Manual bIR - inspiracle.es · CONCEPTO DE GEN 163 ... organizada en genes que ... es la unión de...
27
Manual bIR VOLUMEN IV: MANUAL DE BIOLOGÍA MOLECULAR Autor: Dr. Tomás E. Verdura González Editora: Dra. Iliana Perdomo López
Transcript of Manual bIR - inspiracle.es · CONCEPTO DE GEN 163 ... organizada en genes que ... es la unión de...
Manual bIR
VOLUMEN IV: MANUAL DE BIOLOGÍA MOLECULAR
Autor: Dr. Tomás E. Verdura González
Editora: Dra. Iliana Perdomo López
Manual BIR. VOLUMEN IV: MANUAL DE BIOLOGÍA
MOLECULAR
Autor: Dr. Tomás E. Verdura González
© Iliana Perdomo López (editora). Depósito legal: DLC 614-2012
Reservado todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previsto en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de la editora.
ÍNDICE BIOLOGÍA MOLECULAR BIR
1.- COMPONENTES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 1
2.- ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 13
2.1- ESTRUCTURA PRIMARIA 14
2.2- PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. 14
3.- ESTRUCTURA SECUNDARIA 17
3.1- REGLAS DE CHARGAFF 17
3.2.- MODELO DE WATSON Y CRICK: FORMA B DEL ADN 17
3.3.- VARIACIONES EN LA ESTRUCTURA DEL ADN 20
3.4.- PROTEÍNAS DE UNIÓN AL ADN 26
3.5.- PROTEÍNAS DE UNIÓN AL ARN 29
4.- ESTRUCTURAS DE ORDEN SUPERIOR DEL ADN Y DEL ARN 31
4.1.- SUPERENROLLAMIENTO DEL ADN (ESTRUCTURA TERCIARIA) 31
4.2.- ESTRUCTURA DE LOS ARNs 35
4.3.- LOS RIBOSOMAS 41
5.- CONDENSACIÓN DEL ADN Y CROMOSOMAS 43
5.1.- PROTEÍNAS COMPONENTES DE LA CROMATINA 43
5.2.- NIVELES DE CONDENSACIÓN DEL ADN NUCLEAR EUCARIÓTICO 45
5.3.- EL CROMOSOMA METAFÁSICO 51
5.4.- DOTACIÓN GENÉTICA EN EUCARIOTAS 57
6.- ORGANIZACIÓN DEL GENOMA DE EUCARIOTAS 59
6.1.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL GENOMA. DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
59
6.2.- COMPLEJIDAD DEL GENOMA EUCARIÓTICO 60
6.3.- COMPLEJIDAD DEL GENOMA HUMANO 61
6.4.- ADN DE COPIA ÚNICA, SIMPLE O NO REPETITIVO 62
6.5.- ADN REPETITIVO 62
6.6.- ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA COMPLEJIDAD 69
7.- EL CICLO CELULAR 73
7.1.- CONTROL DEL CICLO CELULAR 74
7.2.- DIVISIÓN CELULAR 87
7.3.- DIFERENCIAS ENTRE MITOSIS Y MEIOSIS 96
7.4.- LA GAMETOGÉNESIS 97
8.- GENÉTICA MENDELIANA Y AMPLIACIÓN DEL MENDELISMO 99
8.1.- LAS LEYES DE MENDEL 99
8.2.- AMPLIACIÓN DEL MENDELISMO 106
8.3.- HERENCIA EN RELACIÓN CON EL SEXO 114
8.4.- COMPROBACIÓN DE LAS PROPORCIONES MENDELIANAS. PRUEBA
CHI-CUADRADO
118
8.5.- POLIGENIA. HERENCIA MULTIFACTORIAL 119
8.6.- LA HERENCIA NO NUCLEAR 120
9.- LIGAMIENTO Y RECOMBINACIÓN 123
9.1.- GENES LIGADOS 123
9.2.- LA RECOMBINACIÓN 126
9.3.- CARTOGRAFÍA EN ORGANISMOS DIPLOIDES 128
9.4.- SEGREGACIÓN Y RECOMBINACIÓN MITÓTICA 134
9.5.- INTERCAMBIOS ENTRE CROMÁTIDAS HERMANAS 134
9.6.- CONFECCIÓN DE MAPAS DE CROMOSOMAS EN HUMANOS 134
10.- MECANISMOS DE RECOMBINACIÓN 137
11.- LA REPLICACIÓN DEL ADN 147
11.1.- CARACTERÍSTICAS 147
11.2.- ENZIMOLOGÍA DE LA REPLICACIÓN 150
11.3.- ETAPAS DE LA REPLICACIÓN 154
11.4.- REPLICACIÓN MITOCONDRIAL 161
11.5.- REPLICACIÓN POR CÍRCULOS RODANTES 162
12.- LA TRANSCRIPCIÓN 163
12.1.- CONCEPTO DE GEN 163
12.2.- ENZIMOLOGÍA DE LA TRANSCRIPCIÓN 165
12.3.- TRANSCRIPCIÓN DEL GENOMA MITOCONDRIAL 175
12.4.- INHIBIDORES DE LA TRANSCRIPCIÓN 175
13.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS: CONTROL
PRETRANSCRIPCIONAL Y TRANSCRIPCIONAL
177
13.1.- CONTROL PRETRANSCRIPCIONAL 177
13.2.- CONTROL TRANSCRIPCIONAL 184
14.- CONTROL POSTRANSCRIPCIONAL O PROCESAMIENTO DEL ARN 191
14.1.- PROCESAMIENTO DEL ARN MENSAJERO 193
14.2.- PROCESAMIENTO DE LOS ARNs RIBOSÓMICOS Y TRANSFERENTES 200
