LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA - … · bloque iii: ¿dÓnde estÁ la informaciÓn de los seres vivos? ¿cÓmo se expresa y se transmite

BLOQUE III: ¿DÓNDE ESTÁ LA INFORMACIÓN DE LOS SERES VIVOS? ¿CÓMO SE EXPRESA Y SE TRANSMITE?

COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO

Genética Genética molecular y mendeliana - 1 -

LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA

1.- Genética molecular.

1.1.- El ADN como portador de la información genética.

1.1.1.- ADN y cromosomas.

1.1.2.- Concepto de gen.

1.1.3.- Conservación de la información: la replicación del ADN.

1.1.4.- Expresión de la información genética (flujo de la

información genética): transcripción y traducción en

procariotas y eucariotas.

1.1.5.- El código genético.

1.2.- Alteraciones de la información genética.

1.2.1.- Concepto de mutación.

1.2.2.- Causas de las mutaciones.

1.2.3.- Consecuencias de las mutaciones.

1.2.3.1.- Consecuencias evolutivas.

1.2.3.2.- Efectos perjudiciales.

2.- Genética mendeliana.

2.1.- Conceptos básicos de herencia biológica.

2.1.1.- Genotipo y fenotipo.

2.2.- Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia.

2.2.1.- Leyes de Mendel.

2.2.2.- Cruzamiento prueba y retrocruzamiento.

2.2.3.- Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas.

2.3.- Teoría cromosómica de la herencia.

2.3.1.- Los genes y los cromosomas.

2.3.2.- Relación del proceso meiótico con las leyes de Mendel.

2.3.3.- Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo.

3.- Bibliografía.

4.- Preguntas de selectividad.




1.- Genética molecular.

La genética molecular es el campo de la biología que estudia la estructura y la

función de los genes a nivel molecular. Emplea los métodos de la genética y la biología

molecular.

El ser humano presenta unos 23 pares de cromosomas, los cuales agrupan un total de

3.000 millones de bases químicas (A, G, T y C) del ADN. El Proyecto Genoma Humano nació

para descifrar la secuencia precisa de esos 3.000 millones de letras del ADN.

El 95% del genoma humano representa el denominado “ADN basura” y no tiene

ninguna función conocida. Los genes forman algo menos del 5% del genoma humano. Estudios

científicos estiman que en el ADN humano hay desde 40.000 hasta más de 100.000 genes.

1.1.- El ADN como portador de la información genética.

Hoy sabemos que la molécula que contiene la información de los caracteres

biológicos de los seres vivos es el ácido desoxirribonucleico (ADN). Sin embargo, la

demostración de que éste ácido nucleico contenía la información hereditaria sólo fue

posible gracias a la labor investigadora de muchos científicos durante la primera

mitad del siglo XX.

Antes de que se identificara la molécula portadora del mensaje genético, ya

se sabía que ésta debía cumplir ciertos requisitos:

Tenía que ser químicamente estable para que la información contenida en la

molécula no sufriera alteraciones.

Debía de ser capaz de replicarse y originar copias de sí misma que pasaran a las

células hijas durante la división celular.

Podría transmitirse de una generación a otra para permitir que las

características biológicas pasaran a la descendencia.

Debía ser susceptible de sufrir cambios que posibilitaran la aparición de

cierta variabilidad a fin de poder explicar la evolución de los seres vivos.

Aunque el ADN ya se conocía desde su descubrimiento en 1869 por el

científico suizo Friedrich Miescher, se consideraban que eran las proteínas las portadoras de la información genética.

No obstante, el descubrimiento de que los cromosomas se dividían y

transmitían durante la división celular en las células eucariotas, permitió comprobar

que ambos componentes cromosómicos, ADN y proteínas, cumplían los requisitos

señalados.

Ya en 1928, en el curso de sus experimentos con la bacteria Streptococcus pneumoniae, FredericK Griffith demostró que la capacidad biológica de producir una




cápsula (factor virulento) podía ser adquirida de una cepa sin cápsula por otra cepa

con cápsula por medio de una sustancia a la que se denominó “factor transformante”.

En 1944, Oswald T. Avery, Maclyn McCarty y Colin MacLeod observaron

que la capacidad transformante de las cepas virulentas de S. pneumoniae desaparecía

cuando se agregaban enzimas que destruían el ADN. Dedujeron de esta forma que el

factor transformante era la molécula de ADN.

