de la horquilla podían crecer en paralelo, ya que si una lo hacía en sentido 5´->3, la otra debía hacerlo en sentido 3´-> 5´, lo que no tenía explicación ya que ninguna enzima actúa en ese sentido.

Kornberg aisló la enzima ADN-polimerasa (enzima responsable de dicha duplicación que se encuentra en el núcleo y mitocondrias). Para que esta enzima pudiese actuar, se necesitaba la presencia de: desoxirribonucleótidos-5’- trifosfato, ión Mg+2 y un ADN en el que se ha retirado un sector de una de las cadenas.

La cadena entera y sin modificar crecerá en sentido 5´->3. La ADN-polimerasa actúa de forma que el nuevo filamento sintetizado es antiparalelo y complementario al filamento patrón. Este mecanismo se denomina síntesis de ADN in vitro.

La solución a estas dos cuestiones las resolvió Reiji Okazaki cuando descubrió unos fragmentos constituidos por 50 nucleótidos de ARN y unos 1000 o 2000 nucleótidos de ADN, que se denominaron fragmentos de Okazaki. Son sintetizados al principio por la ARN-polimerasa y , posteriormente, son continuados por la ADN-polimerasa, en dirección 5´-> 3´, sobre diferentes regiones de la hebra patrón.

Después, sin desplazarse del lugar que ocupan, estos fragmentos pierden su porción de ARN que se sustituye por ADN, y permanecen unidos entre sí constituyendo un filamento exclusivo de ADN, que aparentemente crece en dirección 3'->5´. Proceso denominado síntesis de ADN in vivo.

La duplicación del ADN es distinta en procariotas y en eucariotas.

En procariotas podemos diferenciar tres etapas en el proceso de replicación del ADN:

📝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. 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 replicación es bidireccional, es decir, una helicasa trabaja en un sentido y, otra helicasa en sentido contrario.

📝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 y actividad exonucleasa. El mecanismo de síntesis de la hebra orientada en sentido 5 ́- 3 ́ (hebra retardada). 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 I va eliminando el cebador (segmentos de ARN) y sustituyéndolo por ADN. Finalmente la ADN ligasa suelda todos los fragmentos obtenidos.

Imagen de los apuntes del CV

📝Corrección de errores: durante la replicación es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que no tengan correctamente apareadas sus bases. La ADN polimerasa I actúa entonces como exonucleasa y elimina los nucleótidos mal apareados. Aunque el mecanismo de errores es muy eficiente, a veces queda alguno sin corregir. Esos errores pueden ser importantes en la evolución.

La replicación del ADN en los organismos eucariotas es muy similar a la de los procariotas, pero tiene algunas diferencias.

Los cromosomas de eucariotas contienen moléculas de ADN muy largas. La replicación se inicia de manera simultánea en varios puntos de cada cromosoma denominados replicones. Existen 5 tipos de ADN polimerasas (α, β, γ, δ y ε) que se reparten todas las tareas de elongación (replicación de la hebra líder y retardada) y corrección de errores.

Los cromosomas se encuentran asociados a las histonas.

El proceso de replicación del ADN se va completando normalmente hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero. Para poder completar esta cadena, la polimerasa necesitaría un extremo hidroxilo 3' libre donde iniciar un nuevo fragmento.

El proceso de replicación se lleva a término durante el periodo S de la interfase, que dura, aproximadamente, de seis a ocho horas.

La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARN. Solo se transcribe a ARN una de las dos cadenas de ADN, y según el gen, la información a transcribir está en una u otra cadena. Cada molécula de ARN que se sintetiza tiene un extremo 5' y otro 3'. La ARN-polimerasa se mueve en dirección 3'->5'.

El proceso de transcripción consta de 4 etapas.

📊Iniciación: comienza cuando la ARN-polimerasa II reconoce en el ADN que se va a transcribir una señal que indica el inicio del proceso (centros promotores). El promotor no se transcribe. En eucariotas, las secuencias de consenso son TATA y CAAT a diferentes distancias del punto de inicio. Para que se pueda fijar la ARN-polimerasa antes se deben fijar en ellas unas proteínas llamadas factores de transcripción. Todo el conjunto se llama complejo de iniciación de la transcripción.

📊Elongación: es la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN-polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN “leyéndola” en sentido 3 ́- 5 ́, mientras que el sentido de síntesis del ARN es 5 ́-3 ́. En los eucariotas, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos se añade en el extremo 5 ́una “capucha”, que durante la traducción será una señal de reconocimiento del inicio de lectura.