14.3.- MADURACIÓN DEL ARN MITOCONDRIAL 200
14.4.- REGULACIÓN POSTRANSCRIPCIONAL Y PRETRADUCCIONAL 201
15.- EL CÓDIGO GENÉTICO 203
15.1.- CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO 203
15.2.- DESCIFRAMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO 205
16.- TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 207
16.1.- FASE PREVIA: ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS 208
16.2.- INICIACIÓN 209
16.3.- ELONGACIÓN 213
16.4.- TERMINACIÓN 215
16.5.- ENÉRGETICA 216
16.6.- INHIBIDORES DE LA TRADUCCIÓN 217
16.7.- REGULACIÓN TRADUCCIONAL 219
17.- MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES 221
17.1.- TRÁFICO O DESTINO DE LAS PROTEÍNAS 221
17.2.- MADURACIÓN DEL POLIPÉPTIDO NACIENTE 223
17.3.- DEGRADACIÓN DE LAS PROTEÍNAS 232
18.- MUTACIÓN 235
18.1.- MUTACIONES GÉNICAS 235
18.2.- MECANISMOS DE ORIGEN DE LAS MUTACIONES GÉNICAS 238
18.3.- MUTACIONES CROMOSÓMICAS ESTRUCTURALES 242
18.4.- MUTACIONES CROMOSÓMICAS NUMÉRICAS 242
19.- REPARACIÓN DEL ADN 243
19.1.- SISTEMAS PREVENTIVOS 243
19.2.- REVERSIÓN DIRECTA DE LA LESIÓN 243
19.3.- REPARACIÓN POR ESCISIÓN 244
19.4.- REPARACIÓN POSREPLICACIÓN 247
19.5.- REPARACIÓN GO 250
20.- ENFERMEDADES GENÉTICAS. ENFERMEDADES MONOGÉNICAS Y
MULTIFACTORIALES
251
20.1.- CLASIFICACIÓN DE LAS ENFERMEDADES GENÉTICAS 251
20.2.- ENFERMEDADES MONOGÉNICAS NUCLEARES 253
20.3.- ENFERMEDADES MITOCONDRIALES 263
20.4.- ENFERMEDADES POLIGÉNICAS, MULTIFACTORIALES, COMPLEJAS
O MIXTAS
264
20.5.- ENFERMEDADES COMPLEJAS: ENFERMEDAD DE ALZHEIMER 266
21.- CROMOSOMOPATÍAS O ENFERMEDADES CITOGENÉTICAS 267
21.1.- CARIOTIPO HUMANO Y SISTEMA INTERNACIONAL DE
NOMENCLATURA
267
21.2.- CROMOSOMOPATÍAS ESTRUCTURALES 269
21.3.- CROMOSOMOPATÍAS NUMÉRICAS 280
22.- BASES MOLECULARES DEL CÁNCER 287
22.1.- GENES RESPONSABLES DEL CÁNCER 287
22.2.- RUTAS REGULADORAS DE LA PROLIFERACIÓN CELULAR 290
23.- MÉTODOS DE HIBRIDACIÓN 295
23.1.- HIBRIDACIÓN EN FASE LÍQUIDA 296
23.2.- HIBRIDACIÓN EN SOPORTE SÓLIDO 296
23.3.- HIBRIDACIÓN IN SITU 298
23.4.- MICROARRAY O MICROCHIP DE ADN 302
23.5.- SINTESIS DE ADNc 305
23.6.- CGH (HIBRIDACIÓN GENÓMICA COMPARADA) 305
23.7.- TRANSFERENCIA WESTERN 306
24.- CLONACIÓN ACELULAR: REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR) 307
24.1.- OBJETIVO Y APLICACIONES DE LA PCR 307
24.2.- REQUERIMIENTOS 308
24.3.- ETAPAS DEL PROCESO 308
24.4.- CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO 310
24.5.- VARIANTES DEL MÉTODO 311
25.- TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE 315
25.1.- NUCLEASAS 315
25.2.- ENZIMAS DE RESTRICCIÓN 315
25.3.- CLONACIÓN CELULAR DE MOLÉCULAS DE ADN 319
25.4.- GENOTECAS 328
26.- MAPA GENÉTICO Y FÍSICO DEL GENOMA 331
26.1.- MAPA GENÉTICO O DE LIGAMIENTO 331
26.2.- MAPA FÍSICO 331
26.3.- SECUENCIACIÓN 336
27.- LOS GENES EN LAS POBLACIONES 343
27.1.- EQUILIBRIO DE HARDY-WEINBERG 343
27.2.- MODIFICACIÓN DE LAS FRECUENCIAS GÉNICAS Y GENOTÍPICAS 345
27.3.- CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONSANGUINIDAD INDIVIDUAL 346
BIBLIOGRAFÍA 347
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
1
1. COMPONENTES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. (2011) 212; (2010)
167, 219; (2009) 260; (2008) 174, 215, 216, 237; (2007) 185, 186; (2005) 241; (2003) 188.
Los ácidos nucleicos son macromoléculas catenarias compuestas exclusivamente por C,
H, O, N y P y constituidas por monómeros denominados nucleótidos. Existen dos tipos de
ácidos nucleicos, ADN y ARN, formados cada uno por un tipo de nucleótido:
- ADN (ácido desoxirribonucleico) por desoxirribonucleótidos.
- ARN (ácido ribonucleico) por ribonucleótidos.
