XENÉTICA MOLECULAR

XENÉTICA MOLECULAR

Nesta unidade estudaremos as moléculas implicadas no almacenamento e transmisión da información: os ácidos nucleicos.

ÍNDICE

Índice

Enxeñaría Xenética e Biotecnoloxía

O Dogma Central

As mutacións

Ácidos nucleicos e nucleótidos

PCR

Identificando mutacións

Replicación

A estrutura dos ácidos nucleicos

Transcrición

CRISPR-Cas9

ADN vs ARN

Tradución

Clonación molecular

Ácidos nucleicos e nucleótidos

Para formar as cadeas de nucleótidos establécense enlaces, polos que o grupo fosfato dun nucleótido se une ao -OH que ten outro nucleótido no seu carbono 3'.

Nucleótido

Grupo fosfato

Monosacárido

Base nitroxenada

Os ácidos nucleicos (ADN e ARN) son moléculas en forma de cadeas lineais.Os nucleótidos son os monómeros que se unen para formar estas cadeas. Cada nucleótido está formado por un monosacárido, ao que se unen unha base nitroxenada (no C1') e un grupo fosfato (no C5').

A estrutura dos ácidos nucleicos

O ADN está formado por dúas cadeas de desoxirribonucleótidos que se dispoñen de forma antiparalela (unha está en sentido 3'->5' e a outra en sentido 5'->3'). A parte externa de cada cadea constitúena as unións dos monosacáridos e os grupos fosfato, mentres que o interior está formado polas bases nitroxenadas. As bases nitroxenadas dunha cadea únense ás da outra mediante ligazóns de hidróxeno, e presentan complementariedade: a citosina (C) sempre se une á guanina (G), mentres que a adenina (A) sempre se une á timina (T). Esta dobre cadea vai enroscándose nunha hélice que xira cara á dereita, por este motivo dicimos que o ADN ten unha estrutura helicoidal dextróxira.

O ARN, pola contra, está formado por unha única cadea de ribonucleótidos

ARN ADN

• Monosacárido: Desoxirribosa
• Bases nitroxenadas: A, T, C, G
• Estrutura: dobre hélice dextróxira con dúas cadeas antiparalelas.
• Localización: nas células procariotas, no citoplasma; nas eucariotas no núcleo, mitocondrias e cloroplastos.
• Función: Contén a información xenética, que transmite na súa replicación e expresa a través dos procesos de transcrición e tradución.

• Monosacárido: ribosa
• Bases nitroxenadas: A, U, C, G
• Estrutura: cadea simple, pode formar fragmentos de hélice pregándose sobre si mesma.
• Localización: nas células procariotas, no citoplasma; nas eucariotas no citoplasma, núcleo, ribosomas, mitocondrias e cloroplastos.
• Función: O ARNr (ribosómico) forma a estrutura dos ribosomas. O ARNm (mensaxeiro) transporta a información do ADN ao citoplasma, onde serve de molde para sintetizar proteínas. O ARNt (transferente) transporta os aminoácidos ao lugar correcto durante a tradución.

O Dogma Central da Bioloxía Molecular

A información que contén o ADN atópase dividida en unidades funcionais chamadas xenes. Cada xene é unha secuencia de nucleótidos que ten o código para sintetizar unha proteína ou un ARN funcional (como o ARN que forma os ribosomas). Existen procesos que utilizan o ADN coma molde para facer copias do mesmo. A isto chamámoslle replicación e é levado ao cabo por unhas encimas chamadas ADN polimerases. A partir do ADN tamén pode fabricarse ARN. Este proceso é chamado transcrición e o fan as ARN polimerases. A partir da secuencia do ARNm poden fabricarse proteínas nos ribosomas. Este proceso é chamado tradución. O conxunto da transcrición e tradución tamén é chamado expresión xénica. Cando empezou a estudarse o ADN pensouse que a información do ADN só fluía nun sentido: para copiarse a si mesmo ou para fabricar ARN e, a partit del, proteínas. A isto chamárono "o dogma central da Bioloxía Molecular", aínda que hoxe coñecemos procesos que van en sentido contrario.

