Replicación Procariotas

Fase de Iniciación

Parte de una señal de inicio denominada origen de replicación.

• La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras complementarias y las separa.
• Las topoisomerasas eliminan las tensiones y los superenrollamientos que se producen en la molécula al desenrollarse la doble hélice. Cortan las hebras y las vuelven a unir.
• Las proteínas SSB mantienen las dos hebras complementarias separadas.
• Se inicia la formación de la horquilla de replicación.
• El proceso es bidireccional: la replicación ocurre en las dos direcciones en el origen de replicación se producen dos horquillas que avanzan en sentido opuesto, es decir, hay una helicasa que trabaja en un sentido y otra en sentido contrario.
• Las dos horquillas de replicación enfrentadas forman la burbuja de replicación.

Fase de Elongación

• La primasa sintetiza un primer o cebador (fragmento de ARN) que proporciona el extremo 3 OH para el inicio de la polimerización.
• La ADN polimerasa III, partiendo del primer, sintetiza una hebra de ADN en sentido 5´ → 3´ a partir de nucleótidos trifosfato. Esta nueva hebra tiene un crecimiento continuo y se denomina hebra conductora o adelantada.
• Sobre la hebra antiparalela, la primasa sintetiza unos 40 nt de ARN (en un punto que dista unos 1000 nt de la señal de iniciación) a partir del cual, la ADN polimerasa III sintetiza un fragmento de Okazaki.  Este proceso se va repitiendo a medida que se van separando las dos hebras patrón.
• La ADN polimerasa I retira los segmentos de ARN (y añade nucleótidos de ADN en su lugar).
• Finalmente, la ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki. Esta nueva hebra tiene un crecimiento discontinuo y se denomina hebra retardada.
• Las moléculas resultantes tienen una cadena vieja y otra de nueva síntesis (replicación semiconservativa).

Fase de Terminación

• Se completa la síntesis del cromosoma bacteriano.
• Se separan las dos moléculas de ADN circular, cada una de ellas con una hebra antigua y otra de nueva síntesis.

Transcripción

Fase de Iniciación

Delante de cada unidad de transcripción (segmento de ADN que se transcribe) hay un promotor (región de ADN que no se transcribe).

El promotor:

• Tiene unas secuencias consenso (secuencias de nt TTGACA y TATAAT), a las que se asocia la ARN polimerasa.
• Determina cuál de las dos cadenas debe ser transcrita (hebra patrón) y, a veces, es común a varios genes.

Cuando la ARN polimerasa se ha fijado al promotor, desenrolla aproximadamente una vuelta de hélice (se forma la burbuja de transcripción que permite que la secuencia de bases del ADN quede expuesta y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir) e inicia la polimerización de ARN, siguiendo la hebra patrón.

La burbuja de transcripción se forma en el inicio y, posteriormente durante la elongación, se desplaza a lo largo del ADN, junto con la ARN polimerasa.

Fase de Elongación

• La ARN polimerasa sintetiza o añade ribonucleótidos en sentido 5´ → 3´, lee en sentido 3´ → 5´.
• Los ribonucleótidos se van añadiendo según las normas de complementariedad de bases.
• El producto de ARN es complementario a la hebra molde y es casi idéntico a la otra hebra de ADN, hebra no molde (o codificante). Sin embargo, hay una diferencia importante en el ARN recién sintetizado: todos los nucleótidos T han sido sustituidos por nucleótidos U.

Fase de Terminación

• La ARN polimerasa continúa la transcripción hasta que encuentra una señal de parada o secuencia terminadora de ADN, que es una región palindrómica (secuencia con la misma lectura de derecha a izquierda y de izquierda a derecha).
• El ARN forma entonces una horquilla, que hace que se separe del ADN molde y se interrumpa la síntesis del ARN.
• La molécula de ARNm o, en su caso, el transcrito primario (precursor de los ARNr y ARNt), se separa.
• El ARNm puede empezar a traducirse incluso cuando no ha acabado la transcripción.
• Cuando un ARN está siendo traducido por varios ribosomas, se dice que el conjunto forma un polisoma.
• Los ARNm procariotas pueden codificar varias proteínas, se dice que son policistrónicos.

