Estructura del Cromosoma

Cromátida: Hebra o molécula de ADN (contiene genes) condensada que forma el cromosoma. Cada cromosoma está formado por dos cromátidas, unidas por el centrómero. Cada cromosoma tiene 2 cromátidas iguales (hermanas). Los cromosomas homólogos tienen el mismo gen en el mismo locus pero diferentes alelos, tendrán cromátidas homólogas.

En los cromosomas homólogos, se encuentra el mismo gen en la misma posición, pero con alelos diferentes.

En células haploides (n), solo hay una copia para cada gen. En seres diploides (2n), hay dos copias para cada gen.

Los extremos de los cromosomas se denominan telómeros y les confieren estabilidad para que permanezcan estables durante las distintas fases del ciclo celular.

En función de donde esté ubicado el centrómero, vamos a tener diferentes tipos de cromosomas:

TIPOS DE CROMOSOMAS

Ciclo Celular

Durante el ciclo celular es donde vamos a ver el paso de una molécula de ADN a dos.

Después de la mitosis viene la fase G1, cuando la célula crece. Después viene la fase S (síntesis), donde el ADN se duplica. Después se vuelve a crecer en la fase G2 y se prepara para volver a la mitosis. Hay una parte, la fase G0, en la que las células se estancan y no se produce más mitosis.

Puntos de Control del Ciclo Celular

Los genes que sintetizan proteínas para la mitosis son las cdc.

Las kinasas producen la fosforilación de proteínas. Si la actividad de estas kinasas va asociada a la unión de las proteínas ciclinas, se denominan kinasas dependientes de ciclinas.

Las ciclinas son proteínas que se producen cuando aumenta la actividad durante el ciclo celular. Si durante el ciclo celular se producen suficientes ciclinas, se unen con las kinasas y las kinasas dependientes de ciclinas se activan. El mismo proceso ocurre a la inversa: si no hay ciclinas, no hay unión a las kinasas y no se activan.

El primer punto de control, G1, está entre G1 y la fase S y controla si la célula ha crecido lo suficiente y si el ADN está dañado. Si no se produce suficiente ciclina para que se una a la kinasa, no hay actividad de la kinasa dependiente de ciclina y, por lo tanto, no se avanza hasta el estado de síntesis. En este punto de control hay otro gen implicado: el gen p53, que controla la apoptosis. Es un activador que controla la transcripción del gen de la apoptosis. Si el gen se daña, se pasa el punto de control y se va a mitosis, de manera que esta célula no muere, lo que lleva al desarrollo de tumores.

Otro punto de control es el paso de G2 a la fase de mitosis. Vuelve a haber otra kinasa dependiente de ciclina, que se une a la ciclina D o ciclina mitótica, que vuelve a comprobar si ha habido suficiente ADN o si el ADN está dañado. La unión de la kinasa con la ciclina hace que se sintetice el factor promotor de la maduración (MPF), que controla el siguiente punto de control, que es la fase de mitosis.

En la mitosis puede aparecer algún problema y si no se ha sintetizado el MPF, se paraliza la mitosis para evitar que la célula anormal se siga dividiendo.

Mitosis y Meiosis

En la mitosis se separan cromátidas hermanas.

En la meiosis se separan cromátidas homólogas después del entrecruzamiento (Profase I).

Cariotipo Humano

Somos diploides (2n) y tenemos 46 cromosomas, de los cuales 2 van a ser los sexuales.

Cuando en la meiosis se separan los cromosomas homólogos, se separan las 22 parejas de autosomas (cromosomas no sexuales) + 1 pareja de cromosomas sexuales. Aunque el X y el Y no son homólogos entre sí, durante la meiosis actúan como homólogos y se separan igual que los autosomas.

Cuando tenemos el mismo alelo somos homocigotos; si los alelos recibidos por nuestros padres son diferentes, somos heterocigotos para ese gen. Siempre que hablemos de homocigosis o heterocigosis es para un gen en concreto.

Estos cromosomas son muy largos para identificar las posiciones completas, así que se tiñen para localizar los genes. Se bandean los cromosomas (hacer que tengan bandas); hay varios tipos, la más habitual es la banda G, teñidas con Giemsa. Tiñen de forma más intensa las zonas ricas en adenina y timina.

• Las bandas R nos dan bandas complementarias a las G porque tiñen las zonas más ricas en citosina y guanina.
• Las bandas Q se visualizan con luz UV.
• Las bandas C tiñen el centrómero.
• Las bandas T tiñen el telómero.

Una vez que están teñidos y visualizamos los cromosomas, para encontrar un gen los ponemos en unas posiciones. Está organizado esas posiciones.

Nomenclatura ISCN: El primer número que aparece en la localización de un gen es el cromosoma en que está localizado. Luego una letra: la P para el brazo corto, la Q para el largo. Después dos números: el siguiente es la región, y el otro la banda. Así cada gen consta de nº-letra-nº-nº.