Independientemente de su tipo, cada nucleótido consta de tres componentes:
1. Una pentosa.
Aparece en su forma más estable, la configuración β: la β-D-ribofuranosa en el ARN y la
β-D-2-desoxirribofuranosa en el ADN.
Fuente: Figura apartado 2.2 (pag 11) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética.,
Barcelona, 1ª ed., 2008”.
2. Una base nitrogenada heterocíclica.
Moléculas con más de un átomo de nitrógeno. Pertenecen a dos familias distintas:
- pirimidínicas: derivadas de la pirimidina, formadas sólo por un anillo. Son tres: citosina (C),
timina (T) y uracilo (U).
- púricas: formadas por dos anillos condensados. Son dos, adenina (A) y guanina (G).
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
2
Fuente: Figura apartado 2.31 (pag 12) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética.,
Barcelona, 1ª ed., 2008”.
Las bases nitrogenadas poseen las siguientes propiedades:
a) Hidrofobicidad. La naturaleza aromática de los anillos hace que las bases tengan un
marcado carácter apolar, sean hidrofóbicas y poco solubles en agua a pH celular. A pH
ácido o alcalino adquieren carga y se hacen más solubles en agua.
b) Existencia de dipolos. Salvo la adenina, todas las bases poseen átomos de nitrógeno y
oxígeno, lo que determina que se formen entre ellas enlaces polares como los puentes de
hidrógeno.
c) Disposición coplanar de los enlaces de cada anillo.
d) Tautomería. Consiste en el desplazamiento de un H desde un átomo de N o de O nuclear
hacia otro extranuclear y viceversa. Hay dos tipos de tautomerías:
d.1. Tautomería ceto-enol. El grupo ceto forma parte de un enlace amida cíclica o lactama.
Al migrar el átomo de H desde el N nuclear al O del grupo ceto, se convierte en el tautómero
lactima (enol). Esta tautomería afecta a T, G, C y U.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
3
d.2. Tautomería imina-amina. Aquí el grupo exocíclico es una imina, que al recibir el H
desde el N nuclear se convierte en un grupo amina primaria. Afecta a A, G y C.
En condiciones fisiológicas normales, los equilibrios de tautomerización están
desplazados hacia las formas ceto y amino, que son más estables. Por lo tanto, en las
bases libres, estas formas son unas 10000 veces más abundantes que las enol e imina.
Fuente: Figura (pag 15) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética., Barcelona, 1ª ed.,
2008”.
e) Carácter básico. Son bases débiles porque con valores de pka entre 9 y 10 pueden captar
protones.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
13
2. ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. (2011) 213, 246;
(2010) 202, 231; (2009) 243; (2008) 158, 243; (2006) 193; (2005) 242.
Las funciones de los dos tipos de ácidos nucleicos vienen determinadas por su
localización subcelular y su conformación tridimensional.
Diferencias entre el ADN y el ARN
ADN ARN
Función Depositario y transmisor de
la información genética,
organizada en genes que
codifican proteínas o ARNs.
Interviene en la transmisión
de la información desde el
ADN hasta los productos
génicos.
Composición Azúcar: 2´-desoxirribosa.
Bases: A, T, G, C.
Azúcar: Ribosa.
Bases: A, U, G, C.
Localización Eucariotas: en el núcleo
como cromosomas, matriz
mitocondrial y estroma de
cloroplastos.
Procariotas: en la zona
nucleoide del citosol, una
molécula de ADN circular
“cromosoma” y varios
plásmidos.
Virus: en algunos en la
cápside.
Eucariotas: en el núcleo
temporalmente, citosol,
matriz mitocondrial y
estroma.
Procariotas: citosol.
Virus: en algunos en la
cápside.
En los ácidos nucleicos se pueden considerar varios niveles estructurales, al igual
que en las proteínas:
- Estructura primaria: es la unión de los nucleótidos en un polímero lineal. El orden de las
bases define la secuencia.
- Estructura secundaria: corresponde a la conformación local, a la disposición relativa de los
nucleótidos próximos. Está definida por la asociación de dos cadenas polinucleotídicas a
través de las bases nitrogenadas.
- Estructuras de orden superior: para el ADN se incluyen las estructuras resultantes del
superenrollamiento y de la asociación con proteínas básicas para formar la cromatina. No
están determinadas por las estructuras de los niveles inferiores.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
19
Hebras equilibradas: regiones del ADN en las que una de las cadenas contiene igual
proporción de purinas y pirimidinas. Como consecuencia la hebra complementaria también
es equilibrada.
e) Helicidad y carácter dextrógiro. El apareamiento completo de las dos hebras sólo se
puede establecer si los pares de bases sucesivos van girando unos con respecto a los otros
(34,6º en el B-ADN). Como consecuencia la cadena es una doble hélice dextrógira.
Fuente: Parámetro apartado 5.2.6 (pag 46) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería
Genética., Barcelona, 1ª ed., 2008”.
f) Carácter anfipático y estabilidad. Los esqueletos azúcar-fosfato se disponen hacia el
exterior, lo cual muestra un marcado carácter hidrofílico y minimiza la repulsión
electrostática entre los fosfatos.
Las bases se dirigen hacia el interior de la hélice, perpendiculares a su eje y
superpuestas como monedas. Como consecuencia de la proximidad y paralelismo de los
anillos aromáticos se forman fuerzas de Van der Waals (hidrofóbicas), llamadas
interacciones de apilamiento, que son inespecíficas y en su conjunto la contribuyen a la
estabilidad de la molécula de una forma muy elevada.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
21
Fuente: Figura apartado 6.1.1 (pag 53) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería
Genética., Barcelona, 1ª ed., 2008”.