La prueba definitiva fue obtenida en 1952 por Alfred Hershey y Martha

Chase, trabajando con el bacteriófago T2. Su razonamiento fue que la infección del

fago debe implicar la introducción dentro de la bacteria de la información genética

que dicta la reproducción del virus.

1.1.1.- ADN y cromosomas.

El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas

(desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, timina y citosina) unidas entre

sí en toda su longitud. Esta doble cadena puede disponerse en forma lineal,

ADN del núcleo de las células eucariotas, o en forma circular, ADN de las

células procariotas, de ciertos virus y de algunos orgánulos citoplasmáticos

de las células eucariotas: mitocondrias y cloroplastos.

El ADN porta la información necesaria para el desarrollo de las

características biológicas de un individuo y contiene los mensajes e

instrucciones para que las células realicen sus funciones.

Niveles estructurales del ADN.

El ADN es una molécula altamente estructurada en la que se distinguen

varios grados o niveles de complejidad:

Estructura primaria. Está formada por la secuencia de

desoxirribonucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster establecidos

entre el radical fosfato situado en el carbono 5’ de un nucleótido y el




radical hidroxilo (-OH) del carbono 3’ del siguiente nucleótido,

liberándose en el proceso una molécula de agua.

Una cadena de ADN presenta dos extremos libres: en el extremo 5’ de

la cadena existe un grupo fosfato y en el extremo 3’ un grupo –OH

libre. La diferencia entre las moléculas de ADN de los distintos

organismos, radica en la secuencia precisa en la que aparecen los cuatro

tipos de bases de las moléculas de ADN que van a determinar las

características biológicas de la célula o del individuo.

Estructura secundaria. La secuencia polinucleotídica se dispone en el

espacio en forma de una doble hélice, según la estructura propuesta

por James Watson y Francis Crick en 1953. Dos descubrimientos

previos abrieron el camino a este modelo de estructura secundaria del

ADN aceptado en la actualidad.

En 1950, Erwin Chargaff, tras estudiar gran cantidad de muestras de

ADN pertenecientes a diversas especies de organismos, observó que

siempre existía la misma cantidad de bases nitrogenadas púricas y

pirimidínicas. Descubrió, además, que el número de adeninas es siempre

igual al de timinas, y el de guaninas al de citosinas. Estos resultados

constituyen la denominada ley de equivalencia de bases de Chargaff:

A + G /T + C =1 ADN de doble cadena

Por otra parte, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins aplicaron el método

de difracción de rayos X al ADN y dedujeron que esta molécula posee una

estructura helicoidal con dos periodicidades, una cada 0,34 nm y otra

cada 3,4 nm.

0,34 nm

2 nm

3,4 nm




A partir de estos datos, Watson y Crick elaboraron su modelo de

estructura tridimensional del ADN, que presenta las siguientes

características:

El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas unidas

entre sí a lo largo de toda su longitud.

Las dos cadenas están enrolladas en espiral formando una doble

hélice alrededor de un eje imaginario.

Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble hélice,

mientras que los esqueletos pentosa-fosfato se sitúan en la

parte externa. Así, las cargas negativas de los grupos fosfato se

unen a las cargas positivas de cationes o de otras moléculas

presentes en el medio, estabilizando la estructura.

Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos

entre sí y perpendiculares al eje de la hélice.

Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, en sentido opuesto, el

extremo 3’ de una de ellas se enfrenta con el extremo 5’ de la otra.

La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de

hidrógeno entre las bases nitrogenadas de ambas, de la forma:

adenina forma dos puentes de hidrógeno con la timina, y la guanina

forma tres con la citosina. Por lo tanto, las dos cadenas serán

complementarias, ya que una de ellas tiene la secuencia de bases

complementaria de la otra. Gracias a este apareamiento específico

la duplicación de la cadena es exacta.




La anchura de la hélice es de 2 nm, la

longitud de cada vuelta es de 3,4 nm y

cada 0,34 nm se encuentra un par de

bases complementarias. Puede

deducirse, que existen 10 pares de

nucleótidos por cada vuelta.

El enrollamiento de la doble hélice es

plectonémico, es decir, las cadenas no se

pueden separar sin desenrollarlas.