Las bandas y regiones se numeran del centrómero al telómero. Los primeros números más cerca del centrómero y los números mayores más cerca del telómero.

Ejemplo:

1p21: cromosoma 1, brazo corto, región 2 y banda 1.

Alteraciones Cromosómicas

Hay tres tipos de mutaciones:

1. Afectan a la estructura: duplicación.
2. Afectan al número de cromosomas:
   • Si afectan a uno o varios cromosomas: aneuploidías.
   • Cuando afectan a un set entero de cromosomas: poliploidías.

Reordenamientos Cromosómicos

Duplicación:

Aparece dos veces un fragmento del cromosoma, así que tenemos uno más largo y otro más corto; por lo tanto, en un cromosoma tendremos el doble de genes. La dosis génica aumenta. Se produce más de lo que codifican esos genes. Hay más genes de lo que debería haber. Cuando estos individuos quieren formar gametos, a la hora de alinearse los cromosomas hay un cromosoma más largo y tiene que formar un bucle, para que se quede fuera la parte duplicada. Se puede visualizar con el microscopio.

Deleción:

Se pierde un fragmento del cromosoma. Se altera la dosis génica, hay menos genes de lo normal, aparece un fenotipo alterado. Durante la meiosis, el cromosoma normal tiene que formar un bucle, porque no encuentra su homólogo.

Que haya un bucle en meiosis nos indica duplicación o deleción, pero hay que saber cuál es el gen normal.

Síndromes Asociados a Reordenamientos:

• Síndrome del maullido de gato: deleción parcial del brazo corto del cromosoma 5. Llanto peculiar, retraso mental, ojos separados.
• Síndrome de Wolf-Hirschhorn: deleción del brazo corto del cromosoma 4. Convulsiones, retraso mental, malformaciones cardíacas.
• Síndrome de Williams-Beuren: deleción del brazo largo del cromosoma 7.

Inversión:

Un fragmento de un cromosoma gira 180º dentro del mismo cromosoma. No hay alteración de dosis génica, pues los genes solo están girados. Hay alteración génica porque cambia la posición del gen. Esa inversión puede cortar por la mitad algunos de los genes, puede interferir en mitad de algún gen. Hay dos tipos, para ver si se ve afectado o no el centrómero:

• Paracéntrica: el centrómero no se ve implicado, no gira.
• Pericéntrica: el centrómero sí que se ve implicado y gira con el fragmento.

La recombinación da lugar a gametos no viables, por tanto, una reducción de fertilidad.

Translocación:

Un intercambio de fragmento de cromosoma entre cromosomas no homólogos o dentro del mismo cromosoma.

En la translocación robertsoniana se intercambian cromosomas acrocéntricos, los cuales los dos brazos largos se juntan en un cromosoma y los brazos cortos en otro cromosoma. El pequeño normalmente se pierde en el proceso de meiosis.

Aneuploidías

En la meiosis se produce una no disyunción, un cromosoma permanece en la misma célula, por lo tanto el gameto tiene el doble de cromosomas. Cuando se unen con un cigoto normal dan lugar a alteraciones. Unos son trisómicos y otro monosómico.

Puede pasar en la meiosis I o II. Si pasa en la I tendremos trisómicos y monosémicos y si es en la II podemos tener gametos normales.

En la mitosis también se puede producir la no disyunción. La mitosis, al no dar lugar a gametos, no interfiere en la especie.

Este proceso se ha asociado muchas veces con la edad materna, aunque realmente no hay una demostración.

Tipos de Aneuploidías:

• Nulisomías: pérdida de ambos miembros de un par de cromosomas homólogos.
• Monosomías: pérdida de un solo cromosoma.
• Trisomías: ganancia de un solo cromosoma.
• Tetrasomías: ganancia de dos cromosomas homólogos.

Aneuploidías de Cromosomas Sexuales

Las aneuploidías más comunes en los seres humanos son las de los cromosomas sexuales.

Síndrome de Turner:

Monosomía X (cariotipo 45, X). La mitad de los individuos con síndrome de Turner son mosaicos, solo el 50% de las células presentan el problema, por una no disyunción en mitosis, lo que hace que haya tejidos que presentan distintas constituciones cromosómicas. Ejemplo: 50% de afectados por síndrome de Turner (45,X) presenta un único cromosoma X en todas sus células.

Síndrome de Klinefelter:

Tres cromosomas sexuales, 2 X y 1 Y. Cromosoma X adicional. En mamíferos existe compensación de dosis génica, solamente se va a expresar uno de los dos cromosomas X en las hembras, para compensar que los hombres solo tienen un Y con poca información genética. Aun así, tiene manifestación fenotípica.

Aneuploidías Autosómicas

Síndrome de Down:

Es la trisomía del cromosoma 21. Es más frecuente que el resto de trisomías porque es el cromosoma más pequeño. Es lo que tienen el 95% de los afectados del síndrome de Down. No suele reaparecer en las familias. Hay un 5% que se repite, originado por una anomalía cromosómica en esa familia, una translocación robertsoniana, la más habitual entre el cromosoma 14-15 con el 21.