Fuente: Figura apartado 6.1.1 (pag 53) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería
Genética., Barcelona, 1ª ed., 2008”.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
39
Tipos de ARN interferente
Los ARN interferentes son moléculas pequeñas (de 20 a 25 nucléotidos) que se generan por
fragmentación de precursores más largos. Se pueden clasificar en tres grandes grupos:
1) siRNA
El acrónimo siRNA proviene el inglés small interfering RNA: en español, ARN interferente
pequeño. Son moléculas de ARN bicatenario perfectamente complementarias de
aproximadamente 20 o 21 nucleótidos (nt) con 2 nucleótidos desemparejados en cada
extremo 3'. Cada hebra de ARN tiene un grupo fosfato 5' y un grupo hidroxilo (-OH) 3'. Esta
estructura proviene del procesamiento llevado a cabo por Dicer, una enzima que corta
moléculas largas de ARN bicatenario (dsRNA, double stranded RNA) en varios siRNA.3 Una
de las hebras del siRNA (la hebra 'antisentido') se ensambla en un complejo proteico
denominado RISC (RNA-induced silencing complex), que utiliza la hebra de siRNA como
guía para identificar el ARN mensajero complementario. El complejo RISC cataliza el corte
del ARNm complementario en dos mitades, que son degradadas por la maquinaria celular,
bloqueando así la expresión del gen. Los siRNA pueden ser también introducidos de forma
exógena en las células utilizando métodos de transfección basándose en la secuencia
complementaria de un gen en particular, con la finalidad de reducir significativamente su
expresión.
Mecanismo de RNAi / ribointerferencia mediado por siRNA.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
51
5.3 EL CROMOSOMA METAFÁSICO
Los cromosomas metafásicos son corpúsculos observables a microscopio óptico con
aspecto de bastoncillos con dos cromátidas (cada una de las dos moléculas de ADN que
forma el cromosoma) más o menos separadas entre sí.
Las proteínas SMC mantienen la estructura de los cromosomas
Las proteínas SMC (mantenimiento estructural de los cromosomas) constan de 5
dominios, los dominios globulares amino y C-terminal se unen para formar un sitio de
hidrólisis del ATP y están conectados por dos regiones en hélice α unidas por un domino
bisagra. Generalmente son proteínas diméricas y forman un complejo en forma de V.
Las proteínas pertenecientes a la familia SMC se encuentran en todos los
organismos, de las bacterias a los humanos. Los eucariotas tienen dos tipos principales,
las cohesinas y las condensinas. Las cohesinas juegan un importante papel en la
unión de las cromátidas hermanas inmediatamente después de la replicación y las
mantienen juntas cuando los cromosomas se condensan en la metafase . Esta
asociación es esencial para la correcta segregación de los cromosomas en la metafase.
Las condensinas son esenciales para la condensación de los cromosomas en la
entrada de las células en la mitosis. En el laboratorio, las condensinas se unen al DNA
y forman vueltas superhelicoidales positivas; provocando un enrollamiento adicional del
ADN, al contrario de los nucleosomas, que lo subenrollan.
5.3.1. Morfología
La región más estrecha del cromosoma por la que se hayan unidas las dos
cromátidas hermanas, se llama centrómero o constricción primaria. En los centrómeros
se hallan los puntos de anclaje a los microtúbulos, los cinetocoros, compuestos
principalmente por ARN y proteína. El centrómero delimita los brazos cromosómicos, cuatro
antes de la mitosis y dos después. El brazo corto se nombra con la letra p (petit) y el largo
con q (queue) y así 9q designa el brazo largo del cromosoma 9. Los cromosomas se
clasifican según la posición del centrómero en:
- metacéntricos: en la mitad, los brazos son de igual longitud.
- telocéntrico: en el extremo del cromosoma.
- submetacéntricos o subtelocéntricos: brazos de tamaño diferente.
- acrocéntricos: un brazo grande y otro muy pequeño. En los brazos cortos de estos
cromosomas, excepto en el Y, existen otros estrechamientos denominados
constricciones secundarias, que delimitan una pequeña zona esférica terminal que
se denomina satélite cromosómico. En los satélites se encuentran los genes del
ARNr 18S y 28S.
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
64
- genes truncados: son copias incompletas del gen por pérdida de una región situada
en uno de los extremos, el 3´ o el 5´.
- fragmentos de genes: si han perdido ambos extremos y sólo se conserva el interior
del gen.
En este grupo hay tres tipos de familias:
- Con homología sólo en parte de la secuencia de ADN, lo que da lugar a proteínas
con grandes regiones de secuencia y estructuras comunes (dominios).
- Con homología escasa, lo que genera proteínas con pequeños motivos comunes,
cada uno de pocos aminoácidos.
- Grandes “superfamilias” con muy débil homología en la secuencia y por tanto en la
de las proteínas.
El ejemplo más representativo es el de los genes de la globina. También los de los
genes HLA-I.
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
84
Tercer punto de control
Se encuentra en la fase M, entre la metafase y la anafase. Se encarga de revisar que
todos los cromosomas se hayan unido al huso mitótico. Si detecta que uno de los
cinetocoros no se encuentra unido, manda una señal negativa al sistema de control
bloqueando la activación de proteínas implicadas en la separación de las cromátidas
hermanas. Específicamente inactiva al conjunto APC- cdc20, lo que inhibe la liberación de
la separasa, impidiendo que las cromátides hermanas se separen hasta que la señal
desaparezca.