La doble hélice es dextrógira: el

enrollamiento gira en el sentido de las

agujas del reloj.

[...Además de la estructura descrita,

que corresponde a la denominada

forma B, se conocen otros dos tipos

de estructura en doble hélice del

ADN: la forma A, en la que los planos

de las bases nitrogenadas no son

perpendiculares al eje de la hélice, y

la forma Z, donde la doble hélice

presenta irregularidades y es

levógira...]

Estructura terciaria. La estructura en doble hélice sufre nuevos

plegamientos que dan lugar a un tercer nivel estructural. Esto es

necesario por dos razones fundamentales:

Las largas cadenas de ADN deben acoplarse en el reducido espacio

disponible en el interior del núcleo celular.

La regulación de la actividad del ADN depende en gran medida del

grado de plegamiento que posea la molécula.

La estructura terciaria es compleja y no ha sido totalmente elucidada,

aunque se sabe que existen proteínas asociadas al ADN que organizan la

estructura. Como resultado final, el ADN aparece constituyendo la

cromatina o los cromosomas.

El ADN se encuentra en el interior del núcleo, en el caso de las

células eucariotas, y en estado interfásico recibe el nombre de cromatina:

ADN plegado y asociado a proteínas básicas, histonas. Asociadas a la

cromatina se encuentran también otras proteínas muy numerosas, no

histónicas, con actividades enzimáticas y relacionadas con el procesamiento

del ADN.




[…Las histonas son proteínas de bajo peso molecular

y con cierto carácter básico debido a la presencia de

los aminoácidos lisina y arginina. Se dividen en dos

grupos:

- Histonas nucleosómicas: componen un complejo

proteico discoidal alrededor del cual se enrolla el

ADN. Cada uno de estos discos es un octámero

formado por dos copias de cada histona (H2A, H2B,

H3 y H4). Esta estructura constituye el nucleosoma.

- Histona H1: une los complejos nucleosómicos y es

la responsable del plegamiento helicoidal de la fibra

elemental de cromatina.

Las histonas proporcionan la base estructural de la

fibra de cromatina y regulan el metabolismo del

material genético…]

En la cromatina del núcleo interfásico, la doble

hélice de ADN se asocia a histonas y forma complejos

denominados nucleosomas (unidad constituida por un corazón

proteico de histonas, alrededor del cual se enrolla una cadena

de 140 pares de bases de ADN). La fibra elemental de

cromatina se observa al microscopio electrónico como una

fibra de “cuentas” ensartadas, semejante a un collar. Cada

una de las “cuentas” equivale a un nucleosoma, y entre cada

unidad hay un fragmento de ADN libre que correspondería al

“hilo del collar”.

La cadena de nucleosomas es la fibra elemental o unidad de

cromatina, de unos 10 nm de grosor. Las fibras complejas de cromatina se

originarían por el superenrollamiento de la cadena de nucleosomas según una

disposición regular, en la que la H1 desempeña un papel esencial.

Según la hipótesis más aceptada hoy día, la cadena de

nucleosomas se enrollaría helicoidalmente formando un solenoide o fibra de

30 nm, que contendría seis nucleosomas por cada vuelta de hélice. Esta

estructura estaría estabilizada por las histonas H1, dispuestas en el núcleo

del nucleosoma, que interaccionan con los fragmentos de ADN libre o

internucleosómico.

A su vez, las fibras complejas de 30 nm se hallan plegadas en el

núcleo interfásico en forma de bucles radiales, que alcanzarán otros niveles

de compactación y enrollamiento sucesivos en el núcleo en división hasta

llegar a constituir los cromosomas.




En el núcleo interfásico se diferencian dos tipos de cromatina:

Eucromatina: de aspecto laxo o difuso,

corresponde a zonas de cromatina activa,

donde se produce la transcripción.

Heterocromatina: áreas más densas y

homogéneas de cromatina altamente

condensada, que corresponden a zonas

inactivas que generalmente no se

transcriben. Se distinguen a su vez dos

tipos: heterocromatina constitutiva, que

aparece condensada siempre durante todo

el ciclo celular y cuyo ADN no se

transcribe nunca, y heterocromatina

facultativa, cuya condensación depende

del estado de desarrollo del organismo y

del tipo celular, pudiendo transcribirse.