Esta persona tiene un 14 normal, un 21 normal y un translocado medio 14 medio 21. Hay tres translocaciones posibles.

Descendencia de portadores de translocación:

Síndrome de Edwards:

Trisomía del 18.

Síndrome de Patau:

Trisomía del 13.

Poliploidía

Tiene un juego de cromosomas extra. En la mitosis, cuando los cromosomas se tienen que separar, no se separan y de un diploide se consigue un tetraploide.

En la meiosis también puede pasar.

Muy poco frecuente en animales, pero muy frecuente en plantas.

En humanos fallecen pronto.

Fragilidad Cromosómica

Síndrome de X frágil:

A nivel citogenético, cuando se analizan los cromosomas, en uno de los cromosomas hay una zona más frágil que no es un cromosoma normal, se ve como una hendidura. Tiene una herencia ligada al cromosoma X, cursa con retraso mental.

Hibridación in situ con Sondas Fluorescentes

Todo esto se puede observar con un microscopio. Cuando las células llegan a metafase se les añade unas sustancias para que permanezcan ahí y se puedan observar los cromosomas.

Chromosome Painting

Incluso teniendo cromosomas bandeados surgen dudas a la hora de hacer el cariotipo. Lo ideal es marcar cada cromosoma con una sonda que da una tinción completa de todo el cromosoma.

Es una técnica ideal, aunque bastante difícil.

Revisión Histórica

• 1665: Robert Hooke: descubrimiento de las células.
• Siglos XVII y XVIII: preformacionismo.
• 1858: Charles Darwin y Alfred Russel Wallace: anuncio conjunto de la teoría de la selección natural.
• 1859: Charles Darwin: publica “El origen de las especies”.
• 1866: Gregor Mendel publica los resultados de sus investigaciones de herencia de factores en la planta de guisante. Es considerado el padre de la genética.
• 1928: Griffith propone que algún principio desconocido transforma la cepa R de Streptococcus pneumoniae (avirulenta) en cepa S (virulenta). Si a un ratón se le inyectaba bacterias del tipo 3S, virulentas, el ratón moría. En otro grupo, se inyectaba 2R, no virulentas, por lo tanto los ratones vivían. Si a las cepas se las calentaba excesivamente, perdían la virulencia, incluso las cepas S. Ratones con 3S sometidas al calor, los ratones sobrevivían.
  Mezclando cepas 2R con 3S sometidas a choque por calor (no virulentas a priori), se esperaba que los ratones sobrevivieran, pero sin embargo morían, y se encontraban en la sangre la cepa 3S virulenta. Se produjo una transformación bacteriana, había algo que había transformado esas bacterias en el grupo 3S, se denominó el principio de transformación, pues permite la transformación bacteriana y transmite la información genética.

Características del Material Genético:

• Debe contener información compleja: (gran cantidad de información, capacidad de variar, estable). Las especies se mantienen estables a lo largo del tiempo.
• Debe replicarse fielmente (gran número de divisiones celulares).
• Debe codificar fenotipos (las instrucciones genéticas deben traducirse en proteínas).

• 1944: Avery, MacLeod y McCarty purificaron el principio de transformación en el experimento de Griffith y demostraron que era ADN.
  • DNasa: elimina la actividad biológica de la sustancia de transformación.
  • Sustancia de transformación precipita con la misma velocidad que el ADN.
  • Sustancia de transformación absorbe luz UV en misma longitud de onda que el ADN.

  Hicieron una réplica del experimento, usaron RNAsas, proteasas y ADNasas. Para pasar por ellas las 3S y después las juntaban con las 2R. Con las proteasas y las ARNasas teníamos ambas cepas, y solo en el experimento con ADNasas no se produjo transformación, así que el ADN era el principio de transformación.

• 1948: Reglas de Chargaff: dentro de cada especie existe cierta regularidad en la proporción de las bases:
  • La cantidad total de adenina es siempre igual a la cantidad de timina.
  • La cantidad de guanina es siempre igual a la cantidad de citosina.
• 1952: Hershey y Chase rastrearon el movimiento del ADN y de las proteínas durante la infección del fago por medio de la utilización de isótopos radiactivos. Sólo el ADN ingresaba en la bacteria y pasaba a la progenie de los fagos.

  Usaron el fago T2, un virus cuya cápsula de proteínas envuelve al ADN. Intentaron rastrear qué se introducía en la bacteria usando marcadores radiactivos. Se fijaron en las diferencias entre proteínas y ADN, por ejemplo el fósforo, así que el ADN lo marcaban con fósforo 32 y las proteínas con azufre 35. Ponían a vivir los fagos en medios con los elementos marcados. Realizaban el experimento por separado y separaban los fantasmas, es decir, quitaban las cubiertas proteicas. Al separarlas vieron que los fantasmas estaban marcados con S 35 mientras que en el filtrado de P no había en los fantasmas radioactividad.