Control extracelular del ciclo celular
La mayoría de los mitógenos controlan la tasa de división celular actuando en la fase
G1; liberan el control negativo del ciclo celular permitiendo la entrada a la fase S. Actúan
uniéndose a receptores de membrana con actividad de tirosina-cinasas los cuales activan a
la proteína G monomérica Ras cambiándola de su estado unido a GDP por GTP; esta
activación desencadena una cascada de fosforilaciones a través de las proteínas MAPK
(cinasas activadas por mitógenos). A su vez estas proteínas MAPK transmiten el estimulo
a diversas moléculas efectoras (cinasas de proteínas o factores de trascripción). Esta
cascada de fosforilaciones ocasiona la trascripción de genes tempranos (entre los que
destacan los que codifican a las ciclinas de G1), algunos de estos genes a su vez activan la
trascripción de otros genes denominados genes tardíos. De esta manera la vía de
señalización Ras-MAPK transmite señales extracelulares al núcleo activando la maquinaria
del ciclo celular.
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
96
Comienza cuando los cromosomas anafásicos llegan a sus respectivos polos.
SEGUNDA DIVISIÓN MEIÓTICA
Después de la telofase, existe un corto período de interfase que algunas veces es de
larga duración y en el que no hay duplicación del ADN.
Las dos células hijas llegan con una dotación haploide de cromosomas, aunque cada
uno está constituido por dos cromátidas (n cromosomas y 2C de ADN). La segunda división
tiene como objeto separar esas cromátidas hermanas dejando dos células haploides, n, con
un contenido en ADN igual a C.
La profase II es corta y similar a la de una mitosis.
En la metafase II, los cromosomas se disponen en el plano ecuatorial.
El centrómero se rompe separándose los cinetocoros y las dos cromátidas hijas se
dirigen a los polos opuestos durante la anafase II. p. 75 (2010).
Cada uno de los cuatro núcleos de la telofase II tendrá una cromátida de lo que
inicialmente fue una tétrada, que será diferente genéticamente de cualquiera de las
presentes en los cromosomas materno y paterno. Además, cada núcleo haploide tiene una
composición genética diferente.
7.3. DIFERENCIAS ENTRE MITOSIS Y MEIOSIS
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
137
10. MECANISMOS DE RECOMBINACIÓN. (2013) 95.
La fuente primaria de variabilidad es la mutación, sin embargo, en los organismos
con reproducción sexual la producción de individuos con nuevas combinaciones de alelos a
partir de los ya existentes en la población, es el mecanismo más importante de producción
de variabilidad genética. Existen diferentes tipos de recombinación:
- recombinación homóloga general.
- recombinación específica de sitio.
- transposición.
En eucariotas la recombinación genética se produce por la distribución independiente
de los cromosomas durante la meiosis y por la existencia de un intercambio físico de
segmentos cromosómicos entre dos cromátidas no hermanas de dos cromosomas
homólogos, a través del entrecruzamiento que tiene lugar en la profase I de la meiosis. En
procariotas la recombinación genética se lleva a cabo mediante fenómenos parasexuales:
conjugación, transformación, transducción y sexducción.
MECANISMOS MOLECULARES DE LA RECOMBINACIÓN GENERAL HOMÓLOGA
1. MODELO DE HOLLIDAY
El primer modelo aceptado fue propuesto por Holliday en 1964 para procariotas.
Consiste en un proceso de ruptura de dos moléculas de ADN homólogas en el mismo lugar
de una sola cadena en cada doble hélice, seguido de un intercambio de fragmentos entre
ellas y una reconstitución de dos moléculas que contienen partes intercambiadas. Los
pasos básicos son los siguientes:
- Apareamiento de los cromosomas homólogos mediado por el complejo sinaptonémico. Las
dobles hélices implicadas en el entrecruzamiento rotan de manera que queden enfrentadas
con la misma polaridad.
- Producción de cortes en las dos cadenas de la misma polaridad y desenrollamiento de la
doble hélice. Este paso lo lleva a cabo el complejo RecBCD con actividad nucleasa y
helicasa, que genera cadenas sencillas. La actividad nucleasa reconoce el sitio chi, una
secuencia constituida por 8 pb (5´-GCTGGTGG-3´) y que se encuentra en multitud de sitios
del genoma. La cadena sencilla originada, una vez estabilizada por la proteína Ssb
desencadena el proceso.
- Los extremos rotos invaden la doble hélice contraria: una hélice sencilla desplaza a la
cadena de su misma polaridad y la otra hace lo mismo. Las cadenas desplazadas se unen a
RecA, que reconoce el ADN de cadena sencilla y promueve la invasión de esta cadena
hacia una doble hélice que esté en su proximidad. Si encuentra homología desplaza a la
cadena de igual polaridad. El que se mueve es siempre el extremo 3´-OH. La cadena
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
151
La hebra crece por su extremo 3´ y se dice que la síntesis tiene lugar en dirección
5´→3´.
11.2.3. Tipos de ADN polimerasas
La síntesis de ADN ocurre de forma idéntica en todos los organismos y en todas las
ubicaciones subcelulares, pero es efectuada por enzimas distintas en distintos casos. Se
denominan polimerasas de ADN dirigidas por ADN (o dependientes de ADN), o
comúnmente ADN polimerasas (ADNpol). Las principales polimerasas son:
Molécula sintetizada Molécula molde Nombre completo Nombre común
ADN ADN ADN polimerasa
dependiente de ADN
ADN polimerasa
ADN ARN ADN polimerasa
dependiente de ARN
Transcriptasa inversa
Telomerasa
ARN ADN ARN polimerasa
dependiente de ADN
ARN polimerasa
Primasa
ARN ARN ARN polimerasa
dependiente de ARN
ARN replicasa
11.2.3.1. ADN polimerasas de procariotas
En procariotas se han descrito 3 ADN polimerasas: ADN polimerasa I, ADN
polimerasa II y ADN polimerasa III. La I y la II son monoméricas.