Traducción

Fase de Iniciación

• El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma gracias a la secuencia inicial 5´ UTR o región líder que no se traduce y en la que hay unos 10 nt complementarios con el ARN r.
• Después, la subunidad pequeña se mueve respecto al ARNm hasta que encuentra el codón de iniciación 5´ AUG 3´.
• A estos 3 nt se asocia el aminoacil ARNt iniciador específico, que presenta el anticodón 3´ UAC 5´ y que transporta el aminoácido metionina en las células eucariotas y formilmetionina en las células procariotas. Se establecen enlaces de hidrógeno entre codón y anticodón.
• A este grupo de moléculas se une la subunidad ribosómica mayor para formar el complejo ribosomal o complejo activo.
• En este proceso intervienen unas proteínas denominadas factores de iniciación y la energía necesaria para que se realice es aportada por un GTP.

Concepto de Mutación

Alteración al azar del material genético. Cambios al azar en el genoma (ADN en las células y ADN o ARN en los virus).

Significado Biológico

Junto con la recombinación genética, las mutaciones son la principal fuente de variabilidad genética porque generan nuevos alelos.

Consecuencias de las Mutaciones

No toda mutación por definición es perjudicial. Puede haber mutaciones:

• Beneficiosas (evolución, variabilidad genética: aumentan la probabilidad de supervivencia).
• Neutras (no afectan a la supervivencia).
• Perjudiciales (letalidad, enfermedades ……….(disminuyen la probabilidad de supervivencia)).

Clasificación de las Mutaciones

Según el Tipo de Células Afectadas

Mutaciones Somáticas

• Afectan a las células somáticas.
• Son mutaciones mayoritarias, porque las células somáticas son las que más se dividen.
• Al afectar a las células somáticas, no se transmiten a la descendencia, solo se transmiten a aquellas células que se originan a partir de ellas por mitosis.
• Puede ocurrir que:
  • Las células mutadas pierdan su funcionalidad y mueran o sean eliminadas por el organismo.
  • Las células mutadas sobrevivan y la mutación se transmita a todas sus células hijas (mosaicismo: el individuo presenta células con distintos genotipos).
• NO tienen importancia evolutiva porque al NO afectar a los gametos NO se pueden transmitir a la descendencia, pero pueden generar células cancerosas, enfermedades genéticas.

Mutaciones Germinales

• Afectan a las células germinales.
• Se originan en una de las divisiones meióticas o mitóticas durante la gametogénesis.
• Tienen importancia evolutiva porque al afectar a los gametos se pueden transmitir a la descendencia (son heredables) originando enfermedades genéticas.

Consecuencias de las Mutaciones Génicas

• Las MUTACIONES POR SUSTITUCIÓN DE BASES provocan la alteración de un único triplete y, por tanto, salvo que indiquen un triplete de parada o un aminoácido del centro activo de un enzima, pueden no ser perjudiciales.
• Las MUTACIONES POR DELECIÓN (O INSERCIÓN DE NUCLEÓTIDOS), implican un corrimiento en el orden de lectura y, salvo que se compensen entre sí, pueden alterar la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada y sus consecuencias suelen ser graves.

Importancia Evolutiva de las Mutaciones Cromosómicas Estructurales

• La DELECIÓN apenas tiene importancia evolutiva.
• La DUPLICACIÓN posee una importancia evolutiva grande. Por ejemplo, distintos genes de la hemofilia se han adquirido por duplicaciones en el transcurso de la evolución.
• Las INVERSIONES y TRANSLOCACIONES están también asociadas de una forma importante a la evolución.

Euploidías

Cuando se ve afectado el número de juegos completos de cromosomas con relación al número normal de cromosomas de la especie. Se pueden clasificar según:

A. El número de cromosomas que se tengan:

• MONOPLOIDÍA o HAPLOIDÍA: si las células presentan un solo juego (n) de cromosomas.
• POLIPLOIDÍA: Si presentan más de dos juegos (triploides, 3n, tetraploides…)

B. La procedencia de los cromosomas:

• AUTOPOLIPLOIDÍA: Si todos los juegos proceden de la misma especie.
• ALOPOLIPLOIDÍA: Si los juegos proceden de la hibridación de dos especies.

Aneuploidías

Cuando se ve afectado solo una parte del juego cromosómico y el cigoto presenta cromosomas de más o de menos. Pueden darse tanto en los autosomas (S de Down) o en los heterocromosomas o cromosomas sexuales (S Turner o S de Klinefelter).

Se pueden clasificar en:

• MONOSOMÍAS: si falta uno de los cromosomas de la pareja de homólogos.
• TRISOMÍAS: si se tienen tres cromosomas en lugar de los dos homólogos normales.
• TETRASOMÍAS: si se tienen 4 cromosomas en lugar de los dos homólogos normales.

