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GENTICA MOLECULAR (Flujo de la informacin gentica) El ADN como portador de la informacin gentica. Concepto y estructura del gen. Replicacin semiconservativa del ADN: el experimento de Meselson & Stahl. Mecanismo general de la replicacin. La transcripcin: sntesis y procesamiento (maduracin) del ARN. El cdigo gentico: Caractersticas generales. La traduccin: mecanismo general. Regulacin gnica.

El ADN como portador de la informacin gentica.Los primeros estudios realizados acerca del ADN se deben a F. Miescher (1869), que lo aisl de ncleos de clulas del pus, con el nombre de nucleina. El redescubrimiento de las leyes de Mendel a principios de siglo, despert el inters por conocer las bases citolgicas de la transmisin hereditaria, y diversos investigadores se dieron cuenta de que el comportamiento de los cromosomas en la meiosis se ajusta a las leyes de la transmisin de los caracteres hereditarios, proponiendo que los genes eran parte de los mismos. Ya se saba que los cromosomas estaban formados por un cido nucleico, el ADN y protenas y se pens que estas ltimas como molculas adecuadas para contener la informacin gentica. La historia del descubrimiento de que era el ADN, y no las protenas, el portador de la informacin hereditaria, arranca de los experimentos de F. Griffith (1928) con sobre la con o infeccin ratones pneumonie

Streptococcus

neumococo uno de los agentes causantes humana, de la neumona extremadamente

patgeno para el ratn Esta bacteria debe su virulencia a la presencia de una cpsula de polisacridos que le da un aspecto liso y le hace resistente a los mecanismos de defensa del organismo infectado (neumococo S). Existe un mutante de estas bacterias que no poseen esta cpsula y que no es, por tanto, patgeno (neumococo R). Griffith descubri que la inyeccin de neumococos R vivos junto con neumococos S muertos por calor, era capaz de producir la muerte de un ratn en 24 horas. Aisl las bacterias presentes en la sangre de los ratones muertos y concluy que la presencia de las bacterias S muertas deba haber causado la transformacin de las bacterias R vivas, de forma que stas haban adquirido la capacidad de sintetizar la cpsula protectora. En esta poca la teora ms aceptada era que el papel informativo de los genes debe ser asignado a las protenas, ms bien que al DNA, debido a que la composicin del DNA se consideraba demasiado simple para codificar la gran variedad de protenas existente. 1

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En 1944 T. O. Avery, C. M. MacLeod, y H. J. MacCarty, repitieron el experimento de Griffith y, por fraccionamiento y purificacin de extracto de bacterias S que contenan el principio transformante, llegaron a la identificacin de ste, concluyendo que era el DNA, demostrando que el fragmento de DNA extrado de las bacterias S codificaba la enzima necesaria para la sntesis del polisacrido de la cpsula.

Concepto y estructura del gen.El concepto de gen ha evolucionado a lo largo de la corta historia de la Gentica. De los experimentos de Mendel en 1865 se desprenda la existencia de factores hereditarios responsables de la transmisin de caracteres y consistentes en partculas discretas que se transmitan a la descendencia de forma independiente. Despus del redescubrimiento de las leyes de Mendel se acu el trmino gen para designar dichos factores hereditarios y, durante toda la mitad de nuestro siglo el gen fue considerado como la unidad del material hereditario, transmisible de generacin en generacin, y que poda ser reconocida operacionalmente por su capacidad de mutar a otros estados alternativos, de recombinarse con otras unidades similares y de funcionar determinando la aparicin en el organismo de algn carcter particular. El gen constitua, por tanto la, unidad de mutacin, de recombinacin y de funcin del material hereditario. En el ao 1941, G. W. Beadle y E. L. Tatum, estudiando los mutantes del moho del pan, Neurospora crassa, se dieron cuenta de que cada mutante se corresponda con la deficiencia de una enzima, causada por la alteracin del gen responsable de su sntesis, estableciendo la teora de que a cada gen le corresponde una enzima. Conocida la naturaleza del material hereditario (1952, Watson y Crick), el gen quedaba definido como el fragmento de ADN capaz de codificar la sntesis de una enzima. Resulta obvio, por tanto, que la unidad de mutacin no poda ser el gen, al ser el mutn el elemento ms pequeo que puede alterarse dentro del material gentico, que corresponde a un par de nucletidos complementarios. Asimismo, puesto que el gen no es sino un segmento de ADN, cabe la posibilidad que la recombinacin no slo sea intergnica, por lo que se acu un nuevo trmino, el recn, para designar a la unidad ms pequea intercambiable por recombinacin gnica. A partir de este momento al gen dejaba de considerrsele como unidad de mutacin y de recombinacin, pero aun se mantena el de unidad de funcin. Con el descubrimiento de que algunas enzimas estn constituidas por ms de una cadena polipeptdica, llev a otros investigadores a modificar el concepto un gen un enzima propuesto por Beadle y Tatum, por el de un cistrn un polipptido, siendo el cistrn el fragmento de ADN que codifica para un polipptido. De esta forma, la concepcin clsica de gen como unidad de funcin slo puede mantenerse para el caso de enzimas formadas por un nico polipptido. Los conocimientos actuales, con la aplicacin de sofisticadas tcnicas, nos llevan a modificar el clsico concepto de gen y, se llega a la conclusin de que los genes no son estticos, definindose nuevos conceptos: Genes fragmentados o discontinuos. Tras el conocimiento de del proceso de maduracin de los ARNm en las clulas eucariotas (1977) llev a definir este concepto (ver transcripcin del en este mismo captulo). Muchos de los genes existentes en el genoma de las clulas eucariotas son fragmentados, dado que estn compuestos por varias secuencias codificantes o exones, separadas por otras no codificantes o intrones. As por ejemplo, el gen que codifica la cadena de la hemoglobina est constituido por dos exones separadas por un intrn. 2

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Unidades de transcripcin compleja. Se ha descubierto que existen genes que se transcriben a ARNm diferentes, segn el lugar en el que actan las RNPpn (ribonucleoprotenas nucleares pequeas, formadas por protenas ms ARN de 100 a 300 nucletidos, stas estn implicadas en la eliminacin de intrones, a los que parece que reconocen y estn implicadas en el proceso de corte y empalme). Se ha observado, por ejemplo, el caso del gen que en las clulas tiroideas controla la sntesis de calcitonina y en la hipfisis la de un neuropptido de estructura muy similar a la calcitonina y cuya funcin, de momento se desconoce. Genes superpuestos o solapados. Este sistema se ha detectado en virus cuyo pequeo tamao obliga a aplicar estrictos criterios de economa. El proceso consiste en que en un mismo fragmento de ADN se superponen varios genes y dependen de la pauta de lectura del ADN para su transcripcin a ARN dando lugar a ARNm distintos. Genes estructurales y genes reguladores. Hasta ahora nos hemos ocupado de genes cuya funcin consiste, de una u otra forma, en almacenar y transmitir la informacin necesaria para codificar los ARNr, los ARNt, y el orden de los aminocidos en las protenas estructurales (ARNm). Estos genes en conjunto, reciben el nombre de genes estructurales. Como veremos en el ltimo apartado de este tema, existen adems, otros genes, cuya funcin consiste en controlar la expresin de los genes estructurales, por lo que se llaman genes reguladores (ver regulacin de la expresin gentica). En esencia, un gen es una unidad de informacin que sirve para dirigir y controlar la actividad de la clula y acta como unidad hereditaria (concepto de gen desde el punto de vista mendeliano), ya que cuando la clula se divide el gen transmite su mensaje a la descendencia por lo que desde el punto de vista molecular el gen puede considerarse una unidad de transcripcin. En el que se distinguen, una regin promotora o lugar de inicio de la trascripcin, regin codificadora o que se transcribe, normalmente organizada en exones e intrones y las seales que indican el final de la transcripcin.