REPLICACIÓN (ADN polimerase)

ADN

TRANSCRICIÓN (ARN polimerase)

ARN

TRADUCIÓN (Ribosoma)

PROTEÍNA

A Replicación do ADN

Por este motivo unha das cadeas novas se fabrica de forma continua e a outra a anacos, que logo deben unir unhas encimas chamadas ligases. Dicimos que a replicación é semiconservativa, xa que ao final, fabrícase unha cadea complementaria a cada unha das orixinais, polo que as novas dobres hélices manteñen unha das súas febras antigas e outra de nova síntese.

A replicación é o proceso polo cal o ADN pode ser copiado para dar lugar a dúas moléculas idénticas. Nos eucariotas ocorre dentro do núcleo (e mitocondrias e cloroplastos).No inicio do proceso intervén unha proteína chamada helicase, que rompe as pontes de hidróxeno que unen os nucleótidos das dúas fibras da hélice, separándoas para formar a forquita de replicación. Ao estar separadas as cadeas, actúa unha ADN polimerase, que comeza a construír unha nova cadea complementaria á que xa existe. A ADN polimerase le o ADN en sentido 3'-> 5' e vai construíndo unha nova cadea en sentido 5'-> 3'.

A Transcrición

A transcrición é o proceso polo cal se sintetiza ARN a partir dunha secuencia de ADN que serve como molde.Nos eucariotas ocorre dentro do núcleo (e mitocondrias e cloroplastos). No inicio do proceso ás veces tamén intervén unha helicase, que separa a dobre hélice do ADN, permitindo que se una unha ARN polimerase, aínda que outras veces a mesma ARN polimerase pode separar as febras e comezar a construír unha cadea de ARN complementaria ao ADN.

As moléculas de ARN que se forman poden ser ARN funcional (como o ARNr ou o ARNt) ou ser ARNm, que deben ser traducidos para completar a súa expresión.

A ARN polimerase le o ADN en sentido 3'-> 5' e constrúe unha cadea de ARN en sentido 5'-> 3'.

A Tradución

PASOS: 1. O ribosoma xúntase ao ARNm, e este avanza ata que se localiza un codón AUG. Neste punto un ARNt complementario (co anticodón UAC) entra no ribosoma levando o aminoácido Met (metionina). 2. O ARNm desprázase (en sentido 5'-> 3') deixando exposto o seguinte codón, e entra outro ARNt complementario ao novo codón e co seu aminoácido correspondente. A metionina enlazase ao novo aminoácido e o primeiro ARNt fica libre. Este proceso repítese numerosas veces, facendo que a cadea de aminoácidos sexa cada vez máis longa e vaia uníndose sempre ao último en entrar. 3. O proceso remata cando o codón do ARNm coincide cun dos códigos de terminación, xa que o ARNt que entra non porta ningún aminoácido, o que fai que se libere toda a cadea proteica fabricada até ese punto.

A tradución é o proceso polo cal o se sintetizan proteínas a partir da secuencia de ARN. Este proceso ocorre nos ribosomas . Aquí chegan os ARNt , que transportan os aminoácidos necesarios para fabricar a proteína. Para que unha proteína se sintetice ben é importante que teña a cadea de aminoácidos correcta. A clave disto está no código xenético .

As mutacións

Mutacións xénicas

Mutacións cromosómicas

Son aquelas que afectan á secuencia de nucleótidos do ADN, polo que non poden detectarse ao microscopio. Poden producirse por adición, perda ou substitución de bases. Ao cambiar a secuencia aparecen novos alelos do xene no que ocorren, xa que a proteína que formarán ao expresarse será distinta á orixinal. A maioría serán cambios daniños, pero hai mutacións neutras ou mesmo beneficiosas. Estas serán seleccionadas pola evolución.

