Genética molecular y microbiana

Concepto e importancia

Genética.- Disciplina que estudia los mecanismos por los cuales los caracteres pasan de un organismo a otro Importancia.- La genética microbiana es importante por diversas razones:

El gen es la base del funcionamiento celular y la investigación básica en la genética microbiana
Los microorganismos son sistemas relativamente simples para estudiar los fenómenos genéticos y en consecuencia son empleados como herramienta en los intentos de descifrar los mecanismos genéticos
Los microorganismos se emplean para aislar y duplicar genes específicos provenientes de otros organismos con técnicas llamadas clonamiento celular
Los microorganismos producen muchas sustancias de valor industrial como antibióticos y las manipulaciones genéticas pueden emplearse para aumentar los rendimientos y mejorar los procesos de fabricación
Muchas enfermedades son producidas por microorganismos y los caracteres genéticos se encuentran detrás de estas funciones perjudiciales. Comprendiendo la genética de los microorganismos que producen enfermedad, se puede controlar más fácilmente su proliferación en el cuerpo y evitarla.

Los virus, aunque son agentes causantes de enfermedad, pueden considerarse como elementos genéticos

Estructura de los genes en procariotas y eucariotas

El genoma bacteriano consta de una sola molécula circular de DNA cerrada covalentemente distribuida en el interior de la célula
El genoma eucariótico consta de varios segmentos lineales de DNA que se encuentra en cromosomas individuales en el núcleo celular. Cada cromosoma eucariótico consta de una sola molécula de DNA unidas a proteínas llamadas histonas
En contraste a los procariotas, la transcripción y traducción están separados en los eucariotas, la transcripción se realiza en el núcleo y las moléculas de RNA se trasladan al citoplasma para la traducción
Los genes de los eucariotas se encuentran con frecuencia fragmentados, regiones no codificantes parciales separan las regiones de codificación

exones.-

región de codificación

intrones.-

regiones no codificantes

Tanto los intrones como los exones se transcriben en RNA y el RNAm funcional se forma más tarde por eliminación enzimática de las regiones no codificantes.

Estructura del DNA y proteínas de unión del DNA

Tamaño y peso molecular del DNA
El tamaño de una molécula de DNA, se puede expresar en términos de su peso molecular, pero puesto que un nucleótido sencillo tiene un peso molecular de 400 daltons y los polinucleótidos del DNA tienen muchos nucleótidos de largo, el peso molecular aumenta rápidamente. Así una molécula de DNA con 1000 bases contendría 1 kilobase (kb) de DNA. La doble hélice de DNA tendrá pares de kilobases
La complementaridad de las moléculas de DNA proviene del apareamiento específico de las bases de purinas y pirimidinas:
En la hélice, el DNA tiene dos surcos diferentes: surco mayor y surco menor. Existen muchas proteínas importantes que interactúan en forma específica con el DNA. En general, estas proteínas interactúan sobre todo con el surco mayor donde hay una considerable cantidad de DNA

DNA superenrrollado
La forma convencional como se ilustra la estructura del DNA es más bien muy rígida. Si se sabe que el DNA de E. coli es 1000 veces más largo que la misma célula, ... cómo es posible empaquetar tanto DNA en un espacio tan pequeño ?. El superenrrollamiento es el estado en el que el DNA se repliega sobre sí mismo de modo que su enrollamiento es muy apretado. El superenrollamiento puede ser:
(+): el DNA se enrolla en la misma dirección a la doble hebra
(-): el DNA se enrolla en dirección opuesta a la doble hebra

Cómo se superenrolla la doble hebra de DNA ?
La enzima topoisomerasa II (girasa) induce el superenrollamiento:

Se enrolla la molécula de DNA
Ruptura en el lugar donde las dos cadenas se acercan
La doble hélice es unida de nuevo en el lado opuesto de la ruptura

La enzima topoisomerasa I elimina el super enrollamiento

El superenrollamiento afecta la expresión de los genes, ciertos genes son transcritos más activamente cuando el DNA está sobreenrollado en tanto que la transcripción de otros genes es inhibida por un sobreenrollamiento excesivo.