La estructura molecular de un gen aqu representada es vlida para la mayora de los genes de clulas eucariotas. Sin embargo en los genes de clulas procariotas y en algunos de eucariotas (genes que codifican para las histonas) la informacin no est fragmentada en exones e intrones. Cada gen puede existir en diversas formas llamadas alelos. El trmino alelos indica que un carcter puede presentarse en dos o ms formas alternativas; de un mismo gen surgen diferentes alelos por mutaciones. La regin del cromosoma ocupada por un gen recibe el nombre de locus. El conjunto de genes o material gentico de un organismo constituye el genoma. En la mayora de los seres vivos el genoma est constituido por las molculas de ADN excepto en algunos virus que est contenido en molculas de ARN. El flujo de la informacin gentica: Dogma central de la biologa molecular Las funciones de los genes son: el almacenamiento y conservacin1 de la informacin gentica, adems de la transmisin, expresin y regulacin de genes.

1

Se almacena en la secuencia de bases de la doble hebra y se conserva mediante la replicacin.

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I.E.S. RO CABE MONFORTE o

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La informacin gentica se almacena en la doble hlice de la cadena de ADN, las dos cadenas son complementarias; si una est daada, se intenta reparar y si no se consigue, puede utilizarse la otra como molde para la sntesis de nuevas cadenas de ADN. La transmisin de la informacin gentica se lleva a cabo durante el proceso de reproduccin herencia biolgica y durante la fase de crecimiento de los seres pluricelulares por mitosis. Cuando los genes se expresan dan lugar a una secuencia de aminocidos de una protena. La regulacin o control de la expresin gentica funciona a nivel interno o molecular mediante represores mantiene inactivos a genes especficos y a nivel externo por medio de las hormonas. En 1970 F. Crick con pocas evidencias que apoyaran sus supuestos enunci el dogma central de la biologa molecular: La informacin gentica contenida en el ADN se transcribe en forma de ARN y se traduce a protenas Hoy se sabe que los virus con ARN son una excepcin al dogma central:

o

o o

o

En 1970 se descubri el enzima transcriptasa inversa en algunos virus. Los virus que contienen la informacin gentica en forma de ARN retrovirus utilizan al ARN como molde para la sntesis de ADN. Cuando infectan una clula, copian la informacin a una molcula de ADN y para eso precisan de la intervencin del enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa sintetizando una cadena de ADN complementaria del ARN vrico. No todos los virus con ARN presentan retrotranscriptasa, entonces cuando se reproducen autoduplican su ARN mediante enzimas ARN replicasas que utilizan como molde el ARN vrico para producir copias del mismo.

o

Replicacin semiconservativa del ADN: el experimento de Meselson & Stahl. Mecanismo general de la replicacin.Los organismos vivos deben reproducir con exactitud la informacin gentica que ser trasmitida a su descendencia, a fin de perpetuar aquellos caracteres que son propios de la especie a la que pertenecen, a este fenmeno por el cual la molcula de ADN produce una copia exacta de si misma, se le da el nombre de replicacin del ADN. Watson y Crick, al mismo tiempo que publicaban el modelo de la estructura en doble hlice del ADN, se dieron cuenta de cmo deba ser el mecanismo por el cual se produce su replicacin y un mes despus exponan su hiptesis: ... el cido desoxirribonucleico es, en efecto, un par de moldes, cada uno de los cuales es complementario del otro. Nosotros imaginamos que antes de la duplicacin los puentes hidrgeno se rompen y las dos cadenas se desenrollan y separan. Cada cadena acta entonces como una plantilla para la formacin a partir de ella misma de una nueva cadena compaera,... Replicacin del ADN en bacterias Aunque el mecanismo de replicacin es bastante similar en todos los organismos, es en la bacteria E. coli donde mejor se conoce. 4

I.E.S. RO CABE MONFORTE La replicacin del ADN es semiconservativa.

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Tras la propuesta realizada por Watson y Crack, durante un tiempo coexistieron tres hiptesis para explicar el modelo de replicacin del ADN: o Hiptesis conservativa; la hlice original permanece intacta y su informacin se transmite para generar una doble hebra de nueva sntesis. oHiptesis dispersiva; la doble hebra original se destruye para hebras y su dos nueva informacin se utiliza sintetizar de

sntesis formadas por trozos de la molcula original nuevos. oHiptesis semiconservativa; la doble hebra original se abre y actan como molde para la sntesis de la complementaria, dando lugar a dos nuevas molculas de ADN cada una de las cuales es portadora de una hebra de la molcula original y la otra de nueva sntesis. o Las primeras pruebas experimentales que confirman la hiptesis de Watson y Crick se obtuvieron por M. Meselson y F. Stahl (1958) al cultivar E. coli en un medio que contena ClN 15H4. Al cabo de un tiempo, cuando todas las bacterias cultivadas tenan su ADN marcado con el istopo pesado del nitrgeno, fueron trasladadas bruscamente a un medio que contena N14, el istopo ordinario. Extrado el ADN de la primera generacin de bacterias obtenidas tras el cambio y estudiada su densidad, se vio que era intermedia entre la del ADN de bacterias cultivadas con N14 y bacterias cultivadas con N15. Es decir, estas bacterias posean un ADN hbrido en el que una de las cadenas estaba marcada con N15 (la cadena parental) y la otra (la cadena hija, o de nueva sntesis) slo contena N14, dado que se haba sintetizado en su presencia y actuado como molde. Es decir, la replicacin del ADN es semiconservativa, actuando cada cadena de la molcula paterna como molde para la sntesis de una nueva hebra, gracias a la complementariedad de bases. La replicacin del ADN en procariotas se produce a partir de un nico punto de origen y es bidireccional. La replicacin del ADN en E. coli se inicia en un lugar fijo del ADN, donde se localizan secuencias especiales que actan como seales de iniciacin. Este punto recibe el nombre de origen de replicacin2. A partir de este punto comienza a abrirse la doble hlice por rotura de los puentes de hidrgeno existentes entre las bases complementarias apareadas, gracias a la accin de una enzima, la ADN helicasa, que requiere energa en forma y trozos

2

La imagen microscpica se le denomina burbuja de replicacin, en cuyos extremosa las figuras en forma de Y se les denomina horquilla de replicacin.