La primera descubierta, por Kornberg en 1958, y la mejor estudiada es la ADNpol I
de E. coli. Su hidrólisis con subtilisina o tripsina origina dos fragmentos:
- Fragmento grande o de “Klenow”: es el N-terminal, de 68kDa. Contiene los centros
activos responsables de las actividades polimerasa y 3´-exonucleasa. Se emplea
para la síntesis in vitro de ADN.
- Fragmento pequeño: el C-terminal, de 35kDa y estructura poco conocida. Sólo
muestra la actividad 5´-exonucleasa.
Es única entre las polimerasas porque la actividad exonucleasa 5´→3´ le permite
hidrolizar secuencialmente ADN o ARN a partir del extremo 5´ de la hebra. Así es capaz de
eliminar el cebador y sustituirlo por ADN durante la síntesis discontinua de la hebra
retardada. También interviene en la escisión de los dímeros de pirimidina (actividad de
reparación) y experimentalmente se emplea para preparar sondas marcadas.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
153
Formación y composición de la holoenzima ADNpol III. La holoenzima
contiene dos copias del núcleo catalítico de la enzima lo que permite que la hebra guía y
retardada se sinteticen de forma coordinada.
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
168
12.2.2.4. Polimerasas
En procariotas y mitocondrias y cloroplastos de eucariotas, una sola ARN polimerasa
sintetiza los tres tipos de ARNs: ARNm, ARNt y ARNr.
En el núcleo de eucariotas existen 3 ARN polimerasas diferentes: ARNpol-I,
ARNpol-II y ARNpol-III, que sintetizan cada una distintos tipos de ARN. Sus
características son las siguientes:
ARNpol-I ARNpol-II ARNpol-III ARNpol
Localización Nucleolo Nucleoplasma Nucleoplasma Mitocondrias
Cloroplastos
Tránscrito
primario
Pre- ARNr
grande
45S precursor
de:
Pre-ARNm Pre-ARNt
Pre-ARNr
pequeño
ARNr, ARNm
y ARNt
mitocondriales
o
cloroplásticos Producto
génico final
ARNr 28S
ARNr 18S
ARNr 5,8S
ARNm
Mayoría de ARNsn (ARN
U1-U5)
miRNA
ARNt
ARNr 5S
snRNA U6
snoRNA
Actividad
enzimática
50 -70% 20 – 40% ≈ 10%
Efecto de la
α-amanitina
Ninguno Fuerte inhibición Inhibición débil Ninguno
Sí afectada
por la rifampicina
No se sabe si se sintetizan directamente en forma activa o como pre-ARNs que necesitan
maduración.
Las ARN polimerasas no requieren cebador y carecen de actividad correctora
exonucleasa 3´→5´.
Estructura de la ARN polimerasa de E. coli
La ARN polimerasa de procariotas, la mejor estudiada, está formada por 4 (puede
que 5) polipéptidos asociados en la llamada enzima “mínima” o “núcleo” . Para iniciar la
transcripción, la enzima necesita de la unión de otro polipéptido independiente, el factor σ.
Enzima núcleo:
Subunidad α: ensambla la enzima núcleo y se une a proteínas reguladoras.
Subunidad β: sitio catalítico de la polimerasa.
Subunidad β´: se une al ADN molde.
Subunidad ω:
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
198
Fuente: Tabla apartado 21.3.3.4 (pag 52) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería
Genética., Barcelona, 1ª ed., 2008”.
14.1.3.1 Otros tipos de intrones
Grupo I: Pertenecen los intrones de algunos genes que codifican ARNr nucleares,
mitocondriales y de cloroplastos. Su procesamiento requiere como cofactor externo un
nucleósido o un nucleótido de guanina. El splicing no utiliza ATP como fuente de energía.
Grupo II: Aparecen en genes de mitocondrias o cloroplastos que codifican pre-
ARNm. No necesitan cofactor externo, sino que usan el 2´-OH de una A del propio intrón. No
necesitan spliceosoma, sino que experimentan un autosplicing catalizado por el propio ARN.
Estos ARNs con función autocatalítica constituyen uno de los casos de ribozimas.
Grupo III: Es el más numeroso y el ya visto para los intrones de los genes nucleares
que codifican proteínas.
Grupo IV: comprende ciertos genes de ARNts. El splicing requiere ATP.
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
208
b) ARNm policistrónicos: sólo aparecen en procariotas y virus y codifican varios
polipéptidos. La traducción se inicia, simultáneamente o no, en varios codones de
inicio y finaliza en sus respectivos codones de terminación.
En la traducción se distinguen varias etapas: una fase previa de activación,
iniciación, elongación y terminación.
