TEMA 15 LOS GENES Y SU FUNCIÓN

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1-La replicación semiconservativa del ADN 2- El mecanismo de la replicación 3- La expresión del mensaje genético 4- El mecanismo de la transcripción 5- El mecanismo de la traducción 6- Regulación de la expresión del mensaje genético 7- Los genes y los caracteres del organismo IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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1- Replicación semiconservativa del ADN Gen: fragmento de ADN que contiene información la expresión de la cual determina algún aspecto del funcionamiento del organismo.

Las dos cadenas del ADN se separan y frente a cada una de ellas se colocan los nucleótidos complementarios formándose posteriormente enlaces fosfodiester por lo que se originarán dos moléculas iguales a la progenitora.

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Cada molécula hija llevará una hebra de la molécula madre y otra de nueva formación. Los experimentos de Meselson y Stahl demuestran la hipótesis semiconservativa.

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2- Mecanismo de la replicación  Modo de acción de las ADN polimerasas Las ADN polimerasas catalizan la formación de los enlaces éster entre nucleótidos consecutivos. Añaden secuencialmente al extremo 3’ de una cadena los nucleótidos complementarios a los de la cadena molde. Como sustrato utilizan los nucleótidos trifosfato y la energía la aporta la liberación del pirofosfato. En E. coli las más conocidas son la Pol I y la Pol III. Requieren la existencia de un cebador (fragmento de cadena preexistente) al que añaden los nuevos nucleótidos. Tienen un centro activo para su actividad polimerasa y otro para romper enlaces fosfodiéster. La Pol III es el enzima que se encarga de la replicación en vivo. Este enzima actúa asociado a otros enzimas: b) Girasas  desenrollan el ADN. c) Helicasas  separan las dos cadenas. d) Proteinas SSB  estabilizan el ADN monocatenario. e) Primasa  sintetiza el ARN cebador. f) Ligasa  suelda fragmentos adyacents formando un enlace éster. IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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 Mecanismo de replicación en procariotas La replicación es bidireccional. Se copian las dos hebras al mismo tiempo. Comienza en un punto que se denomina origen de replicación. Por lo tanto se necesitan dos complejos enzimáticos que avancen en las dos direcciones y cada uno de ellos copia a la vez las dos cadenas del ADN.

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• Problemas que se plantean en la replicación: 1.- El desmontaje de la doble hélice del ADN y separación de las dos hebras Un grupo de enzimas se encarga de desenroscar la hélice, separar las bases nitrogenadas y estabilizar las cadenas sencillas de ADN. 2.- Las ADN-polimerasas requieren la preexistencia de una cadena a la que añaden nucleótidos por el extremo 3’.

Un enzima (la primasa) sintetiza una corta cadena de ARN que sirve de cebador en la replicación 3.- Las polimerasas construyen el ADN en sentido 5’ a 3’. ¿Cómo pueden replicarse ambas hebras en los dos sentidos Los fragmentos de Okazaki dieron la pista para resolver este problema

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La doble hélice inicial se va replicando en los dos sentidos formándose las llamadas horquillas de replicación En cada horquilla una hebra se replica continuamente (hebra conductora) y la otra se replica de forma discontinua (hebra retardada).

En cada horquilla intervienen las siguientes enzimas y proteínas: 1.- Girasa 2.- Helicasas 3.- Proteínas SSB 4.- Primasa

5.- Pol III 6.- Pol I 7.- Ligasa

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 La replicación en eucariotas El proceso es similar al de procariota, con las siguientes diferencias: 1.- Hay que desmontar la estructura de la cromatina.

2.- Duplicar el número de histonas. 3.- El ADN eucariótico es de mayor longitud y su replicación más compleja, por lo que aparecen numerosos puntos iniciales de replicación. 4.- Las ADN-polimerasas son más complejas 5.- El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor que en procariotas

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 Reparación del ADN La fidelidad de la replicación es esencial para la supervivencia de la especie. Las polimerasas actúan con muy pocos errores. Para corregir los posibles errores que ocurren en la replicación existen sistemas de reparación sofisticados.