Son aquelas que afectan á estrutura ou número de cromosomas, polo que poden detectarse co microscopio. Nas mutacións estruturais pode haber distintos cambios que alteran a configuración do cromosoma. Nas mutacións numéricas poden aparecer xogos extras de cromosomas (poliploidías) ou afectar ao número de copias dun único cromosoma (aneuploidías).

As mutacións son alteracións no ADN.Poden producirse por erros ou danos nos procesos de replicación ou de división celular. Se unha mutación ocorre na liña xerminal (células reprodutoras ou precursoras destas) será herdada polos descendentes, mentres que se ocorre na liña somática (o resto de células corporais) só afectará ao individuo mutante.

Identificando mutacións

A prevención e diagnóstico de mutacións resultan claves na Medicina actual.

Prevención

Diagnóstico prenatal

Diagnóstico posnatal

Realízase xusto despois do nacemento.

Realízase durante o embarazo. Inclúe probas invasivas e non invasivas.

Realízase antes da planificación do embarazo

+ info

+ info

+ info

Biotecnoloxía e Enxeñaría Xenética

A biotecnoloxía consiste no uso de seres vivos ou procesos biolóxicos para obter ou modificar produtos de interese. Aínda que a biotecnoloxía inclúe técnicas tradicionais (por exemplo usar lévedos para fabricar cervexa entra nesta definición), moitas veces limitamos o uso do termo a técnicas innovadoras, especialmente para referirnos á Enxeñaría Xenética. A Enxeñaría Xenética utiliza os coñecementos científicos sobre o funcionamento dos ácidos nucleicos para desenvolver tecnoloxías que nos permiten manipular e modificar o material xenético con distintas finalidades. Algunhas das tecnoloxías de Enxeñaría Xenética máis importantes son: - PCR - CRISPR-Cas9 - Clonación molecular

A PCR

A PCR ou Reacción en Cadea da Polimerase é unha técnica de amplificación do ADN, é dicir, produce millóns de copias da ADN a partir dunha pequena mostra.Ao controlar a temperatura fanse ciclos sucesivos nun aparato chamado termociclador e en cada un deles duplícase a cantidade de ADN. É unha técnica imprescindible para case todas as aplicacións da enxeñaría xenética: - Amplificar mostras de ADN para a identificación forense - Amplificar ADN para facer probas diagnósticas - Amplificar ADN para manipulalo,... A maioría de técnicas de enxeñaría xenética precisan aumentar a cantidade de ADN inicial mediante unha PCR.

CRISPR-Cas9

CRISPR-Cas9 é unha técnica de edición xenética, é dicir, que permite modificar a secuencia do noso ADN. Está baseada nos sistemas CRISPR dalgunhas bacterias, que empregan como ferramenta de inmunidade contra virus. Neste sistema é necesario crear un ARN guía, que ten que ter unha secuencia complementaria ao ADN nun punto próximo ao que queremos editar. Este ARN axuda a que unha proteína chamada Cas se una nese lugar específico e corte a cadea de ADN orixinal. Ao romper o ADN nun punto exacto podemos substituír, eliminar ou engadir algún nucleótido. Esta técnica é prometedora en moitos eidos, entre os que sobresaen:- Terapias xénicas (modificar o ADN para curar algunha patoloxía)- Creación de animais ou plantas transxénicas-

Clonación molecular

A clonación molecular é un conxunto de técnicas da tecnoloxía do ADN recombinante. Isto quere dicir que se utilizan diversos métodos para fabricar un ADN híbrido, con fragmentos de distinta orixe, e introducilos nunha célula viva, de tal forma que poda expresar os novos xenes que se lle introducen. O xene de interese debe introducirse nun vector (un elemento que o transporte até o interior da célula) e aí se integrará co material xenético propio da célula e empezará a funcionar. Estas técnicas teñen distintas aplicacións como: - Creación de transxénicos - Fabricación de proteínas de interese - Terapia xénica

Mutacións cromosómicas numéricas

Aneuploidías

Poliploidías

A célula terá máis de 2 xogos cromosómicos completos (2n) e será triploide (3n), tetraploide (4n),... Estas mutacións non ocorren en animais (agás algunhas células concretas dalgún animal, resulta inviable), pero si son comúns en plantas.