16.1. FASE PREVIA: ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS
La unión del aminoácido correcto a cada ARNt es el paso más crítico de la expresión
génica y debe realizarse de forma correcta. La unión del aminoácido con el ARNt se realiza
en dos reacciones catalizadas por la misma enzima, una aminoacil-ARNt sintetasa (aaRS):
R-CH(NH2)-COOH + AMP-P-P + enzima → Enzima-AMP-CO-CH(NH2)-R + PPi
(aminoácido) (ATP) (aminoacil-AMP-enzima)
La hidrólisis del PPi impulsa la reacción: PPi → 2Pi
Enzima-AMP-CO-CH(NH2)-R + ARNt-OH → ARNt-O-CO-CH(NH2)-R + AMP + enzima
(aminoacil-AMP-enzima) (aminoacil-ARNt)
Reacción global
Aminoácido + ATP + ARNt → Aminoacil-ARNt + AMP +2Pi
El producto final de la doble reacción es un aminoacil-ARNt, con un enlace éster
entre el grupo 3´-OH terminal del ARNt y el grupo carboxilo del aminoácido.
16.1.1. Las aminoacil-ARNt sintetasas
Tipos
Existen dos tipos que se diferencian en la segunda reacción:
a) Las de clase I forman el éster inicialmente sobre el grupo 2´-OH del ARNt, con lo que se
necesita una transesterificación posterior. La mayoría son monoméricas. Reconocen los 10
aminoácidos más grandes y polares: Arg, Cys, Gln, Glu, Ile, Leu, Met, Trp, Tyr y Val.
b) Las de clase II unen el aminoácido directamente al grupo 3´-OH del ARNt. Son diméricas
y reconocen los otros 10 aminoácidos, más pequeños e hidrófobos.
Especificidad
Cada aminoacil-ARNt sintetasa reconoce un único aminoácido, (del que toma el
nombre) y todos los ARNt cuyos anticodones codifican ese mismo aminoácido (ARNt
sinónimos o isoaceptores). De acuerdo con esto, en la célula existen 20 aaRS distintas. El
papel de estas enzimas es esencial en la fidelidad de la síntesis proteica.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
209
Mecanismo de reconocimiento de los aminoácidos por las sintetasas
Es similar al reconocimiento de cualquier otro sustrato por la enzima
correspondiente. Cada aminoácido encaja en un determinado lugar del centro activo de la
enzima gracias a diversos tipos de interacciones.
Mecanismo de reconocimiento de los ARNt por las sintetasas
Los principales puntos de reconocimiento están en el brazo aceptor (extremo 3´) y en
el brazo anticodón, a veces incluyendo al propio anticodón. Muchas de las sintetasas de la
clase I reconocen el brazo del anticodón; muchas de las aaRS de la clase II reconocen sólo
el brazo aceptor, algunas reconocen ambos brazos y las hay que requieren además otras
secuencias y aspectos estructurales del ARNt.
El mecanismo general de reconocimiento es diferente del de las proteínas de unión
al ADN (que formaban puentes de hidrógeno con grupos de los surcos mayor y menor). El
ARNt no es tan adecuado para interaccionar con la proteína como lo hace el ADN.
16.1.2. Corrección de errores cometidos por las aaRS
La elevada especificidad de las aminoacil-ARNt sintetasas hace que los errores sean
infrecuentes. Aún así, existen mecanismos de corrección que actúan sucesivamente en el
centro activo de la enzima antes y después de cada etapa de la reacción de síntesis.
A pesar de todos estos mecanismos de corrección, la tasa de error de la traducción
es mucho mayor que la de la replicación, de uno por cada 10.000 aminoácidos (frente a uno
por cada 106-108 nucleótidos en la replicación).
16.1.3 Balance energético de la activación
En cada reacción de aminoacilación se hidrolizan dos enlaces fosfato de alta energía
para formar el enlace entre el aminoácido y el ARNt.
16.2. INICIACIÓN.
Es la etapa previa a la formación del primer enlace peptídico, determina la velocidad
global de la síntesis y transcurre de forma semejante en procariotas y eucariotas salvo por
las proteínas implicadas.
16.2.1. El punto de inicio.
La traducción nunca comienza en el primer nucleótido del extremo 5´del ARNm,
por eso siempre se representa una región líder 5´ no traducida. Sólo un codón AUG, situado
internamente en la molécula, actúa como punto de inicio. Este AUG debe ser reconocido por
el ribosoma y el ARNt iniciador.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
217
16.6. INHIBIDORES DE LA TRADUCCIÓN
Muchas sustancias impiden o dificultan la traducción, son importantes porque pueden
emplearse como antibióticos, especialmente los que son selectivos sobre procariotas.
La selectividad de los antibióticos y toxinas sobre organismos procariotas o
eucariotas se debe a las diferencias en sus ribosomas y en algunos casos, como en las
tetraciclinas, a la incapacidad de la molécula de atravesar la membrana de las células
eucariotas.
El efecto inhibidor puede ejercerse en distintas etapas del proceso de traducción:
Etapa afectada Ejemplos Efecto sobre
Procariotas
o Eucariotas
Detalles de la acción
Activación de lós
aminoácidos
Mupirocina
(o ácido pseudomónico)
P Inhibe competitivamente la Ile-tRNA
sintetasa, evitando la incorporación de Ile y
dteniendo la síntesis proteica
Iniciación
(paso 2, complejo
de preiniciación)
Estreptomicina
(un aminoglucósido)
P Se fija de modo irreversible a la subunidad
menor 30S, por interacción con varias de
sus proteínas y con el Rrna 16S. Distorsiona
la entrada de fMet-tRNA iniciador y
también produce errores de lectura de
mRNA durante la elongación, al interferir
con el apareamiento codón/anticodón
Pactamicina E Impide la ubicación de Met-tRNA iniciador
en la subunidad menor 40S
Showdomicina E Impide la formación del complejo Met-
tRNAi : elF-2 : GTP
Interferón E Induce la expresión de una proteína quinasa
que fosforila a elF-2, inactivándolo (de
forma similar al HCl)
Iniciación
(paso 3, complejo
de iniciación)
Eritromicina P Se une a un sitio específico en el rRNA 23S
de la subunidad mayor 50S. Impide la
asociación con la subunidad menor; otra
acción es interfiriendo la translocación.