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de ATP. La separacin se mantiene por la unin a cada hebra de ADN de protenas desestabilizadoras de la hlice, o protenas enlazantes de ADN de hebra nica (SSB) (ver fig. 3). La apertura de la doble hlice desde el punto donde se inicia la replicacin da una imagen de horquilla que es la horquilla de replicacin, esta horquilla crece en las dos direcciones posibles. Es decir, la replicacin del ADN es bidireccional. La horquilla de replicacin es asimtrica. La enzima que cataliza la sntesis de la nueva cadena de polinucleotdica es la ADN polimerasa III. Esta enzima cataliza la reaccin por la cual se forma un enlace fosfodiester entre el grupo 3 hidroxilo terminal de una cadena de ADN (o ARN) preexistente y un nucletido cuya base nitrogenada sea complementaria del nucletido que se enfrenta a l en la cadena parental. Es necesario que el nucletido que va a incorporarse est en forma de nucletido trifosfato, ya que la energa necesaria para que se produzca la reaccin es aportada por la rotura del enlace fosfato. Por tanto, la reaccin que cataliza esta ADN polimerasa obliga a que el crecimiento de la cadena se produzca en direccin 5 a 3. Al ser las cadenas antiparalelas, la sntesis de la cadena que tiene como molde la de direccin 3-5 es continua, pero la de la otra cadena ha de producirse a medida que avanza la apertura de la doble hlice, por delante del punto de origen de replicacin, realizndose por tanto, de forma discontinua, en fragmentos de unos mil nucletidos de largo, llamados fragmentos de Okazaki, en honor del investigador japons que los descubri (ver fig.). La cadena que se sintetiza de forma continua recibe el nombre de adelantada o hebra conductora y la discontinua el de retardada. La replicacin del ADN se inicia con la sntesis de ARN. Hemos dicho que la actuacin de la ADN polimerasa requiere un grupo 3-OH libre, que acte como cebador. Las ARN polimerasas no tienen este requerimiento, por lo que una ARN polimerasa especial, la ARN primasa, cataliza la sntesis de una cadena de unos 10 nucletidos de ARN que acta como cebador. En la cadena conductora la ADN polimerasa III se encarga de la adicin sucesiva de desoxirribonucletidos. El fragmento de ARN es hidrolizado posteriormente a partir del extremo 5 por otra ADN polimerasa la tipo I, que tiene actividad de nucleasa 5-3. En la cadena retardada los ARN cebadores, que preceden a cada fragmento de Okazaki, son tambin hidrolizados por la ADN polimerasa I que, en este caso, se encarga tambin de rellenar los huecos producidos por su accin nucleasa. Posteriormente, los distintos fragmentos son unidos entre s por otra enzima, la ligasa. Otros enzimas, las ADN topoisomerasas, ayudan en el desenrollamiento de la doble hlice. La apertura de la doble hlice supone su desenrollamiento en una doble hlice circular y, por tanto cerrada, provoca un superenrollamiento por delante de la horquilla de replicacin que llegara a impedir el avance de sta, a no ser por giro de todo el cromosoma en sentido contrario. Este giro se produce gracias a la accin de ADN girasas, la topoisomerasa I que 6

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provoca la rotura de una de las hebras de ADN, lo que conlleva la liberacin de la tensin existente por el giro de toda la molcula, restablecindose despus la continuidad de la cadena, y la topoisomerasa II, que acta de forma similar, pero cortando las dos cadenas a la vez, que vuelven a unirse al liberarse la tensin. Replicacin del ADN en clulas eucariotas. Se produce similar por al un que mecanismo

ocurre en procariotas, aunque no se conocen con exactitud todas las enzimas que intervienen. Las diferencias bsicas se derivan, por una parte, de la longitud de los cromosomas de las clulas eucariotas y, por otra, del hecho de que stos llevan asociadas las histonas. Debido a la gran longitud del cromosoma humano, que puede tener ciento cincuenta millones de pares de nucletidos, por lo que la replicacin durara un tiempo excesivamente largo. Esto hace necesario que la replicacin se inicie en varios puntos a la vez, habindose observado unas cien horquillas de replicacin por cromosoma durante el periodo S del ciclo celular. En cuanto a las histonas, una vez unidas al ADN, parece que ya no se separan de l. Cuando las dos cadenas se separan para que tenga lugar la replicacin, los nucleosomas quedan en la cadena complementaria de la cadena conductora, mientras que las nuevas histonas se ensamblan en los nucleosomas de la doble hlice que contiene la hebra retardada. Se desconoce cmo avanza la replicacin en los lugares donde existen nucleosomas. Es posible que la velocidad de replicacin sea mucho menor que en las clulas procariotas. Adems los fragmentos de Okazaki son de menor longitud que en clulas procariotas y tienen unos 100-200 nucletidos. Durante la replicacin se pueden producir errores ya que la estructura de las bases nitrogenadas del ADN no es esttica, pueden aparecer formas tautmeras que pueden producir apareamientos anmalos (ver mutaciones). Dado que la estabilidad de la molcula de ADN es de suma importancia para que cumpla su misin de transmitir correctamente la informacin gentica, los sistemas vivos han desarrollado mecanismos correctores que reparan los errores de replicacin (Nucleasas de reparacin. Replicacin del ADN in vitro: Tecnica del PCR Muy relacionada con la replicacin del ADN est la la Tecnica de la PCR (Polymerase Chain Reaction) Reaccin en cadena de la polimerasa que consiste en la replicacin del ADN in vitro o lo que es lo mismo, permite hacer fcil y rpidamente millones de copias de ADN, la tcnica ha sido desarrollada por Kary Mullis (premio Nbel en 1983). Para esta reaccin se necesita disponer: 1. ADN diana o muestra

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Iniciadores: pequeas molculas de ADN de cadena simple (oligonucletidos sintticos, cebadores o premiers) complementarias de cada uno de los extremos 3 de la regin que se quiere copiar. ADN polimerasa de una bacteria Thermus aquaticus (Taq) que no se desnaturaliza a temperaturas de 100 C. Grandes cantidades de los cuatro desoxirribonucletidos trifosfato. Termociclador que produce los ciclos trmicos y automatiza el proceso. El ciclo comienza con una Temperatura de 94C, que desnaturaliza el ADN (1 minuto) en dos cadenas sencillas. b. La Temperatura baja despus a 55C y los primer se unen (hibridan) a sus zonas complementarias (1 minuto). c. Se pasa despus a 72C y la Taq comienza a polimerizar el ADN de la zona comprendida entre los premier (2 minutos). d. Estos fragmentos cortos de ADN se conocen con el nombre de AMPLICONES. Esta tcnica ha rendido muchos servicios a la ciencia en los ltimos aos. Se aplica adems a la determinacin del El ciclo se repite unas 30 veces y en 3-4 horas se consigue una ampliacin de la zona requerida del ADN del orden del milln de veces.