Una endonucleasa específica reconoce el error y escinde el enlace fosfodiéster. La ADN polimerasa I elimina el nucleótido incorrecto y añade el correcto. Finalmente la ADN ligasa cierra la mella. También se reconocen y reparan los errores provocados por radiaciones y expontáneamente. IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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3-Expresión del mensaje genético La expresión del mensaje genético está relacionada con el funcionamiento del organismo.

El funcionamiento del organismo viene regido por dos tipos de macromoléculas: ARN y proteínas. Un gen es un fragmento de ADN que determina las síntesis de una molécula de ARN o de una proteína (en sentido más restringido).

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Los genes estructurales producen proteinas cuya acción se manifiesta el la producción de caracteres del organismo.

Los genes reguladores pueden ser de dos tipos: • Pueden producir RNA que no se traduce en proteinas. • Pueden producir proteinas reguladoras que no intervienen directamente en la producción de un carácter del organismo.

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3- El mecanismo de la transcripción  La transcripción en procariota El enzima responsable de la transcripción es la RNA polimerasa. Es un enzima procesivo que se une a una región del ADN (promotor) que se encuentra antes del inicio delgen que va a transcribir y lo va recorriendo añadiendo los ribonucleótidos complementarios formado así una cadena de ARN. Para la unión es imprescindible la subunidad a, que forma parte de la RNA pol. Una vez comenzada la transcripción la subunidad a se libera y la RNA pol. Va recorriendo la hebra molde en sentido 3’-5’ y va añadiendo ribonucleótidos complementarios a la hebra del ADN, formando así la cadena de ARN en sentido 5’-3’.

Cuando la RNA pol. Encuentra una secuencia de terminación, se libera del ADN i del ARN formado. IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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 Transcripción en eucariota a) Existen 3 tipos de ARN polimerasas: I (rRNA), II (proteinas) i III (tRNA i RNA 5S). b) En cada caso la iniciación, los promotores y el complejo de iniciación es diferente. c) En procariota es muy frecuente los mARN policistrónicos (llevan información para la síntesis de varias proteínas. En eucariota cada mRNA lleva información para una sóla proteuna. d) Durante la transcripción hay que proceder al desmontaje de los nucleosomas e) El mARN transcrito inicialmente ha de procesarse hasta llegar a mARN maduro. Cambios que ocurren en la maduración: 1- Eliminación de intrones. 2- Adición de una caperuza al extremo 5’. 3- En ocasiones se añade al extremo 3’ una cola de ácido poliadenílico. IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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 Diferencias entre transcripción y replicación 1.- La transcripción es selectiva, solo se transcriben algunas regiones de ADN (los genes).

2.- En la transcripción, sólo se copia una hebra del ADN. Hay genes que se encuentran en una hebra y otros en otra. 3.- La transcripción es reiterativa, es decir, un gen puede transcribirse muchas veces. La replicación sólo ocurre una vez antes de la división celular.

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5- La traducción Consiste en la síntesis de proteínas de acuerdo con las instrucciones contenidas en el mRNA. En este proceso intervienen: los ribosomas, el mRNA, el tRNA, los aminoácidos y varias enzimas. También supone un gasto de energía. El código genético es la relación entre la secuencia de bases en el mRNA y la secuencia de aminoácidos de la proteína (Tabla I)

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 Formación del aminoacil-tRNA 1ª Fase: Activación del Aminoácido aa + ATP  aa – AMP + PPi 2ª Fase: Transferencia del aminoácido activado

La especificidad de las Aa-tRNA ligasas es muy estricta. Cada Aa sólo se puede unir con un tARN en función de su anticodón. La traducción tiene lugar en tres fases: fase de iniciación, elongación y terminación

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a) Fase de iniciación Un tRNA portador de metionina se ha unido a la subunidad menor. El mRNA se fija a la subunidad menor de un ribosoma. La subunidad menor recorre el mRNA hasta el primer codón AUG donde se ensambla el primer tRNA portador de metionina (en cél. procarióticas formilmetionina) Tras un proceso complejo en el que participan los factores de iniciación se une la subunidad mayor que posee tres locus E, A y P donde se alojarán los aminoácidos. El primer tRNA queda alojado en el locus P. IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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b) Fase de elongación El tRNA portador de Met se encuentra en el locus P.