  Cuando se producían nuevos fagos, los marcados con el P 32 sí que eran radiactivos, mientras que en los de S 35, se perdía la radioactividad en la centrifugación (al quitar los fantasmas).

  Esto era evidencia de que se transmitía el ADN, no las proteínas.

Descubrimiento de la Estructura Tridimensional del ADN

• 1951: Wilkins y Franklin obtienen imágenes de ADN mediante difracción de rayos X.
• 1953: Watson y Crick. Descubrimiento de la estructura tridimensional del DNA.

  Dos cadenas de nucleótidos enrolladas entre sí que forman una hélice dextrógira, que contiene azúcares y fosfatos en su exterior y las bases en su interior.

  Se juntaron, pensaron cómo debía ser, recopilaron información y con modelos moleculares vieron cómo debía ser la estructura. Llegaron a la doble hélice gracias a las leyes de Chargaff.

Estructura del ADN

Estructura Primaria

En el caso del ADN, el azúcar es la desoxirribosa.

La diferencia con la ribosa es que en el carbono 2’ tiene un O más la ribosa.

Es más reactivo el grupo hidroxilo, de manera que el ARN es más reactivo, por lo tanto es menos estable. Solo la presencia del hidroxilo en el 2’ ya descarta al ARN de ser la molécula que transporta la información genética.

Las bases nitrogenadas se unen en el 1º carbono. Hay dos tipos de bases: las purinas y las pirimidinas. Para todos los ADN y ARN tenemos las mismas: Adenina y Guanina, son las purinas, formadas por dos anillos. Las pirimidinas, con un anillo, son Citosina, timina y uracilo. Ambos ácidos nucleicos solo comparten la citosina (ARN  uracilo, ADN  timina).

La tercera parte, el grupo fosfato, le da una carga negativa al ADN, que se empleará a la hora de analizar y hacer biotecnología. Se une en el carbono 5′.

Los nucleótidos se unen entre ellos con enlace fosfodiéster, que es covalente. La estructura primaria es una doble hélice, así que hay enlaces por puentes de hidrógeno que existen entre las bases enfrentadas. Siempre, donde haya A en una hebra, habrá una T en la otra. La A y T se unen por dos puentes de H. La G y C se unen por tres.

A – T es más fácil de separar que las C – G.

La unión de un nucleótido a otro tiene una dirección, en el extremo 5’ un fosfato libre y en el 3’ un hidroxilo libre. Cada hebra tendrá una direccionalidad contraria.

En el ARN hay una única cadena.

Estructura Secundaria:

Doble hélice. Al girar, se crean unos surcos en el ADN, el surco mayor y el menor. Son importantes, porque es donde encajan las proteínas reguladoras que regulan la expresión del ADN.

Hay de tres tipos, la clásica, es la B. Está en condiciones normales, sin alteraciones… por cada 360º encontramos 10 nucleótidos.

La A, en condiciones no fisiológicas, (escasez de agua en el medio, alteración en la composición de las bases…) se achata y condensa más el ADN.

La Z difiere en ambas, esta es una hélice levógira, gira a la izquierda, mientras que A y B son dextrógiras. Se da en condiciones no fisiológicas, un medio con alta cantidad de sales.

Estructuras Especiales

Cuando en la secuencia hay fragmentos complementarios entre sí, se unen por complementariedad de bases. Forman los tallos, las secuencias complementarias están una al lado de la otra.

La horquilla es igual, pero en la punta no hay complementariedad de bases, es un bucle compuesto por nucleótidos no complementarios. Esto se da dentro de la hebra de ADN. En el ARN hay más estructuras secundarias.

Replicación y Recombinación del ADN

Dogma Central:

La transmisión de la información genética siempre es en el mismo sentido. El ADN se transcribe a ARN, el ARN se traduce y se forman proteínas.

El ADN se puede replicar a sí mismo, proceso esencial para las divisiones celulares.

El resto de procesos son esenciales para que se expresen los genes y obtengamos el fenotipo (proteínas expresadas, características morfológicas).

También se puede dar la retrotranscripción o transcripción inversa.

Posibles Modelos de Replicación de ADN

Cuando se estudió la replicación del ADN, surgieron tres hipótesis:

1. Conservativa: la molécula del ADN original da lugar a una molécula nueva.
2. Dispersiva: la molécula se dispersa en fragmentos, origina los nuevos y se vuelven a juntar. Tras el primer ciclo tenemos las dos hebras que son el original más el nuevo, nunca se mantiene la primera hebra.
3. Semiconservativa: se mantiene en cada una hebra del ADN original y una hebra del nuevo. La original completa no aparece, pero sí la mitad.

La Replicación del ADN es Semiconservativa

Para comprobarlo, Meselson y Stahl realizaron el siguiente experimento:

En un medio de N15 cultivaron el ADN original que querían replicar, de modo que todo el ADN se marcaba con el N15. En una centrifugación, obtenían una banda que indicaba dónde estaba el ADN, que estaba todo a la altura del N15. Luego lo pusieron en un medio de N14. Lo centrifugaron y obtuvieron una banda a mitad de camino entre el N14 y el N15. Lo repitieron y vieron que seguía habiendo ADN con N15, por lo tanto debía ser semiconservativa.