3. 4. 5. a.

Reaccin:

sexo de embriones, criminologa reconstruccin de genes prehistricos etc.

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La transcripcin: sntesis y procesamiento (maduracin) del ARN. (Expresin de la informacin) Una vez establecido por Beadle y Tatum (1948) el paralelismo entre genes y enzimas y tras ser propuesto, en 1953, el modelo de la doble hlice por Watson y Crick, este ltimo propuso la denominada hiptesis de la colinealidad. En ella se estableca una correspondencia entre la secuencia de nucletidos del gen y la secuencia de aminocidos de las protenas que el gen codificaba. Mediante diferentes experimentos se lleg a la conclusin de que en el mecanismo por el cual se pasaba de una secuencia a otra se podan diferenciar dos procesos: uno que se realiza en el ncleo o nucleoide y otro que se realizaba en los ribosomas. En el ncleo se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen (ADN) a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias perteneciente a un ARNm. Este proceso se denomina transcripcin. En los ribosomas se pasa de una secuencia de ribonucletidos de dicho ARNm a una secuencia de aminocidos, este proceso se denomina traduccin.

El mecanismo de la transcripcinDiferencias entre la replicacin y la transcripcin: Slo se transcribe un fragmento de ADN (los genes). Se transcribe una sola hebra de ADN (hebra molde) por lo que el ARN presenta una secuencia igual a la de la hebra codificadora sustituyendo TU. La transcripcin es reiterativa.

La trasncripcin es el proceso mediante el cual se copia la informacin contenida en una molcula de ADN a molculas de ARN ya sea ARNm, ARNr o ARNt. En este proceso se copian segmentos de la molcula de ADN, por lo que las molculas de ARN son siempre mucho ms cortas que las de ADN. Este proceso permite adems que unos genes se expresen con distinta eficacia que otros. As, se podrn obtener cantidades diferentes de distintas protenas, aunque estn codificadas solamente una vez en el ADN. Por esta razn, en el proceso de transcripcin se producir el control de la expresin del mensaje gentico celular. Caractersticas de la transcripcin o o La transcripcin es asimtrica: de las dos cadenas de ADN que codifican un gen, slo se transcribe una de ellas. Las enzimas que trascriben el ADN son las ARN polimerasas (ARNp). La reaccin requiere o ADN como molde Los cuatro nucletidos trifosfato (ATP, CTP, GTP, UTP). La direccin de transcripcin es de 5 a 3. La cadena de ADN molde se copia de (se lee en direccin) 3 a 5.

La transcripcin comienza en lugares especficos del ADN llamados promotores. Generalmente, slo hay promotores en uno de los extremos de un gen. Es el promotor el que determina la cadena que se va a leer, y por tanto la direccin de la lectura. Tambin hay seales especficas para la terminacin de la transcripcin.

o

Se pueden distinguir dos mecanismos de transcripcin diferentes, segn se trate de bacterias o clulas eucariotas. a) En bacterias. 10

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Las clulas procariotas tienen un genoma pequeo y ordenado. 1. Iniciacin. En primer lugar, la ARN-polimerasa se asocia con el factor sigma (), que permite a esta enzima reconocer y asociarse a una regin concreta del ADN denominada promotor, que a veces es comn a varios genes. En esta regin se han distinguido dos secuencias de consenso: las secuencias -35 y -10, situada en el extremo 5, 35 y 10 nucletidos respectivamente antes del punto de inicio de la transcripcin y que es igual o parecida a TTGACA y TATATT. Se han descubierto transcripcin. A continuacin, la ARN-polimerasa pasa de una configuracin cerrada a una configuracin abierta y desarrolla aproximadamente una vuelta de hlice permitiendo la polimerizacin de ARN a partir de slo una de las hebras que se utiliza como patrn. Posteriormente se separa el factor . 2. Alargamiento. El proceso contina a razn de 40 nucletidos por segundo. A medida que la ARN-polimerasa recorre la hebra de ADN patrn (se copia solamente una de las hebras) hacia su extremo 5, se sintetiza unaFig. 1 Transcripcin en procariotas

tambin

secuencias

intensificadoras que favorecen la

hebra de ARN en direccin 53.

3. Finalizacin. La finalizacin presenta dos variantes: una en la que se precisa el factor , y otra en la que no se precisa. La finalizacin se produce al llegar a una secuencia rica en G y C que posibilita la autocomplementariedad de la cola del ARN, lo que da lugar a un bucle final que provoca su separacin del ADN. Entonces, ste vuelve a formar la doble hlice y la ARN-polimerasa se separa. 4. Maduracin. Si lo que se sintetiza es un ARNm, no hay maduracin; en cambio, si es un ARNt o un ARNr, hay un transcrito primario, que luego sufre un proceso de corte y empalme.

Fig. 2 Secuencias promotoras y terminadoras en procariotas 11

I.E.S. RO CABE MONFORTE b) En eucariotas

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En primer lugar hay que resaltar que actan tres tipos de ARN-polimerasa: La ARN-polimerasa I, que cataliza la sntesis de ARNr de 28 S, de 58 S y de 18 S; la ARN-polimerasa II, que cataliza la sntesis del precursor del ARNm; y la ARN-polimerasa III, que cataliza la sntesis de ARN pequeos como los ARNt, ARN de 5 S y ARN-U. En segundo lugar hay que destacar que los genes estn fragmentados de forma que es preciso un proceso de maduracin en el que se eliminan las secuencias sin sentido o intrones y se empalman las que s tienen sentido o exones. Excepcionalmente hay genes, como los de las histonas, que no presentan intrones. Finalmente hay que recordar que en los eucariotas el ADN est asociado a histonas formando nucleosomas. Se ha observado que en genes que se transcriben continuamente (como los de ARNr) el ADN est siempre extendido, en otros hay transicin, y en otros, aparentemente, siempre estn en forma de nucleosomas durante su transcripcin. Para describir el mecanismo de transcripcin distinguiremos las siguientes fases: 1. Iniciacin. Para la sntesis de ARNm existen dos seales de inicio denominadas secuencias de consenso localizadas a distintas distancias del punto de iniciacin de la transcripcin, en una regin del ADN llamada regin promotora. 2. Alargamiento. El proceso de sntesis continua en sentido 53. Al cabo de 30 nucletidos transcritos se aade una caperuza constituida por una metil-guanosn-trifosfato al extremo 5. 3. Finalizacin. La finalizacin de la sntesis de ARNm parece ser que est relacionada con la secuencia TTATTT tambin llamada secuencia terminacin. A continuacin interviene la enzima poli-A-polimerasa que aade al extremo final 3 un segmento de 200 ribonucletidos de adenina, el denominado segmento poliA o cola del transcrito primario o preARNm, tambin llamado ARN heterogneo nuclear (ARNhn).