Al locus A se une el siguiente aa-tRNA. La metionina se une al aminoácido que transporta este último tRNA mediante la peptidiltransferasa (ribozima de la subunidad mayor del ribosoma). La cadena polipeptídica queda unida al tRNA sobre el locus A. Los factores de elongación ayudan a que el ribosoma vaya desplazandose sobre el mRNA (primero la subunidad mayor y después la subunidad menor). El peptidil tRNA pasa a situarse sobre el locus P. El locus A queda libre para que entre el próximo aatRNA. El primer tRNA queda alotjado en el locus E, listo para su expulsión. Este proceso se repite cada vez que se incorpora un nuevo aminoácido a la cadena. El ribosoma recorre el mRNA en sentido 5’ a 3’. El desplazamiento del ribosoma consume energía aportada por el GTP. IES Enric Valor – Nieves Martinez Danta

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c) Fase de terminación.

Cuando el ribosoma llega a un codón de terminación se une a unas proteinas, factores de terminación, que provocan el desprendimiento de la cadena polipeptídica.

El mRNA se separa de la subunitat menor i ésta de la mayor, quedando así disponibles para iniciar un nuevo ciclo de traducción.

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Polisoma Un mRNA recorrido simultáneamente por varios ribosomas

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 Procesamiento de las proteinas

El primer aminoácido que se incorpora el la Met. pero no todas las proteinas comienzan con Met. La cadena polipeptídica sufre un proceso de maduración en el cual se suelen perder algunos aminoácidos del extremo N-terminal. En eucariota la maduración es más compleja.Las proteinas destinadas a otros orgánulos o que se abocan fuera de la célula, se sintetizan en ribosomas unidos a las membranas del R. E. R. y su maduración es paralela a la translocación.

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6- Regulación del mensaje genético Mecanismo de regulación de la trascripción en procariotas según la teoría del operón basada en la síntesis de triptófano por la bacteria Escherichia coli

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De la teoría del operón deducimos lo siguiente: 1.- Hay genes, como los reguladores, que no influyen directamente en los caracteres del organismo sino que regulan el funcionamiento de otros genes

2.- Hay regiones del ADN, como el operador, que no llevan información para la síntesis de ARN o proteínas sino que regulan el funcionamiento de otros genes

3.- Hay proteínas, como las represoras, que regulan el funcionamiento de los genes.

Sin embargo, los mecanismos de regulación de la expresión genética Son muy variados y en muchos casos muy complejos.

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7-Los genes y los caracteres del organismo Los genes determinan la síntesis de RNA o proteínas o regulan el funcionamiento de otros. ¿Cómo determinan los genes los caracteres en el organismo? Beadle, Tatum y Horowitz postularon el principio “un gen - una enzima”. Los caracteres de un organismo son resultado de reacciones químicas y éstas ocurren por la acción de enzimas que son proteinas y estan codificadas por genes. Así el principio anterior Puede ampliarse a : “un gen- un enzima- una reacción- un carácter”.

Un ejemplo de lo anteriormente expuesto:

La coloración de la piel es debida a un pigmento denominado melanina en cuya formación intervienen muchos enzimas entre ellos la dopaoxidasa cuya ausencia produce ausencia de melanina.

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Los experimentos de Beadle y Tatum en Neurospora crassa demuestran la relación entre los caracteres biológicos y las reacciones enzimáticas

Sustancias del medio mínimo

ornitina

citrulina

arginina

Enzima

a

b

c

Genes

1

2

3

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 El proteoma y la proteómica El proteoma: Conjunto de proteinas de un organismo. La proteómica: Ciencia que estudia el proteoma de los organismos. Hay muchas más proteinas que genes, debido a: • Los splicing alternativos: eliminación de fragmentos de mRNA según las condiciones de la célula, dando lugar a diferentes proteinas. • Los cambios postraducionales: el procesamiento de los polipéptidos puede ser diferente según las condiciones celulares. • Los genes polimórficos: los diferentes individuos de una especie presentan genes que codifican proteinas con diferente secuencia de aminoácidos pero la misma función.

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