📊Terminación: la ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción. Esto implica el cierre de la burbuja formada en el ADN y la separación de la ARN-polimerasa del ARN transcrito. En los procariotas, la señal de terminación es una secuencia de bases palindrómicas (secuencias que tienen la misma lectura de izquierda a derecha y de derecha a izquierda) formada por G y C seguidas de varias T, que origina al final del ARN un bucle. Éste favorece su separación del ADN. En los eucariotas, la ARN-polimerasa transcribe regiones de ADN largas, que exceden en la longitud de la secuencia que codifica la proteína.

La traducción se realiza en el núcleo ya que contiene la información genética, la información necesaria para que se puedan realizar las funciones celulares.

La transmisión de la información genética de los ascendientes a los descendientes y de una generación celular a la siguiente se realiza a través del núcleo celular. Debido a esto en el núcleo se realizará el proceso de duplicación o replicación del ADN ya estudiada.

La traducción se realiza en los ribosomas, orgánulos citoplasmáticos formados por dos subunidades, una pequeña y otra grande, formadas por ARNr específicos y por proteínas. En la subunidad pequeña se une el ARNm, mientras que en la subunidad grande es donde se unen los aminoácidos para formar la cadena polipeptídica. Ambas se unen cuando van a sintetizar proteínas. En el ribosoma se distinguen tres lugares diferentes de unión a los ARN de transferencia, el centro P, el centro A y el centro E.

Excepto con pequeñas diferencias, la síntesis proteica transcurre de igual forma en procariotas y eucariotas. El proceso de traducción se puede dividir en varias etapas:

📌Iniciación de la cadena proteica: la síntesis se inicia cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto localizado cerca del codón AUG, que es el codón iniciador y marca el inicio de la proteína. A continuación entra en el sitio P del ribosoma un primer aminoacil-ARNt, aquel cuyo anticodón esté formado por 3 bases (UAC) complementarias del codón iniciador. Este primer ARNt lleva unido el aminoácido N- formilmetionina en las bacterias, mientras que en los eucariotas es la Metionina. Todas las proteínas inician su síntesis con uno de estos aminoácidos, aunque en algún caso puede separarse una vez formada la proteína. La subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el primer aminoacil-ARNt forman el complejo de iniciación.

Imagen de los apuntes del CV

📌Elongación: la elongación consiste en el alargamiento de la cadena proteica y se inicia cuando un segundo aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al codón situado a continuación del iniciador, “entra” en el ribosoma y ocupa el sitio A que se halla libre. El siguiente paso es la formación de un enlace peptídico entre el aminoácido que ocupa el sitio P y el nuevo aminoácido que ocupa el sitio A. La reacción de formación del enlace peptídico está catalizada por la enzima peptidil-transferasa, cuya actividad catalítica reside en el ARN que forma parte de esta subunidad, lo que ha llevado a pensar que esta enzima es una ribozima. Como consecuencia de la formación de este enlace peptídico, el segundo ARNt queda unido por un extremo al dipéptido formado y por el otro a su codón complementario, entonces se produce la translocación del ribosoma que implica el desplazamiento del ribosoma a lo largo del ARNm en sentido 5 ́-> 3 ́ y queda el sitio A libre.

Imagen de los apuntes del CV

📌Terminación: la terminación de la cadena proteica tiene lugar cuando el ribosoma llega a un lugar del ARNm donde se encuentra un codón de terminación (UAA, UAG o UGA), que no es reconocido por ningún ARNt y sí por unos factores de liberación de naturaleza proteica que se sitúan en el sitio A y hacen que la peptidil-transferasa separe, por hidrólisis, la cadena polipeptídica del ARNt.

Una vez completada la traducción, la proteína formada, el ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma, que se disocia en sus dos subunidades hasta el momento en que se inicie una nueva síntesis. Tanto en procariotas como en eucariotas, si el ARNm que se tiene que traducir es lo suficientemente largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez, formando un polirribosoma o polisoma. En los procariotas, al no haber división entre núcleo y citoplasma, la traducción es simultánea a la transcripción.

Imagen de los apuntes del CV

A continuación os voy a hablar del código genético, ya que es la clave que relaciona la secuencia de bases del ADN o del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas. Gracias el código genético se demuestra la colinearidad entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos. Se puede observar que algunos aa están codificados por varios tripletes distintos. En estos casos, generalmente los tripletes difieren en un solo nucleótido. Esta situación se denomina degeneración del código genético y representa una gran ventaja, puesto que, en determinados casos, que se producen errores en la copia de un nucleótido, se puede mantener la colinearidad entre el triplete y el aa.

Imagen de Xataka Ciencia

Todas las células de un organismo pluricelular, excepto los gametos, poseen la misma información genética. Ahora bien, no todos los genes se encuentran activos durante el ciclo celular.