4. Maduracin. La maduracin la realiza una enzima denominada ribonucleoprotena pequea nuclear (RNPpn) que acta a nivel del ncleo y asociada a molculas de ARN-U1, que es un ARN muy pequeo y constante en eucariotas. Reconoce a los intrones, que suelen empezar por GU... y acabar con ...AG, los corta y retira. A continuacin actan 12

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ARN-ligasas especficas que empalman los exones. El ARNt y el ARNr presentan tambin procesos de maduracin. En el ARNt cabe destacar la adicin del triplete CCA en el extremo 3. La maduracin del ARNr se inicia con el ARNn o ARN de 45S que madura a ARN de 28 S, de 18 S y 58 S. Los genes que llevan informacin para la sntesis de ARNr y ARNt se transcriben pero no se traducen. 5. Transporte de los ARNm maduros a travs de los poros nucleares hasta el citoplasma. El proceso de la transcripcin se lleva a cabo en el ncleo, mientras que la traduccin del mensaje se produce el citoplasma. Ejemplo de transcripcin: Secuencia de ADN (Hebra molde): 3 A-T-C-G-C-T-G-C-G-A-T-A 5 Secuencia de ARNm: 5 U-A-G-C-G-A-C-G-C-U-A-U 3 MADURACIN DEL ARN DE CLULAS EUCARIOTAS

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El cdigo gentico: Caractersticas generales.El mensaje contenido en el ARNm est en clave El ARNm, formado como un molde de determinadas secuencias de ADN, (los exones), lleva al citoplasma el mensaje de la informacin contenida en dichas secuencias. Este mensaje est escrito con un cdigo que utiliza cuatro elementos diferentes, las bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina y uracilo). El descubrimiento de la clave que permite traducir este cdigo (constituido por combinaciones de cuatro de estas bases), en una secuencia determinada de aminocidos, para formar una protena, ha sido uno de los mayores logros cientficos de nuestro siglo. La secuencia de bases nitrogenadas del ARNm es leda en grupos de tres La aplicacin de la lgica del principio de economa que rige todos los mecanismos biolgicos, llev a razonar que si el cdigo estaba constituido por cuatro elementos diferentes, estos tendran que ser ledos como mnimo, de tres en tres, dado que, tomados de dos en dos, nicamente es posible obtener 16 combinaciones diferentes (4 2 = 16), que no son suficientes, puesto que en las protenas existen 20 aminocidos distintos. En cambio si la lectura se realiza de tres en tres bases, las combinaciones que se pueden obtener son 64 (43 = 64). Cada grupo de tres bases constituye un triplete o codn. El que existan 64 codones diferentes y slo 20 aminocidos quiere decir que un aminocido est codificado por ms de un codn. Descifrado de la clave que expresa la correspondencia entre codones y aminocidos La sntesis in vitro de polipptidos a partir de polirribonucletidos artificiales de composicin conocida, permiti, a principios de los aos 60, descifrar el cdigo gentico.Primera posicin (extremo 5)

Segunda posicin UUU UUC UUA UUG CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA AUG GUU GUC GUA GUG U Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met Val Val Val Val UCU UCC UCA UCG CCU CCC CCA CCG ACU ACC ACA ACG GCU GCC GCA GCG C Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG AAU AAC AAA AAG GAU GAC GAA GAG A Tyr Tyr Term. Term. His His Gln Gln Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu UGU UGC UGA UGG CGU CGC CGA CGG AGU AGC AGA AGG GGU GGC GGA GGG G Cys Cys Term. Trp Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly

Tercera posicin (extremo 3)

U

C

A

G

U C A G U C A G U C A G U C A G

Nota: Esta tabla identifica el aminocido codificado por cada triplete. Por ejemplo, el codn 5 AUG 3 del ARNm especifica metionina, mientras que CAU especifica histidina. UAA, UAG y UGA son seales de terminacin. AUG Es parte de la seal de iniciacin, adems de codificar las metioninas interiores.

Los trabajos de M. Niremberg proporcionaron el punto de arranque para descifrar la clava gentica, al conseguir la sntesis de un polipptido, la polifenilalanina, a partir de un polirribonucletido artificial, el poli-U. Este resultado slo se poda interpretar de una forma: el codn UUU codifica para el aminocido fenilalanina. Siguiendo los pasos de Niremberg, Severo Ochoa3 y otros, llevaron a cabo una serie de experimentos anlogos, utilizando diversos polirribonucletidos artificiales en los que se repeta cada uno de los tripletes existentes. Este ingente trabajo dio como3

Severo Ochoa recibi el Premio Nbel de medicina por su contribucin al descifrado del cdigo gentico, consigui una enzima capaz de sintetizar ARN in vito sin necesidad de molde y fabric distintos tipos de ARN con un solo tipo de nucletidos o por varios en proporciones conocidas.

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resultado el conocimiento de la correspondencia existente entre los distintos codones y cada uno de los 20 aminocidos que forman las protenas, logrndose descifrar la clave gentica (ver tabla adjunta). Caractersticas del cdigo gentico El hecho de que la mayora de los aminocidos estn codificados por ms de un triplete, se dice que el cdigo est degenerado. Los tripletes que codifican para un mismo aminocido se les llaman sinnimos. En este caso degeneracin no significa imperfeccin, ya que la degeneracin no es uniforme, pues los distintos aminocidos no estn codificados por el mismo nmero de tripletes, adems se observa que los distintos tripletes que codifican para un mismo aminocido, presentan las dos primeras base iguales y slo vara la tercera por lo que podemos afirmar que la especificidad del codn reside en las dos primeras bases. Algunos tripletes tienen significacin especial as, AUG es la seal de iniciacin de sntesis e indica la incorporacin del primer aminocido, mientras que los codones UAA, UAG y UGA son los tripletes de terminacin, tambin denominados tripletes sin sentido. Es posible que la degeneracin del cdigo gentico sea el de reducir al mnimo el efecto perjudicial de las mutaciones que aparecen por alteracin de la secuencia de nucletidos en el ADN o el ARNm. Si veinte codones codificaran slo a veinte aminocidos y otros cuarenta y cuatro fueran codones sin sentido, estos conduciran a la terminacin de la cadena y, as, la probabilidad de una mutacin que originase la terminacin sera mucho mayor. Otra caracterstica del cdigo es su universalidad, es decir, todos los seres vivos tienen la informacin gentica impresa de la misma forma. Es decir todos los seres vivos compartimos el mismo cdigo gentico. Esto es una de las pruebas ms concluyentes del origen comn de todos los seres vivos. Recientemente se han descubiertas algunas excepciones, es el caso de las mitocondrias, en protozoos ciliados y cloroplastos. No existe solapamiento. Los tripletes son contiguos, pero no se solapan entre s en la lectura de una protena.

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I.E.S. RO CABE MONFORTE La traduccin: mecanismo general.