Só cambia o número nun cromosoma concreto, non xogos cromosómicos completos. Nas monosomías (2n-1) só aparece un cromosoma nun dos pares. Nas trisomías (2n+1) aparecen 3 cromosomas nunha das "parellas".

Diagnóstico prenatal

Invasivo

Non invasivo

Son técnicas que implican certo perigo, por iso só se fan en embarazos de risco. Por exemplo: Amniocentese. Extráese parte do líquido amniótico, que contén células do feto. Estas células pódense someter a unha análise xenetica. Biopsia de corion. Extráese tecido da placenta, que é un órgano embrionario e polo tanto ten o mesmo material xenético que o feto. Fai nelas un estudo cromosómico.

Son técnicas inofensivas e practícanse en todos os embarazos. Por exemplo: Análises de sangue á nai, que poden indicar a presenza de marcadores bioquímicos procedentes do feto e que indiquen algunha alteración. Ecografías que poden dar certos indicios de alteracións xenéticas, por exemplo un grosor meirande do normal na zona da caluga.

Outra explicación do proceso de tradución.

Ribosomas

Os ribosomas son estruturas feitas a partir de ARNr e proteínas que se encargan de sintetizar proteínas (cadeas de aminoácidos) a partir dunha secuencia de ARN. Están formadas por dúas pezas, a subunidade maior e a subunidade menor. Nas células eucariotas sitúanse principalmente no citoplasma (moitos deles sobre o retículo endoplasmático rugoso), pero tamén existen no interior de mitocondrias e cloroplastos.

O código xenético

Chamamos código xenético ás equivalencias entre os codóns do ARNm (non os anticodóns do ARNt!!) e os aminoácidos que lles corresponden. Un codón só ten correspondencia cun aminoácido. Dicimos por isto que o código é específico. Pola contra existen 61 codóns codificantes (+ 3 de finalización) e 20 aminoácidos, polo que un mesmo aminoácido pode corresponder a varios codóns. Dicimos por isto que o código é dexenerado. Ademais, o código é practicamente idéntico en todos os seres vivos (existen só pequenas excepcións), polo que dicimos que o código é universal.

Prevención

Ás veces, segundo os antecedentes xenéticos, prescríbese un estudo para analizar as posibilidades de que un futuro fillo ou filla vaia desenvolver certa condición xenética. Estes estudos poden incluír a análise do historial médico e xenealóxico, ademais de probas xenéticas. Esta información pode axudar a tomar decisións máis libres e conscientes sobre o futuro embarazo ou planificar outras alternativas.

O ARNt

ARN transferente ou de transferencia

Os ARNt son cadeas de ARN que se unen a un aminoácido e o transportan ao ribosoma durante a síntese de proteínas, no proceso de tradución. Na súa secuencia existen 3 nucleótidos chamados anticodóns, que se unirán aos 3 nucleótidos do codón dun ARNm. Ademais, cada ARNm únese a un aminoácido en concreto, de tal xeito que se ten un anticodón concreto, sempre portará o mesmo aminoácido.

Diagnóstico posnatal

Popularmente é coñecido coma "test do talón", xa que se fai a partir dunha mostra de sangue obtida no talón do pé do bebé ao pouco de nacer, pero máis correctamente denominado cribado neonatal.Consiste nunha análise pormenorizada que permite detectar algunhas alteracións xenéticas de forma precoz, nada máis nacer, e anticiparse ás súas consecuencias máis graves.Actualmente en Galicia abrangue case 50 patoloxías diferentes.

Mutacións cromosómicas estruturais

• Delecións: Desaparece un fragmento de cromosoma e a información que contén.
• Duplicacións: Un fragmento do cromosoma aparece repetido.
• Inversións: Un fragmento de cromosoma rompe e volve integrarse, pero coa orientación inversa.
• Translocación: Un fragmento dun cromosoma rompe e únese ao outro cromosoma diferente. Pode ser recíproca