La replicación del ADN en procariotas es semiconservativa. Es una característica que se mantiene en todos los organismos. Pero en procariotas tendremos estructuras diferentes. En todos los casos es semiconservativa. En procariotas hay un único origen de replicación. En eucariotas vamos a encontrar muchos orígenes de replicación, porque si no se tardaría mucho en replicarse todo el ADN.

Las moléculas de ADN en eucariotas son lineales, y en procariotas, circulares.

En eucariotas, desde el origen se forma una burbuja de replicación y dos horquillas de replicación. En cada cromosoma hay muchos orígenes de replicación. Después continúa la síntesis de cadenas de ADN complementarias a medida que va creciendo esa burbuja por las dos horquillas. Las burbujas contactan entre sí hasta que tenemos la molécula de ADN completamente sintetizada.

En esa replicación, cada nuevo nucleótido se añade al extremo 3’ del nucleótido anterior donde está el grupo hidroxilo, siempre ha de haber un hidroxilo libre.

Antes de comenzar las burbujas se sintetiza un cebador, un fragmento de ARN con unos cuantos nucleótidos que originen un extremo 3’ al que poder seguir añadiendo. Se encarga la ADN polimerasa α, que tiene actividad primasa. Las polimerasas encargadas de añadir los nuevos nucleótidos son las ADN polimerasa δ (delta) y ε (épsilon).

Durante la síntesis se abren las dos hebras, una sí que va del 3’  5’, la otra, como va en sentido contrario, lo hace con varios cebadores que van uniéndose y de golpe se ponen, son los fragmentos de Okazaki, que se unen mediante la ADN ligasa.

La ADN polimerasa, cuando sintetiza, tiene la capacidad de corrección de prueba. Si la polimerasa no es capaz de eliminar el error, aparecen mutaciones.

Replicación Eucarionte Lineal

En cada origen de replicación:

• El complejo multiproteico de reconocimiento del origen (ORC) se une para iniciar el desenrollamiento.
• Desenrollamiento: ADN helicasa, proteínas de unión a cadena simple, topoisomerasa.
• ADN polimerasas eucariontes: Las ADN polimerasas alfa (primasa), delta y épsilon llevan a cabo la replicación de las cadenas de ADN. Otras ADN polimerasas se encargan de la reparación del ADN.
• ADN ligasa: sella las muescas que permanecen en las estructuras de azúcar y fosfato cuando los cebadores de ARN son sustituidas por nucleótidos de ADN.
• Ensamblaje del nucleosoma.
• Replicación del ADN en los extremos de los cromosomas: telomerasa.

Las moléculas de ADN son lineales, estén en los cromosomas. Tenemos los extremos, los telómeros, que cuando se replican, se irán acortando. Para evitar esto, existe la enzima telomerasa, que hace que se repliquen las últimas partes.

Los telómeros dan estabilidad a los cromosomas. Son secuencias repetitivas que mantienen la longitud de los cromosomas.

La telomerasa tiene dos partes, una secuencia de ARN y otra enzimática (ARN + proteína). La parte que secuencia el ADN es complementaria al extremo que queda suelto, en lugar de tener las dos cadenas queda una. Es complementaria, se une por complementariedad de bases, y sobresale un poco, lo que va a permitir que tenga un molde la polimerasa para seguir añadiendo nucleótidos y evitar que se produzca ese acortamiento. Así no hay pérdida de información en los ciclos de división celular.

Todas las células tienen la misma información genética. El gen que codifica la telomerasa está en todas las células, su expresión depende del tipo celular y de si se tiene que expresar o no, pero solo se expresa en las células madre, germinales, células intestinales, células que se tienen que estar dividiendo constantemente.

En las células que se expresa de forma negativa son las células neoplásicas.

Transcripción de ARN

Tipos de ARN: mensajero, ribosómico, transferencia.

• Mensajero (ARNm): secuencia de ARN complementaria a la del ADN que va al ribosoma para traducirse en proteína.
• Ribosómico (ARNr): forma parte de los ribosomas, que sintetizan proteínas.
• Transferencia (ARNt): lleva los aminoácidos y colabora en el proceso de traducción.

Transcripción

La transcripción suele ocurrir en una de las dos cadenas de nucleótidos de ADN (cadena molde).

Durante la transcripción se sintetiza una molécula de ARN complementaria y antiparalela a la cadena molde de ADN.

El ARN transcrito tiene la misma polaridad y secuencia de bases que la cadena codificante o no molde, salvo que el ARN contiene U en lugar de T.

La molécula de ADN es una doble hélice, se transcribe solo una de las hebras, una va a servir de molde y la otra no. La que se transcribe es la molde y la que no es la codificante. La enzima que se encarga de la transcripción es la ARN polimerasa.