Ingeniería Genética y Biotecnología

Organismo modificado genéticamente: aquel cuya información genética ha sido modificada mediante la inserción, mutación o deleción de una determinada secuencia de su material genético.

Organismo transgénico: organismo modificado genéticamente al que se le ha introducido un gen que no pertenece a su genoma original.

ADN recombinante: secuencia de ADN híbrida, resultante de la unión de dos secuencias de ADN de diferente procedencia.

Enzima de restricción: enzima que cataliza el corte de la molécula de ADN en una secuencia específica que la enzima puede reconocer.

ADN ligasa: Enzima que cataliza la unión de dos fragmentos de ADN.

La reacción en cadena de la polimerasa utiliza ADN polimerasas para amplificar, es decir, conseguir por replicación muchas copias de un fragmento de ADN.

El llamado ADN recombinante se consigue al introducir una secuencia de ADN de un organismo en otro que carece de dicha secuencia y que pasa a ser un organismo transgénico.

La tecnología CRISPR es una herramienta molecular que se aplica para editar genes.

Aplicaciones de la Biotecnología

En la Industria Química

En la industria química, la biotecnología se aplica para producir sustancias de muy diversa naturaleza. Por ejemplo:

• Enzimas producidas por hongos y bacterias que se usan en la industria textil o para aumentar la eficacia de los detergentes. Por ejemplo, las lipasas forman parte de detergentes bioactivos que tienen una acción muy eficaz contra las manchas de naturaleza grasa.
• Otras sustancias como disolventes, alcoholes, plásticos, fibras, resinas o barnices que se obtienen de seres vivos o por su acción.

En Minería

En la minería, para ayudar a la recuperación y limpieza de algunos minerales se recurre al bioprocesado, llevado a cabo por bacterias y hongos que actúan sobre sustancias presentes en las rocas donde el metal se encuentra impregnado. Un ejemplo es la obtención de cobre, que puede ser capturado de las rocas por la acción de algunas bacterias quimiosintéticas.

Productos Relacionados con la Fermentación Alcohólica

• El pan. En la fabricación de este alimento intervienen cepas de la levadura Saccharomyces cerevisiae, que degrada el almidón de la harina por la vía de la glucólisis, y luego realiza la fermentación alcohólica de los azúcares para producir CO2, cuyas burbujas vuelven el pan esponjoso, y etanol, que se evapora en la cocción.
• El vino y la cerveza. En la elaboración de estas dos bebidas intervienen también las variedades de Saccharomyces cerevisiae que hacen la fermentación alcohólica. En el caso del vino, se fermentan los azúcares del zumo de la uva y en el caso de la cerveza, de la malta, que es un cocimiento de granos de cereales germinados, tostados y molidos. En ambos casos, el alcohol producido se conserva en la bebida.

Productos Relacionados con la Fermentación Láctica

• El yogur es simplemente leche fermentada. El ácido láctico le da su sabor característico y además desnaturaliza las proteínas, que precipitan confiriéndole su aspecto semilíquido.
• El queso parte de un requesón, que es leche con sus proteínas precipitadas mediante la renina o caseasa, una enzima proteolítica del cuajo (la secreción del tubo digestivo de las reses lactantes). También se puede cuajar la leche añadiendo bacterias lácticas como Lactococcus, Lactobacillus o Streptococcus, que acidifican la leche y desnaturalizan las proteínas. Después, el requesón resultante se deshidrata, se sala y se incuba en ambientes donde crecen bacterias y hongos que actúan sobre las proteínas y las grasas y aportan los diferentes sabores, aromas y texturas de las variedades de queso; por ejemplo: Penicillium camemberti al camembert y Penicillium roqueforti al roquefort.

Biorremediación

La biorremediación es la restauración de ambientes en los que se ha producido algún tipo de contaminación, mediante el empleo de seres vivos modificados genéticamente o no modificados.

Depuración de Aguas Residuales

La depuración de las aguas residuales pretende eliminar de estas todos los contaminantes antes de devolverlas al medioambiente. La depuración de agua se lleva a cabo en las EDAR, estaciones depuradoras de aguas residuales, en las que el agua se trata mediante microorganismos que oxidan la materia orgánica y la eliminan. Los lodos obtenidos en la decantación también son tratados con microorganismos descomponedores para obtener biogás y fertilizantes orgánicos.