Elongación
(paso 4,
ubicación)
Tetraciclinas P>E Se unen a la subunidad menor, interfiriendo
con la fijación del aa-tRNA al sitio A
Kirromicina P Bloquea la disociación de GDP del factor
EF-Tu (equivalente al eEF-1α eucariótico),
lo que evita su salida del ribosoma.
Ricina
(glicoproteína de origen
vegetal; con 2 cadenas
A y B; la primera es la
toxina, 66 kDa)
E Se une a proteínas de la subunidad mayor
60S, bloqueando la unión de aa-tRNA: Eef-
1α : GTP, y posiblemente también de
Eef2(transpeptidación)
Elongación
(paso 5,
transpeptidación)
Cloranfenicol P y
mitocondrial
Se une selectivamente a una proteína de la
subunidad mayor 50S, interfiriendo en la
interacción del aa-tRNA con el centro
activo de la peptidiltransferasa, como
inhibidor competitivo
Cicloheximida E Similarmente al cloranfenicol, inhibi la
actividad peptidiltransferasa pero sólo en el
ribosoma eucariótico (subunidad mayor
60S)
Puromicina P y E Análogo estructural del aa-tRNA, forma
enlace con el péptido provocando su
terminación prematura
InspiracleBIR/2015 Biología Molecular
238
18.2. MECANISMOS DE ORIGEN DE LAS MUTACIONES GÉNICAS
Existen dos grandes categorías de mutaciones: espontáneas e inducidas. Las
espontáneas son las que se producen de manera natural, sin que se utilice ningún agente
inductor específico, mientras que las inducidas son las que surgen artificialmente por la
acción de un agente inductor.
18.2.1 MECANISMOS DE ORIGEN DE LAS MUTACIONES ESPONTÁNEAS
Se producen principalmente como consecuencia de errores en la replicación o por la
acción de procesos celulares que alteran las bases nitrogenadas, lo que se denominan
lesiones espontáneas.
A. Los errores replicativos de emparejamientos erróneos de bases, si no son
reparados, originan transiciones.
A.1. Uno de los mecanismos de producción de estos errores es la tautomería. En el
ADN las formas tautoméricas predominantes de las bases son las formas ceto de la guanina
y la timina y las amino de la citosina y de la adenina. Las formas tautoméricas raras son las
enol de la G y la T y las imino de la C y la A. En ocasiones alguna base puede adquirir una
forma tautomérica rara y durante la replicación se emparejará incorrectamente originando
una transición.
A.2. Otro tipo de fallo replicativo son los deslizamientos de las hélices en regiones
con repetición de nucleótidos, lo que origina inserciones y deleciones de bases (según la
cadena que sufra el deslizamiento) que finalmente darán lugar a cambios en la pauta de
lectura del gen. En humanos estos deslizamientos de hélices, denominados bucles de
inserción/deleción (IDL) deben ser frecuentes y existen mecanismos especiales de
reparación de los mismos. Se ha demostrado en diversas enfermedades hereditarias que la
patología se origina por el incremento en el número de tripletes en los genes responsables
que muestran en su secuencia regiones con repeticiones de nucleótidos (p. ej., un
determinado triplete repetido diez veces).
Enfermedades causadas por expansión de tripletes repetidos
- Corea de Huntington.
- Distrofia miotónica.
- Síndrome del X frágil.
- Atrofia muscular espinobulbar.
- Algunos tipos de ataxia.
Biología Molecular InspiracleBIR/2015
347
BIBLIOGRAFÍA
- FERNÁNDEZ PIQUERAS, J. et al: Genética. Ariel Ciencia, 1ª ed., 2002.
- GRIFFITHS, A., SUZUKI, D., LEWONTIN, R., MILLER, J.: Genética. McGraw-
Hill Interamericana. 7ª ed., 2002.
- KLUG, W.S., CUMMINIGS, M.R. y SPENCER, C.A.: Conceptos de Genética.
Pearson Prentice Hall. Madrid, 8ª ed. 2006.
- LUQUE, J. y HERRÁEZ, A.: Texto ilustrado de Biología Molecular e ingeniería
genética. Barcelona, 1ª ed. 2008.
- MENSUA, J. L.: Genética: Problemas y ejercicios resueltos. Pearson Prentice
Hall. 2002.
- NELSON, D.L. y COX, M.M.: Lehninger. Principios de Bioquímica. Ediciones
Omega, Barcelona, 4ª ed., 2006.
- PANIAGUA GÓMEZ ÁLVAREZ, R.: Citología e histología vegetal y animal.
McGraw-Hill Interamericana.4ª ed., 2007.
- SOLARI, A. J.: Genética humana: fundamentos y aplicaciones en medicina.
Editorial Médica Panamericana. Buenos Aires, 3ª ed., 2004.
- TAMARIN, R. H.: Genética. Editorial Reverté, S. A. España, 4ª ed., 1996.
- BROWN, T.A. “Genomas” Editorial médica Panamericana. 3ª edición. 2008.
Páginas web
- http://www.ucm.es/info/genetica/grupod
- http://www.drscope.com/pac/mg/b1/index.htm
- http://www.es.embnet.org/-Imc/
- http://genmolecular.wordpress.com/ligamiento