Va a ser una síntesis a partir del hidroxilo terminal 3’. Serán ribonucleósidos trifosfato.

Cada fragmento corresponde a una unidad de transcripción, se considera parte integrante el promotor y a continuación la región codificante de ARN, la tercera parte es el sitio de finalización de la transcripción.

Upstream: hacia el extremo 5’ de la cadena. Se dice, el promotor está upstream de la región codificante.

Downstream: hacia el extremo 3’.

Una unidad de transcripción es un tramo de ADN que codifica una molécula de ARN y las secuencias necesarias para su transcripción.

La función del promotor es ser el inicio de la transcripción, indicando cuál es la cadena molde y dónde tiene que empezar la transcripción. El promotor no se transcribe.

Se transcribe la región codificante y la señal de terminación.

De las tres partes solo se transcriben las dos últimas. Con el ARN, igual que con el ADN, siempre escribimos las secuencias de 5’  3’.

Factores de transcripción general (TFII) + ARN polimerasa II + complejo de proteínas (mediador) = aparato de transcripción basal.

Proteínas accesorias: proteínas activadoras de la transcripción.

Promotores: mínimo (con secuencias consenso como la caja TATA a las que se unen los TF) y regulador (se unen las proteínas activadoras).

Secuencias consenso: secuencia que se repiten en muchos genes. TF = factores de transcripción.

Lo primero para que tenga lugar la transcripción es que el factor de transcripción 2D se una a la caja TATA del promotor mínimo. Si alguno de los nucleótidos de la caja TATA muta, no se producirá la transcripción.

La ARN polimerasa se encarga de la transcripción, transcribiendo el pre-ARNm. La entrada del ADN se produce a través de un surco, choca con la pared de aminoácidos, se desdobla, y se va uniendo el ARN mediante unos poros. No se forma el ARNm maduro, sino el pre-ARNm.

El ARNm necesita madurar, es una molécula inestable, durante la maduración se le da estabilidad, si no se degradaría rápidamente por las enzimas para que pase al citoplasma.

Este procesamiento consiste en añadirle un casquete en el extremo 5’, que lo protege y hace más estable. En el 2º paso se le añade una cola poliadenilada, muchas adeninas seguidas.

Exón: siempre estarán en la parte exterior. Fragmentos con información, cortan la información que se traducirá, los intrones no.

Intrón: fragmentos sin información

En el proceso de transcripción se transcribe intrones y exones, pero en la maduración se echan los intrones y se quedan solo los exones, que son los que traducen las proteínas. Se eliminan los intrones. Este corte y empalme se realiza en la estructura empalmosoma. En los intrones hay secuencias específicas que les va a permitir al empalmosoma eliminarlo. Tiene 2 nucleótidos específicos en el extremo 5’, otros 2 en el extremo 3’ y en la parte central, en una posición determinada ha de aparecer una adenina. Si los intrones mutan, no se eliminara, y se traducirá algo que no debería de traducirse.

El ARN maduro queda con casquete en 5’, cola poliadenilada en 3’ y sin intrones. Dentro de este ARN maduro, la zona del casquete no se traduce ni la zona poliadenilada. Se diferencian 3 zonas, la región 5’UTR, la región codificante de proteínas y en el otro extremo 3’ UTR.

INTERFERENCIA POR ARN

La interferencia por RNA (iRNA) es un mecanismo potente y definido por el cual las células eucariotas limitan la invasión de genes extraños e impiden la expresión de los genes propios.

Tanto los RNA interferentes pequeños (siRNA) o microRNA (miRNA) se combinan con otra molecula de ARN para silenciarlo, evita que progrese, degrada el ARNm, para formar un complejo silenciador inducido por RNA (RISC).

El miRNA y siRNA tiene 22 nucleótidos. Se diferencian en el origen de los mismos y en que genes van a interferir. El siRNA es transcrito del mismo gen con el que va a interferir, también se puede originar de transposones o virus. El miRNA se transcribe de genes diferentes a los cuales va a hacer interferencia. Se pueden unir a ARN de doble cadena o de cadena simple, el siRNA a los 2 y el miRNA solo al de cadena simple.

La acción que ejercen va a ser a diferentes niveles, ambos van a poder participar en la degradación de RNAm, los siRNa actúan a nivel de transcripción, y los miRNA inhiben la traducción.

EXPRESIÓN GÉNICA

El código genético es degenerado

tRNA isoaceptores = tRNA diferentes con diferentes anticodones que especifican el mismo aminoácido.

Codón: cada 3 nucleótidos que se van a transcribir en una proteína. Si cogemos los nucleótidos de 3 en 3 nos salen 64 codones posibles, pero hay menos aminoácidos, con lo cual el código genético es degenerado, que hay varias combinaciones de codones que nos dan el mismo aminoácido. Dentro de estas habrá un número de combinaciones que son señales de terminación, que no codifican ningún aminoácido. Solo hay 2 combinaciones que tengan un aminoácido asociado, la metionina y el triptófano.