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El mecanismo de biosntesis de protenas es similar para todos los organismos. En clulas eucariotas el proceso es de mayor complejidad y se conoce peor. La traduccin del mensaje que porta el ARNm relativo a la informacin gentica contenida en el ADN nuclear, es llevada a cabo en el citoplasma por los ribosomas4. Como ya sabemos, cada ribosoma contiene varias cadenas de ARNr y ms de cincuenta protenas diferentes, que constituyen una maquinaria enzimtica compleja. Estn constituidos por dos subunidades de distinto tamao, la subunidad mayor y menor y cuenta con dos canales: uno por el que se desplaza el ARNm y otro para la cadena polipeptdica en formacin, y dos centros activos: el de unin al aminoacil-ARNt, o centro A, y el P, al que se une el peptidil-ARNt. En la biosntesis de protenas se distinguen las siguientes etapas: I. II. Activacin de aminocidos. (Sntesis del aminoacil ARNt) Traduccin, se pueden distinguir tres fases: A. B. C. III. I. Iniciacin de la sntesis. Elongacin de la cadena polipeptdica. Terminacin de la sntesis.

Asociacin de varias cadenas polipeptdicas y, a veces, grupos prostticos para constituir protenas. Activacin de aminocidos. (Sntesis del aminoacil ARNt)

Los aminocidos en presencia de la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa y el ATP, son capaces de asociarse a un ARNt especfico y dar lugar a un aminoacil-ARNt, liberndose AMP, PPi y quedando libre la enzima, que vuelve a actuar. La unin del aminocido al ARNt, se produce mediante un enlace covalente al OH en posicin 3 del ARNt que porta la secuencia terminal CCA, el aminocido queda as activado. I. Traduccin, A. Iniciacin de la sntesis.

En las bacterias, el ARNm no experimenta maduracin. Inmediatamente despus de ser sintetizado se inicia la traduccin. El ARNm se une a la subunidad menor de los ribosomas. A stos se asocia el aminoacil-ARNt, gracias a que el ARNt tiene en una de sus asas un triplete de nucletidos denominado anticodn, que se asocia al primer triplete codn del ARNm segn la complementariedad de bases. A este grupo de molculas se une la subunidad ribosmica mayor, formndose el complejo ribosomal o complejo activo. Todos estos procesos estn catalizados por los factores de iniciacin (FI) y precisa gasto de GTP. El primer triplete que se traduce es el AUG, que corresponde a la formilmetionina. En clulas eucariotas es la metionina (este aminocido suele ser retirado).4

Slo se transcribe la informacin que contiene el ARNm. La traduccin consiste en pasar la informacin presente en el ARN a una secuencia de aminocidos.

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B.

Elongacin de la cadena polipeptdica.

El complejo ribosomal, como hemos dicho, posee dos sitios de unin o centros: el centro peptidil o centro P, donde se sita el primer aminoacil-ARNt, y el centro aceptor de nuevos aminoacil-ARNt o centro A. Cuando ambos estn ocupados, se produce le primer enlace peptdico entre el grupo carboxilo del aminocido iniciador con el grupo amino del segundo aminocido. Esta unin est catalizada por la enzima peptidil-transferasa. El centro P queda pues ocupado por un ARNt sin aminocido. El ARNt sale del ribosoma. Se produce entonces

la translocacin ribosomal; movimiento del ribosoma a lo largo del ARNm por el que el codn recin ledo queda fuera del ribosoma, mientras que el dipeptidil queda en el centro P y, el centro A recibe al siguiente aminoacil-ARNt. Todo el proceso est catalizado por los factores de elongacin (FE) y precisa de GTP. C. Terminacin de la sntesis.

El final de la sntesis viene informado por los llamados tripletes sin sentido. Son tres: UAA, UAG y UGA. No existe ningn ARNt cuyo anticodn sea complementario de ellos. Son reconocidos, en cambio, por los factores proteicos de liberacin (FR) que precisan gasto de GTP para actuar. Actan liberando la cadena polipeptdica, a continuacin se separan el ARNm y las dos subunidades ribosomales.

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La sntesis de la mayora de las protenas dura entre 20 segundos y varios minutos. Pero generalmente durante este perodo ocurren iniciaciones mltiples y sobre la misma cadena de ARNm. De este modo, las molculas de ARNm se encuentran unidas en toda su longitud a un gran nmero de ribosomas, formando un complejo de polirribosomas. Asociacin de varias cadenas polipeptdicas y, a veces, grupos prostticos para constituir protenas. A medida que se va sintetizando la cadena polipeptdica, sta va adoptando una determinada estructura secundaria y terciaria. Tras finalizar la traduccin hay protenas enzimticas que ya son activas y otras precisan eliminar algunos aminocidos para serlo. Algunas enzimas precisan asociarse a iones o coenzimas para ser eficaces. Las protenas pueden estar constituidas por una cadena polipeptdica o por varias subunidades; las subunidades pueden ser iguales o desiguales, segn que provengan del mismo gen o genes diferentes.

Importancia de la regulacin gnica.La regulacin de la sntesis proteica es fundamental para los seres vivos, son varios los motivos por los que se precisa de esta regulacin. Si las clulas estuviesen sintetizando todas las protenas codificadas en sus genes sin ser necesarias, las consecuencias seran: por un lado, se producira un gasto intil de energa, y por otro, se producira un caos metablico, al coexistir multitud de enzimas con funciones antagnicas. En otro sentido, gracias a la regulacin de la sntesis proteica, se lleva a cabo el proceso de diferenciacin celular. En los metazoos y metafitas existen numerosas clulas de estructura y funcin diferentes, pero todas ellas portan la misma informacin gentica, ya que todas se formaron por mitosis a partir de una original, el cigoto. Este hecho nos permite pensar que todas no exteriorizan su informacin gentica de forma total, sino que en algunas se expresan unos genes que en otras no se expresan. La forma de regular la expresin gentica, bsicamente consiste en regular la transcripcin, ya que de este modo no se sintetizan las protenas codificadas por esos genes. La consecuencia final es que la regulacin de la sntesis proteica es la base del control del funcionamiento de la clula. El control de la expresin en clulas procariotas: modelo del opern En los organismos procariontes el control ms eficaz de la expresin del mensaje gentico se produce en la iniciacin de la transcripcin. 18

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En 1961, F. Jacob y J. Monod, del instituto Pasteur de Pars, propusieron un modelo de regulacin gnica en clulas procariotas denominado opern para explicar el control de la biosntesis proteica. Las bacterias tienen un mecanismo general simple para coordinar la regulacin de los genes cuyos productos estn implicados en procesos relacionados: estos genes estn agrupados en el cromosoma y se transcriben juntos. La mayora de los mRNA procariotas son policistrnicos. Presentan un nico promotor que acta de regulador de la transcripcin de todos ellos. El conjunto formado por el grupo de genes (genes estructurales), el promotor y las secuencias adicionales implicadas en la regulacin, se denomina opern. Segn el modelo del opern existen dos tipos de genes: genes estructurales que y genes reguladores. Los genes estructurales codifican las protenas estructurales y los enzimas, estos genes van precedidos de un gen regulador responsable de la sntesis de una protena, denominada represor, que se une a una secuencia localizada entre el promotor y los genes estructurales, denominada operador y controla la transcripcin de los mismos.