Uno de los modelos de regulación de la expresión génica mejor conocidos en procariotas es el modelo del operón, descrito en los años cincuenta por Escherichia coli.

El operón lac de E. coli contiene los genes involucrados en el metabolismo de la lactosa. Se expresa solamente cuando la lactosa está presente y la glucosa está ausente.

Dos reguladores "encienden" y "apagan" el operón en respuesta a los niveles de lactosa y de glucosa: el represor lac y la proteína activadora por catabolito (CAP). Además, el represor lac actúa como un sensor de la lactosa. Normalmente bloquea la transcripción del operón, pero deja de actuar como represor cuando la lactosa está presente. El represor lac detecta la lactosa indirectamente, a través de su isómero alolactosa.

Por último, la proteína activadora de catabolitos (CAP) actúa como un sensor de la glucosa. Activa la transcripción del operón, pero solamente cuando los niveles de glucosa son bajos. CAP detecta la glucosa indirectamente, a través de la molécula de “señal de hambre” AMPc.

Para que este gran número de conocimiento se asienten os dejo a continuación unos esquemas.

A continuación os dejo los esquemas que he ido realizando durante las clases de biología sobre el tema de las mutaciones.

Las mutaciones son alteraciones del material genético que pueden ser debidos a causas naturales que aparecen de forma espontánea o a causas inducidas que son provocadas por la exposición a determinados agentes físicos o químicos que se denominan agentes mutagénicos. Algunos ejemplos de mutágenos físicos son los rayos ultravioletas o los rayos X. Los mutágenos químicos son sustancias químicas que reaccionan con el ADN.

Las mutaciones se pueden clasificar según el tipo de células a las que afecten en somáticas o germinales, o según la extensión del material genético afectado en génicas, cromosómicas y genómicas.

🔎Las génicas son alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. Hay distintos tipos de mutaciones génicas, mutaciones por sustitución de bases que están producidas por el cambio de una base por otra y pueden ser transiciones o transversiones y mutaciones por pérdida o inserción de nucleótidos que pueden ser delecciones cuando se pierde un nucleótido o inserciones cuando se añade.

Pueden estar producidas por las siguientes causas: errores de lectura durante la replicación del ADN, lesiones fortuitas que son alteraciones de uno o varios nucleótidos que aparecen espontáneamente y transposiciones cuando los segmentos de ADN cambian de lugar. Pese a la corrección de pruebas que realiza la ADN-polimerasa es inevitable que surjan estas mutaciones. La forma de reparar las mutaciones génicas es la siguiente: reparación con escisión del ADN, reparación sin escisión de ADN en la que participan unas enzimas fotorreactivas y por último, sistema SOS introduciendo una base al azar en los lugares donde hay una base errónea para evitar que se bloquee la replicación.

🔎Las cromosómicas son aquellas que provocan alteraciones en la estructura de los cromosomas. Se pueden dar por una delección (pérdida de un fragmento del cromosoma) , duplicación (la cantidad de material genético aumenta) , inversión (un fragmento cambia de sentido) o transposición (dos cromosomas no homólogos cambian de posición).

Pueden ser captados por bandeo cromosómico o por el emparejamiento de los cromosomas homólogos durante la meiosis.

🔎Las genómicas son aquellas que afectan al número de cromosomas. Las causas de las mutaciones genómicas parecen estar relacionadas con una segregación anormal de los cromosomas o de las cromátidas durante la división meiótica. Se pueden distinguir dos tipos de mutaciones genómicas, las aneuploidías y las euploidías. Las primeras son cambios en el número de cromosomas por ganancia o pérdida, mientras que las euploidías afectan al número de juegos completos de cromosomas. Algunas enfermedades causadas por aneuploidías son el síndrome de Down o el síndrome de Edwards.

Por otro lado, estas mutaciones han llegado a desarrollar algunas enfermedades como el Cáncer, la división descontrolada de las células dando lugar a la aparición de tumores.

Algunos genes relacionados con el cáncer son los protooncogenes que si cambian debido a los angentes cancerígenos pasan a convertirse en oncogenes produciendo la transformación de la célula normal en cancerosa. Los genes supresiones de tumores equilibran la acción de los oncogenes.

Para terminar, las mutaciones han tenido una clara influencia en la evolución de las especies ( es el proceso de transformación de unas especies en otras mediante una serie de variaciones que ocurren a lo largo de los años), la genética de poblaciones (encargada de examinar la variabilidad genética de las poblaciones a lo largo del tiempo) y la especialización (proceso mediante el cual a partir de una especie preexistente aparece una especie nueva).

Espero que sean de gran utilidad los esquemas que os voy a adjuntar a continuación.