Generalmente la última letra es menos relevante.

FASES DE LA SÍNTESIS PROTEICA

Carga del tRNA: unión de aminoácidos a los tRNA (aminoacil-tRNA sintetasas).

Iniciación: los componentes requeridos para la traducción se ensamblan en el ribosoma. Las subunidades mayores y menores se tiene que juntar porque el ARN se unirá en primer lugar a la subunidad pequeña.

Elongación: se unen los aminoácidos a la cadena polipeptídica creciente.

Terminación: la síntesis proteica se detiene en el codón de terminación y los componentes de la traducción se liberan del ribosoma. No se añade ningún aminoácido y se liberan todos los componentes del ribosoma

En el citoplasma, la síntesis proteica la realizan los ribosomas.

La 1º fase de la síntesis proteica es que los ARN de transferencia es que estén cargados con su aminoácido correspondiente. Enzima: aminoacil-tRNA sintetasas.

Habrá tantas como número de aminoácido.

TRADUCCIÓN Y LOS ANTIBIÓTICOS

SELECCIÓN DE ANTIBIÓTICO: destrucción de bacterias, pero no de las células eucariontes de su huésped.

TRADUCCIÓN: diferente entre bacterias y eucariontes (tamaño y composición de ribosomas).

Ej: tetraciclina (unión al sitio A de ribosomas bacterianos y bloqueo de entrada de tRNA).

Ej2: neomicina (unión al ribosoma cerca del sitio A e induce errores de traducción).

Ej3: cloranfenicol (unión a la subunidad mayor del ribosoma y bloquea el enlace peptídico).

Ej4: estreptomicina (unión a la subunidad menor del ribosoma e inhibe la iniciación).

Ej5: eritromicina (bloqueo de la translocación).

Ej6: puromicina (estructura tridimensional similar al extremo 3’ de tRNA cargado: inhibe la entrada de tRNA). PROBLEMA: DESTRUYE CÉLULAS

EUCARIONTES.

El objetivo de muchos antibióticos va a ser la fase de traducción, que se diferencia bien entre bacterias y eucariotas. Si el mecanismo de acción pasa por el reconocimiento de los ribosomas va a poder diferenciar entre las procariotas y eucariotas.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

En organismos unicelulares: un subconjunto de genes se expresan en todo momento y cuando cambia el ambiente se expresan nuevos genes (FLEXIBILIDAD). Adaptación al medio, si cambia el medio al que viven sean lo suficientemente flexibles para adaptarse.

En organismos multicelulares: todas las células portan la misma información genética pero sólo expresan un subconjunto de genes en cada tipo celular (ESPECIALIZACIÓN). Permite especializar a las células.

ELEMENTOS REGULADORES

Genes:

Estructurales: codifican proteínas que se emplean en metabolismo, biosíntesis o papel estructural en las células

Reguladores: genes cuyos productos (RNA o proteínas) interactúan con otras secuencias y afectan su transcripción o traducción

Elementos reguladores (comunes a bacterias y células eucariotas): gran parte de la regulación génica ocurre mediante la acción de proteínas producidas por genes reguladores que reconocen y se unen a secuencias de DNA y afectan a su expresión

Mecanismos de control:

Positivos: estimulan la expresión génica

Negativos: inhiben la expresión génica

PROTEÍNAS QUE SE UNEN AL ADN

Las proteínas que se unen al DNA se pueden agrupar en varios tipos distintos sobre la base de una estructura denominada MOTIVO, que se encuentra dentro del DOMINIO de unión.

Los motivos son estructuras simples. Los más comunes: hélice-girohélice (bacterias), dedo de cinc (eucariotas), cremallera de leucina (eucariotas).

Lo más común es que se unen físicamente en los surcos mayores, dedos de cinc 2 surcos mayores y la cremallera de leucina también aprovecha surcos mayores. En las bacterias es más simple y se unen a la hélice giro hélice también en los surcos mayores.

OPERÓN (control de la expresión génica en procariotas)

El operón regula la expresión de los genes estructurales a través del control de la transcripción (nivel más importante de regulación génica en bacterias).

Estructura: promotor, operador, genes estructurales. Hay varios genes porque interesa que se active toda la ruta metabólica. Se asocian los genes estructurales de manera que aquello que codifican este bajo la influencia de un mismo promotor y un mismo operador. Es un mecanismo de ahorro energético.

El operador es donde se van a unir las proteínas reguladoras, que viene de un gen regulador, que también tiene su propio operador.

La regulación de la expresión génica en procariotas es a través de la transcripción.

En eucariotas es muy difícil que un mismo promotor regula la expresión o sea responsable de varios genes. En procariotas es bastante habitual que un mismo promotor sea responsable de la transcripción de varios genes juntos.

La estructura del operón es: promotor (más importante)  operador genes estructurales. En el operador tienen que ir unidas las proteínas reguladoras que tienen que ir a su vez codificadas por …

OPERONES

INDUCIBLES: no se produce normalmente la transcripción

Positivos: proteína reguladora activadora. NO se une, por eso no se transcribe.