El opern lacEl primer opern descubierto por Jacob y Monod fue el opern lac o lactosa de la bacteria Escherichia coli (responsable de la sntesis de los enzimas necesarios para la degradacin de la lactosa). En este opern hay un solo gen regulador y tres genes estructurales que controlan la sntesis de tres enzimas (galactosidasa, permeasa y transcetilasa). Estos tres genes se activan o desactivan al unsono, Entre estos genes y el gen regulador est la zona promotor a la que se fija la ARN polimerasa y la zona operador donde se fija el represor. Cuando en el medio existe lactosa, se une al represor, y este ya no puede unirse al operador. La lactosa acta como un desrepresor (tambin llamado inductor) del opern. Cuando no existe lactosa en el medio, el represor se une a la zona operador e impide que la ARN polimerasatranscriba los genes estructurales (ver figura adjunta). Se sintetiza a partir del gen regulador un represor activo que se une a la regin operador e impide que la ARN polimerasa transcriba los genes estructurales a partir de los cuales se sintetizaran los enzimas que intervendran en el metabolismo de la lactosa. Opern LAC en presencia de lactosa: Cuando est presente la lactosa, sta se une al represor, modificando su estructura (inactivndolo) de modo que se separa del operador. De este modo la ARNpolimerasa, tras fijarse a la regin promotora, puede trasncribir los genes 19

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estructurales a un ARNm que en el citoplasma en colaboracin con los ribosomas, se traduce a los tres enzimas responsables del metabolismo de la lactosa para producir glucosa. El opern LAC funciona segn el modelo de la denominada induccin enzimtica, ya que es la propia lactosa la que acta como inductor y al asociarse al represor induce a la sntesis de enzimas para su metabolismo. Existen otros operones que funcionan segn el modelo de la represin enzimtica, ejemplo el opern HIS que regula la sntesis del aminocido histidina. La estructura del opern es la misma que el anterior, pero el gen regulador sintetiza un represor inactivo, de modo que el aminocido se est sintetizando de forma continua; cuando la concentracin de histidina es suficiente acta como correpresor unindose al represor que se vuelve activo unindose al operador para impedir que la ARNpolimerasa transcriba los genes estructurales y por tanto se detenga la sntesis de enzimas que controlan el metabolismo de la histidina. Los elementos de la regulacin gnica en el modelo del opern son: Promotor (P): secuencia a la que se une la ARN polimerasa para la transcripcin. Operador (O): secuencia anterior a los genes estructurales a la que se une la protena represora. Genes estructurales: genes que codifican las protenas estructurales (enzimas). Genes reguladores: codifican la protena represora. Represor: protena que se une al operador impidiendo la transcripcin de los genes estructurales. Inductor: sustancia que se une al represor impidiendo su unin al operador y permitiendo la transcripcin de los genes estructurales.

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La mutacin: nivel gnico y cromosmico. Importancia de las mutaciones en la evolucin de los seres vivos.CONCEPTO DE MUTACIN. DIFERENCIAS ENTRE MUTACIONES GNICAS Y ALTERACIONES CROMOSMICAS.

Mutacin; trmino introducido por de Vries (1901), para designar al fenmeno por el cual un gen sufre un cambio brusco y discontinuo que da origen a los distintos alelos de ese gen. (Alelo: formas alternativas que puede presentar un gen y ocupar un mismo locus). (en sentido ms amplio): Todo cambio del material gentico detectable y heredable. Estos cambios incluyen, tanto los que afectan a la estructura de los cromosomas, como los que afectan al nmero. En general se llaman mutaciones a los cambios genticos en el momento en que surgen. Para facilitar su clasificacin pueden dividirse en mutaciones citolgicamente visibles, observables por mtodos microscpicos que afectan tanto al nmero como a la estructura del cromosoma (en este ltimo caso se observan mediante tcnicas de bandeado), y en mutaciones gnicas o puntuales, citolgicamente invisibles que tienen a pesar de todo un efecto observable durante el desarrollo sobre el fenotipo de los organismos. Por convenio general se utiliza el trmino mutacin para los cambios gnicos y alteracin o aberracin cromosmica para los cambios cromosmicos. Como acabamos de decir, el termino mutacin en la actualidad se utiliza en sentido restringido, para referirnos a cambios puntiformes en la secuencia de ADN (por lo que tambin se denominan mutaciones puntuales o gnicas), generalmente se originan como consecuencia de fallos en los mecanismo de reparacin del ADN durante la replicacin. MUTACIONES GNICAS O PUNTUALES. Como ya hemos dicho, las podemos definir como cambios puntiformes en la secuencia de bases del ADN, determinados por fallos en los sistemas de reparacin que actan en el proceso de replicacin de estas molculas. Tras la mutacin, el gen mutante (portador de la mutacin) se replica y trasmite a la descendencia igual que el gen ordinario o silvestre. La mutacin a nivel molecular (gnica), puede ser ESPONTNEA, debido a la propia inestabilidad qumica del ADN, se produce con baja frecuencia, o INDUCIDA por agentes mutgenos, qumicos (agentes alquilantes, cido nitroso, etc.) o fsicos (radiaciones ionizantes y no ionizantes). Es difcil distinguir una mutacin espontnea de una inducida por lo que se utiliza el trmino mutacin espontnea cuando desconocemos la causa, y stas ocurren generalmente con baja frecuencia. Aunque la frecuencia de mutacin de distintos genes vara, esto es, existen genes estables e inestables segn la frecuencia de mutacin. 21

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GENTICA MOLECULARA T

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A*

G

A

T

A*

C

A

T

A

T

C

G

A

T

TRANS VERS IN DE BAS ES

G C TRANS IC IN DE BAS ES

La adenina tautomerizada empareja con la citosina. Cuando la adenina vuelve a su configuracin estable, se forman en la siguiente replicacin los emparejamientos A = T y G C, con la consiguiente sustituciones una de las molculas hijas de la pareja A = T por la pareja C G (transicin de bases). Si la adenina empareja con la guanina, se produce una transversin de bases.

