Biología Molecular: Conceptos, Mecanismos y Aplicaciones

BLOQUE 3: BIOLOGÍA MOLECULAR

Introducción a la Biología Molecular

Concepto y origen de la Biología Molecular
Aportaciones experimentales clave en el desarrollo de la Biología Molecular
Objetivos de la Biología Molecular en relación a la Medicina: diagnóstico, terapia convencional y terapia génica
Dogma central de la Biología Molecular

Estructura primaria de los ácidos nucléicos

Tipos de ácidos nucléicos y características generales
Elementos químicos estructurales de los nucleótidos y tipos de enlaces que los mantienen
Unión de los nucleótidos en la estructura primaria de los ácidos nucléicos: partes constantes y variables de la estructura y polaridad de las cadenas
Representaciones esquemáticas de la secuencia
Otras funciones de los compuestos con carácter nucleotídico en los organismos

Organización de las secuencias del ADN

Contenido de ADN y complejidad de los organismos: diferencias en la organización de la información genética entre procariotas y eucariotas
Tipos de secuencias en el ADN eucariótico: secuencias únicas, moderadamente repetidas y altamente repetidas
El proyecto genoma humano: aportaciones y proyección futura
Concepto y características de los genes eucarióticos

TEMAS 18-19. Análisis de las secuencias del ADN

Métodos de análisis de la secuencia de los ácidos nucléicos
Hidrólisis enzimática del ADN: exonucleasas, endonucleasas y endonucleasas de restricción
Técnicas de localización de secuencias concretas: Southern y Northern Blotting y su importancia práctica en el diagnóstico médico
Técnicas de secuenciación: métodos químico y enzimático

Niveles superiores de organización de los ácidos nucléicos

Estructura secundaria del ADN y fuerzas que lo estabilizan: modelo doble helicoidal del ADN B de Watson y Crick
Flexibilidad y dinamismo del ADN: otras formas del ADN y su importancia bioquímica y fisiológica
Desnaturalización y renaturalización del ADN y su importancia práctica
Efecto hipercrómico y temperatura de fusión
Estructura y funciones de las moléculas de ARN: diferencias químicas, estructurales y funcionales con el ADN
Características e importancia de la modificación de bases en el ADN y ARN
Niveles superiores de organización y compactación del ADN
Control enzimático del superenrollamiento en procariotas y sus implicaciones terapéuticas
Organización y estructura de los nucleosomas en eucariotas y formación de las fibras de cromatina

TEMAS 21-23. Estudio de la replicación del ADN

Características generales de la replicación
Mecanismo general de actuación de las ADN polimerasas: requerimientos para su funcionamiento
Tipos de ADN polimerasas en procariotas y su función: características estructurales y funcionales de la ADN polimerasa III
Bases bioquímicas e importancia de su capacidad correctora
Otras proteínas necesarias en el proceso de replicación: primosoma, replisoma y replicón
Mecanismo de la replicación en procariotas: estudio de las unidades de replicación (diferencias entre la hebra retardada y la conductora)
Replicación en eucariotas: principales diferencias con procariotas e importancia de las telomerasas
Aplicaciones prácticas derivadas del conocimiento del mecanismo bioquímico de la replicación: Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) y método enzimático de secuenciación

TEMAS 24-25. Características generales y mecanismo bioquímico de la transcripción

La transcripción es el primer paso en la vía de expresión génica: de la genómica a la proteómica
Características generales de la transcripción
Mecanismo general de actuación de las ARN polimerasas: requerimientos para su funcionamiento
Tipos de ARN polimerasas en procariotas y eucariotas y su función: características estructurales y funcionales de la ARN polimerasa procariótica, e importancia del factor σ
Las ARN polimerasas inician la transcripción a partir del reconocimiento de los centros promotores de los genes: concepto de promotor y secuencias consenso de los diferentes promotores
Mecanismo de la transcripción en procariotas: reconocimiento del promotor e iniciación, elongación (burbuja de transcripción) y tipos de terminación
Transcripción en eucariotas: principales diferencias con procariotas e importancia de su estricto control por factores en cis y en trans (factores de transcripción, coactivadores, activadores, represores, intensificadores y silenciadores)
Mecanismos adicionales de control de la transcripción por la ARN pol II: fosforilación de su dominio CTD, factores de elongación, metilación del ADN y organización del ADN en los nucleosomas (modificaciones químicas de las histonas)
Resumen general de las similitudes y diferencias entre los procesos de replicación y transcripción

Modificaciones y procesamiento post-transcripcional del ARN

Concepto y función de las modificaciones post-transcripcionales
Modificaciones del hnARN para formar mARN:
- Cap (estructura, tipos y función)
- Cola poliA (mecanismo de incorporación y probables funciones)
- Eliminación de intrones y religado de exones (proceso autocatalítico, partes estructurales del intrón implicadas en el splicing, organización de los espliceosomas, reorganización diferencial de exones, mutaciones en intrones y enfermedades genéticas)
- Editado (concepto e importancia bioquímica y fisiológica)
Modificaciones de los transcritos primarios para generar rARNs y tARNs: transcritos primarios conjuntos, endonucleasas y exonucleasas, modificación enzimática selectiva de bases y azúcares
Concepto e importancia práctica de los cADN y de losl ARN antisentido y de interferencia