Negativos: proteína reguladora represora. Se une y por eso no se transcribe.

REPRIMIBLES: se produce normalmente la transcripción

Positivos: proteína reguladora activadora

Negativos: proteína reguladora represora

IMPORTANTE.

Operón inducible negativo

No inductor proteína reguladora unida al operador no transcripción

Si inductor  proteína reguladora no unida al operador  si transcripción

Operón redimible negativo

No represor  proteína reguladora no unida al operador  si transcripción

Si represor  proteína reguladora unida al operador  no transcripción.

Operón inducible negativo: normalmente no hay transcripción, impedirá que haya transcripción.

La célula no produce los productos de estos genes estructurales.

Si introducimos la bacteria en un medio con lactosa: la lactosa actúa como inductor. El promotor del gen regulador produce la proteína reguladora, que es represora, si esta unida al operador no hay transcripción, pero se une a la allolactosa si en el medio hay lactosa (se transforma por -galactosidasa), lla proteína unida a la allolactosa ya no se puede unir al operador, por lo que no hay inhibición de la transcripción y se produce la transcripción de los 3 genes estructurales. Dan lugar a 3 enzimas necesarias para metabolizar la lactosa, que son la -galactosidasa, la permeada y la transacetylasa, que hacen que la lactosa se metabolice a glucosa y galactosa.

Siempre hay un nivel basal de transcripción aunque la transcripción no esté activa. Pero con ese nivel basal nunca llegaría a metabolizar la lactosa. En el momento en que halla lactosa en el medio, ese nivel basal hace que se active la ruta de forma más drástica.

La bacteria no sintetiza las enzimas en grandes cantidades si no hay lactosa en el medio. Es un mecanismo de adaptación al medio al cual está viviendo la bacteria.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS

1) Cambios en la estructura de la cromatina: modificación de las histonas (metilación/acetilación de las colas de histonas), remodelación de la cromatina (complejos de remodelación de la cromatina), metilación del DNA (islas CpG). Con la acetilación se lleva un patrón estándar, cuando están desacetiladas las colas de las histonas se suprime la expresión de esos genes. Normalmente asociada al silenciamiento de genes.

La remodelación de la cromatina, se pueden formar complejos de remodelación que influye en la posterior remodelación de esos genes. A nivel de ADN influye la mutilación del ADN, que es añadir grupos metilo. Se metilan las citocinas generalemente, normalmente se metilan las citocinas asociadas a las guaninas cuando aparecen de manera repetitiva. Esos conjuntos de CGCGCG se denominan las islas CpG, estan distribuidas por todo el genoma pero son especialmente abundantes en los promotores de los genes, son importantes para la transcripción. Que se mutilen islas CpG en los promotores influye en la transcripción. La metilación del ADN normalmente asociada al silenciamiento de genes. La inactivación del X adicional de las hembras se produce por metilación.

Epigenética: influencia de factores externos al ADN y que influye a la replicación de esos genes.

Normalmente la desacetilación de histonas va asociada a la metilación del ADN porque ambas silencian genes.

2) Iniciación de la transcripción: proteínas activadoras de la transcripción, represores (silenciadores), intensificadores y aisladores, regulación génica coordinada (secuencias reguladoras comunes). Cuando hablamos de la transcripción, hay proteínas transcriptoras que influyen en la transcripción. Las proteínas activadoras de la transcripción están activadas por un gen regulador.

Los intensificadores, son proteínas reguladoras, curvan la molecula de ADN y aproximan el mediador a la proteína activadora transcripcional, lo que intensifica la transcripción.

También hay silenciadores, intensificadores (intensifica la transcripción de varios genes que estén más adelante, al curvar acerca esas proteínas a muchos promotores y se intensifica.) y aisladores (si entre un promotor y un intensificador hay un aislador, se para la acción del intensificador, y la transcripción de algún gen). Regulación génica coordinada (se regula de la misma manera porque tienen secuencias reguladoras comunes, con una misma proteína reguladora es capaz de activar o reprimir varios genes con secuencias reguladoras comunes.)

3) Procesamiento y degradación del RNA: corte y empalme del RNA alternativos. En la maduración también se influye. Se influye provocando cortes y empalmes del ARN alternativos. Los cortes y empalmes normales para una proteína activa, si no queremos que la proteína este activa se produce un corte y empalme alternativos y esa proteína pierde la función que tenía.

4) RNA de interferencia (silenciamiento del RNA) mediada por microRNA (miRNA) y RNA interferentes pequeños (siRNA) mediante diferentes mecanismos: escisión de mRNA, inhibición de la traducción, silenciamiento de la transcripción y degradación del mRNA. ARN de interferencia. Es una molécula pequeña de ARN, se une a un fragmento de ARN y lo silencia, impide que se traduzca la proteína.

5) Procesos que afectan a la traducción o por la modificación de proteínas.