Las mutaciones puntuales consisten bsicamente en el intercambio de una base por otra por apareamientos anmalos, segn el tipo de intercambio se habla de dos tipos de mutaciones: TRANSICIONES, cuando se sustituye una base prica por otra, o una pirimidnica por otra, y TRANSVERSIONES cuando una base prica se sustituye por una pirimidnica o viceversa.Tipos de sustituciones Neutras o Silenciosas Con sentido errneo Sin sentido El cambio de base no origina un cambio en la lectura del mensaje El cambio de base origina un cambio de un aminocido en una protena. El cambio de base origina una protena ms corta. Mensaje original ADN: 3 TAC . TCA . AAC . ACG . ATA . ARN: 5 AUG . AGU . UUG . UGC . UAU . Proteina: met . ser . leu . cys . tyr . En un gen que codifica una ADN: 3 TAC . TCA . GAC . ACG . ATA . protena, un triplete se sustituye ARN: 5 AUG . AGU . CUG . UGC . UAU . por otro sinnimo que codifica al Proteina: met . ser . leu . cys . tyr . mismo aminocido. Se sustituye un triplete que ADN: 3 TAC . TCA . AGC . ACG . ATA . codifica a un aminocido por otro ARN: 5 AUG . AGU . UCG . UGC . UAU . que codifica a otro aminocido. Proteina: met . ser . ser . cys . tyr . Aparece un triplete sin sentido y ADN: 3 TAC . TCA . ATC . ACG . ATA . la cadena de protena se ARN: 5 AUG . AGU . UAG . UGC . UAU . interrumpe. Proteina: met . ser .STOP

A nivel molecular pueden darse otras mutaciones, como resultado de deficiencias o duplicaciones de bases, inversiones de pequeos segmentos o cambios de posicin de segmentos en la cadena. Adiciones o delecciones de bases. Introduce cambios en la fase de lectura de la protena; por tanto aparecen protenas muy diferentes a las originales.C ADN: 3 TAC . TCA . AAA . CGA . TA . ARN: 5 AUG . AGU . UUU . GCU . AU . Proteina: met . ser . phe . ala . Las mutaciones gnicas o puntuales en las que se cambia la pauta de lectura en la secuencia de bases pueden causar enfermedades muy severas: anemia falciforme, osteognesis imperfecta, algunos tipos de cncer, etc., otras veces son silenciosas y cambian un triplete por otro que codifica para el mismo aminocido, y en otros casos suponen cambios equivalentes (Glu por Asp). ALTERACIONES CROMOSMICAS: NUMRICAS O ESTRUCTURALES. ALTERACIONES CROMOSMICAS NUMRICAS (CARIOTPICAS O GENMICAS)

Los individuos que las poseen, en sus clulas presentan un nmero de cromosomas distinto del propio de la especie. Dentro de este grupo podemos distinguir dos tipos:EUPLOIDA:

el individuo presenta un nmero de series haploides distinto del normal. Los cromosomas de ms o de la dotacin diploide normal, aumenta o disminuye en algn cromosoma. Los cromosomas de ms o

menos, constituyen un juego completo.ANEUPLOIDA:

de menos, no constituyen un juego completo. Euploida.- Los individuos en vez de tener una dotacin diploide normal (2n), son triploides (3n), tetraploides (4n), en general poliploides. No es frecuente en animales, s en vegetales. 22

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Aneuploida.- La alteracin consiste en que el individuo presenta una dotacin cromosmica que no es un mltiplo de la dotacin normal. Se produce por la no disyuncin de la pareja de homlogos durante la anafase meitica que dando un par de cromosomas incluido en el mismo ncleo telofsico y presentar (n+1) cromosomas, mientras que el otro ncleo que da sin representante en la pareja (n-1). Cuando estos gametos se fecundan, los cigotos resultantes presentarn dotaciones (2n-1) monosoma y (2n+1) trisoma. Ambos tipos de alteraciones se conocen en el hombre donde provocan trastornos: Monosomas: la ms conocida en el hombre es el sndrome de TURNER (X O) o (44 + X). Trisomas: Sndrome de DOWN, trisoma del par 21 o mongolismo. Sndrome de EDWARS, trisoma del par 18. Sndrome de PATAU, trisoma que afecta a los pares 13,14, y 15. Sndrome de KLINEFELTER que afecta a los cromosomas sexuales, (44+XXY). Sndrome 44 + XYYALTERACIONES ESTRUCTURALES:

Afectan a la estructura de los cromosomas, producindose alteraciones en fragmentos de stos que afectan a uno o varios genes y son detectables microscpicamente por la tcnica de bandeado. Dicho de otro modo, las anomalas estructurales son cambios en la disposicin de los genes en el cromosoma, unas veces con prdida, otras con ganancia y otras sin variacin en el contenido total de la informacin gentica, pero s en el orden de los loci. Las alteraciones las podemos clasificar en dos grupos: 1.- Variacin en el nmero de segmentos de los cromosomas. a)DEFICIENCIA o DELECCIN, prdida de un

segmento. b)DUPLICACIN, o repeticin de un

segmento, est relacionada con el proceso anterior. 2.- Variacin en la distribucin de los segmentos en los cromosomas. a)INVERSIN, consiste en la ruptura de un fragmento

cromosmico y su posterior reinsercin de la porcin rota en orden invertido.

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TRANSLOCACIN, ruptura de un cromosoma y reunin de la terminacin rota en combinaciones no homlogas.

SIGNIFICACIN BIOLGICA DE LAS MUTACIONES.

Para conocer la existencia de las mutaciones es necesario que ocasionen cambios fenotpicos detectables. Estos cambios pueden ir desde alteraciones menores slo apreciables mediante mtodos genticos especiales, a grandes cambios que pueden, incluso, resultar letales para el organismo en que se producen. Cualquier mutacin de un gen originar un nuevo alelo de ese gen. Aquellos alelos que han aparecido por mutaciones que ocasionan pequeos efectos, slo reconocibles por tcnicas especiales, reciben el nombre de Cuando en un mismo gen sean varias mutaciones se originan los denominadosALELOS MLTIPLES SERIE ALLICA, cuyos miembros se representan por la misma letra con subndices adecuados. ISOALELOS.

que, juntos, forman una

En los organismos pluricelulares de reproduccin sexual, la mutacin puede afectar a las clulas germinales y/o a clulas somticas. La aparicin de mutaciones en clulas germinales, es la base de: a) El origen y evolucin de las especies. Dado que todos los seres vivos tienen un origen comn, los genes han de tener capacidad para modificarse, pues la evolucin no habra sido posible si no hubieran ocurrido cambios en el material gentico. b) La variabilidad gentica dentro de una especie. La mutacin es la fuente primaria de la variabilidad gentica que encontramos entre los individuos de una misma especie. Por ejemplo la induccin de mutaciones en bacterias, producidas por determinados frmacos, origina cepas resistentes a los mismos (es la base de la especiacin) (mutacincambioadaptacinseleccin natural). c) La aparicin de enfermedades hereditarias. Cuando los cambios que se producen en el ADN suponen una alteracin de la funcin normal del organismo en que dichos cambios aparecen, con los consiguientes cambios patolgicos. En clulas somticas. Los efectos slo son perceptibles en las clulas originadas por mitosis a partir de ellas, que presentarn un genoma distinto del resto de las clulas del organismo. Los individuos portadores de una mutacin de este tipo estn constituidos por una mezcla de poblaciones celulares de genoma diferente, por lo que reciben el nombre de mosaicos. La mutacin puede afectar al embrin celular, o tener lugar posteriormente, en cualquier momento del desarrollo embrionario, o el individuo adulto.

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