Regulación de la expresión génica en Procariotas

Expresión génica y control de la actividad transcripcional
Concepto de operón
Control a nivel de la iniciación transcripcional
Tipos de regulación
El operón de la lactosa: regulación negativa y desinhibición por ligando
El represor lac
Control del operón lac por AMPc y proteína CAP
El operón trp: un operón represible
Control mediado por la estructura del RNA: terminación y antiterminación

Regulación de la expresión génica en Eucariotas (I)

El genoma eucariota y procariota
Especialización celular y expresión génica selectiva
Elementos de control de la expresión génica en el DNA eucariota:
- El Promotor
- Elementos iniciadores
- Elementos reguladores proximales y elementos amplificadores distales
- Elementos en cis y en trans

Estructura y dinámica de los factores de transcripción

Factores de transcripción en eucariotas: generalidades
Interacción de los factores de transcripción con las regiones reguladoras
Unión cooperativa y amplificosoma
Motivos estructurales comunes de factores de transcripción
Dominios de unión al DNA y de activación
Dominio hélice-bucle-hélice
Homeodominio
Dominio básico + cremallera hidrofóbica
Factores de transcripción con dedos de cinc

Regulación de la expresión génica en Eucarlotas (II)

Estrategias de regulación
Los patrones de expresión génica pueden variar en respuesta a señales
Mecanismos de activación de factores de transcripción
Modelo de regulación transcripcional por receptores nucleares: papel del ligando, reclutamiento de coactivadores y apertura de la cromatina

Bioquímica de oncogenes, protooncogenes y genes oncosupresores. I. Mutaciones del DNA y anomalías cromosómicas

Mutación: definición y causas
Mutaciones puntuales: sustitución, delección y adición (Cambio de la pauta de lectura)
Mutación por carcinógeno
Anomalías cromosómicas: inversión, delección, translocación e inserción
Aneuploidias

Bioquímica de oncogenes, protooncogenes y genes oncosupresores. II. Protooncogenes

. Importancia del ciclo celular. Protooncogenes y genes oncosupresores. Mutación y oncogénesis. Los proto-oncogenes codifican proteínas normales que participan en el control de la división celular. Las mutaciones activadoras en proto-oncogenes generan oncogenes. Mecanismos de ganancia de función. Ejemplos: mutación puntual, delección, amplificación, translocación y proteínas de fusión.
TEMA 33: Bioquímica de oncogenes, protooncogenes y genes oncosupresores. III. Oncogenes retrovirales y genes oncosupresores. Oncogenes retrovirales. Clasificación: acción rápida y acción lenta. Genes oncosupresores: Rb y p53. La pérdida de heterozigosidad de los genes oncosupresores. Acumulación de alteraciones genéticas en el carcinoma.
TEMA 34: Biosíntesis de proteínas: visión general y código genético. Repaso de los componentes necesarios para la síntesis proteica: ribosomas (polisomas), aminoácidos activados, aminoacil-tARN-sintetasas, tARNs, mARNs, factores de iniciación, elongación y terminación, peptidil transferasa, Codones de inicio y terminación, requerimientos energéticos, capacidad correctora, sentido de lectura del mensajero y de síntesis de la cadena polipeptídica. Concepto y características del código genético estándar: codones sinónimos y efecto de balanceo. Código reconocido por las aminoacil-tARN-sintetasas: segundo código genético.
TEMA 35-36: Biosíntesis de proteínas: mecanismo bioquímico de la traducción. Características generales de la traducción: proceso citoplásmico. Etapa de activación de los aminoácidos: mecanismo bioquímico e importancia de la capacidad correctora de las aminoacil-tARN-sintetasas. Etapa de iniciación: codón y aminoácido iniciador, mecanismos de reconocimiento del codón de inicio en procariotas (secuencia Shine-Dalgarno, mARNs policistrónicos) y eucariotas (cap, mARNs monocistrónicos), montaje de la maquinaria de traducción y papel de los factores de iniciación). Etapa de elongación: características bioquímicas de un ciclo de elongación, sitios E, P y A del ribosoma, papel de los factores de elongación, actividad peptidil transferasa y capacidad correctora. Etapa de terminación: codones y factores de terminación, liberación de la cadena polipeptídica y reciclado de los componentes de la maquinaria de síntesis. Importancia de la traducción como diana de antibióticos antibacterianos.
TEMA 37: Biosíntesis de proteínas: modificaciones post-traduccionales de la cadena polipeptídica. Etapa de maduración de la cadena polipeptídica: concepto, significado y tipos de modificaciones post-traduccionales: plegamiento (chaperonas), modificación de los extremos, eliminación de secuencias señalizadoras (pre-proteínas) o inactivantes (pro-proteínas), formación de puentes S-S, unión de grupos prostéticos, adición de glúcidos o lípidos y modificación química de los restos laterales de los aminoácidos (fosforilación, metilación, carboxilación, hidroxilación,….).
TEMA 38-39: Tecnología del ADN y sus aplicaciones médicas. Repaso de las herramientas que permiten la manipulación del ADN (ADN recombinante o ingeniería genética). Aplicación de la tecnología del ADN al diagnóstico médico: enfermedades diagnosticables, ventajas, fundamentos metodológicos de las técnicas diagnósticas (el ejemplo de los RFLPs). Aplicación de la tecnología del ADN para la obtención de proteínas de utilidad terapéutica (terapia convencional): proteínas obtenibles, ventajas y metodología (clonación y expresión de genes humanos: genotecas, vectores, sistemas de expresión, concepto e importancia de los animales transgénicos). Tecnología del ADN y terapia génica: concepto de terapia génica, características y limitaciones.