Otras estructuras del DNA

Palíndromo.-: La secuencia de bases es simétrica respecto a un eje imaginario

A	T	C	G	A	T
T	A	G	C	T	A

Como tales secuencias se repiten en orden inverso, se denomina repeticiones invertidas. Esta repeticiones invertidas son sitios de reconocimiento común para las enzimas y otras proteínas que se unen específicamente con el DNA

Cruciforme.-: Repeticiones invertidas cercanas, se observa la formación de estructuras llamadas tallo-rizo. Cuando se encuentran dos repeticiones invertidas cercanas se forma una estructura secundaria.

Estas repeticiones invertidas son sitios comunes de reconocimiento para las proteínas que interactúan con del DNA También es importante la estructura secundaria en ciertos tipos de RNA ribosómicos, por ejemplo, los tallos y rizos de varias formas dan a la molécula su estructura final de orden más elevado Otra situación común del DNA es cuando las cadenas sencillas en los extremos de las moléculas de DNA son complementarias. Esto lleva a la posibilidad de que los extremos se puedan encontrar uno al otro y se asocien por apareamiento complementario de bases formando un círculo

Interacciones se sustancias químicas con el DNA (intercalación)

Numerosas sustancias químicas interactúan específicamente con el DNA alterando sus estructura y afectando sus propiedades biológicas. Una consecuencia de la intercalación es que se cambia la lectura del código genético
Hibridación.- Es la construcción artificial de un ácido nucleico de cadena doble por apareamiento de bases complementarias de dos ácidos nucleicos de una sola cadena. Uso más común en ingeniería genética: una de las moléculas se utilizan como sonda radiactiva para detectar una secuencia específica del ácido nucleico y la formación de híbridos se pone en evidencia observando la formación de moléculas de doble cadena que presentan radiactividad.

Interacción de ácidos nucleicos con proteínas

Son básicos para la replicación, transcripción y la traducción así como la regulación de estos procesos Dos clases de interacciones proteínas-ácidos nucleicos:

No específicas , histonas
Específicas, específico para una secuencia detrminada

El surco mayor por su tamaño es un sitio importante para la fijación de proteínas. En las repeticiones invertidas suelen ser los lugares donde las proteínas se fijan de modo específico con el DNA. Las proteínas que se fijan de modo específico con el DNA, son dímeros (dos cadenas polipeptídicas idénticas). En cada cadena de polipétidos hay una región llamada dominio que interactúa específicamente con una región del surco mayor del DNA.

Enzimas de restricción

Endonucleasas de restricción, las enzimas de restricción se combina con el DNA solamente en sitios con secuencias específicas de las bases. Las enzimas de restricción tiene la propiedad única de causar ruptura de la doble candena en el DNA solamente en secuencias que presentan simetría binaria alrededor de un punto dado. Así una endonucleasa de restricción de E. coli, llamada EcoRi, tiene la siguiente secuencia de reconocimiento:

G	A	A	T	T
C	T	T	A	A

Los sitios de ruptura están indicados por flechas y el eje de simetría por una línea punteada. Probablemente se rompen debido a que las enzimas de restricción están compuestas de subunidades idénticas cada una de las cuales reconoce la secuencia de una cadena simple

ELEMENTOS GENÉTICOS

Un elemento genético es una partícula o estructura que contiene material genético. Se han identificado diferentes tipos de elementos genéticos y aunque el principal de ellos es el cromosoma, también se han encontrado otros que tienen funciones muy importantes en el desempeño del gen tanto en los procariotas como eucariotas.
Las dos propiedades más importantes de los elementos genéticos son:

Su capacidad de autorreplicación
Sus propiedades codificadoras genéticas

Cromosoma.- La organización cromosómica de los eucariotas implica una característica que no se encuentra en los procariotas: genes partidos

Elementos genéticos no cromosómicos

Se han reconocido diversos elementos genéticos que no son parte del cromosoma

Virus.- Elemento genético ya sea de DNA o RNA que controlan su propia replicación y transferencia de una célula a otra.

Plásmidos.- Pequeñas moléculas circulares de DNA que están presentes y se replican por separado de los cromosomas. Los plásmidos difieren de los virus:

No causan daños celulares (generalmente son benéficos)
Los virus tienen formas extracelulares, los plásmidos no.

Aunque los plásmidos han sido reconocidos en algunos eucariotas, se han encontrado en la mayor parte en procariotas. Algunos plásmidos son vectores genéticos excelentes.

Mitocondrias y cloroplastos.- Elementos genéticos no cromosómicos que se encuentran en los eucariotas

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