En comparación con el núcleo interfásico, las características

más destacadas del núcleo mitótico/meiótico son la estructuración y

condensación de la cromatina, así como la posibilidad de observar los

cromosomas al microscopio óptico.




Los cromosomas son

estructuras cilíndricas que

representan el grado más elevado de

empaquetamiento del ADN y, por

tanto, de la cromatina en la célula.

Durante la metafase, cada

cromosoma aparece constituido por

dos brazos o cromátidas

genéticamente iguales resultado de

la duplicación del material genético,

unidas por el centrómero.

Los centrómeros reciben

también el nombre de constricciones

primarias e incluyen a los

cinetocoros, placas de naturaleza

proteica situadas a ambos lados y a

las que están conectados los

microtúbulos cromosómicos del huso mitótico.

Los extremos de las cromátidas se denominan telómeros, zonas

diferenciales que forman un “casquete” en cada uno de los extremos del

cromosoma y que evitan que se pierda información de los extremos en cada

ciclo de replicación para lo cual presentan secuencias repetitivas de ADN

(TTAGGG). Además, son esenciales para la duplicación del cromosoma,

protege a los cromosomas de las nucleasas, evitan que los extremos de los

cromosomas se fusionen entre sí y facilitan la interacción entre los

extremos y la cubierta nuclear.

Los satélites, son zonas esféricas y separadas del cromosoma

por constricciones secundarias. Están relacionadas con la formación del

nucleolo por encontrarse en ellas las regiones NOR.

Según la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican

en metacéntricos, el centrómero ocupa una posición medial, siendo los dos

brazos de igual longitud; submetacéntricos, centrómero en posición

submedial, con un brazo ligeramente más grande que el otro; acrocéntricos,

centrómero en posición subterminal con un brazo mucho más largo que otro

y telocéntricos, sólo se aprecia un bazo (el cariotipo humano carece de

estos últimos).




El número de cromosomas diferentes (n) de una determinada

célula es constante para todas las que pertenecen a un mismo organismo.

La mayoría de los organismos son diploides (2n), es decir, tienen

en sus células dos juegos de cromosomas, uno heredado del padre y otro de

la madre. Los cromosomas forman parejas de homólogos conteniendo

información genética para los mismos caracteres. En estos organismos sus

células reproductoras o gametos, sólo presentan un juego de cromosomas.

Son, por tanto, células haploides (n).

Existen, además, organismos que tienen en sus células más de

dos juegos de cromosomas: triploides (3n), tetraploides (4n),... poliploides.

El cariotipo o idiotipo es el conjunto de rasgos característicos

de los cromosomas de cada especie: tamaño, forma, etc. Dentro del

cariotipo se distinguen

cromosomas somáticos o

autosomas (comunes en los

dos sexos de la misma

especie e implicados en

desarrollar las

características del cuerpo)

y cromosomas sexuales o

gonosomas (responsables de

la determinación del sexo).

La representación gráfica de los cromosomas homólogos,

ordenados de mayor a menor tamaño, se denomina cariograma o idiograma.

1.1.2.- Concepto de gen.

Se entiende por gen “un fragmento de material genético que contiene información hereditaria que, mediante transcripción y traducción, sintetiza una proteína capaz de determinar un carácter morfológico o fisiológico”. Un gen sería, por tanto, la unidad funcional más pequeña del

ADN.

Los genes de las células procariotas son unidades continuas, o

sea, que un segmento de ADN contiene toda la información necesaria para

la síntesis de una proteína; sin embargo, los genes de los organismos

eucariotas se encuentran fragmentados, es decir, cada gen consta de una

serie de secuencias que codifican fragmentos de la proteína – exones –

separadas por secuencias que no codifican ninguna cadena peptídica

– intrones –. Se calcula que casi el 90% total de ADN no codifica secuencia

proteica alguna y formarían lo que algunos autores denominan “chatarra

genética”. Además, tanto en procariotas como en eucariotas, existen

secuencias que no se transcriben, pero que desempeñan un papel

fundamental en la regulación de la expresión génica, pues constituyen

señales que indican el inicio o final del gen que se va a transcribir.




1.1.3.- Conservación de la información: la replicación del

ADN.

El ADN portador de la información genética debe transmitirse

fielmente a cada una de las células hijas obtenidas tras la división celular.

Por tanto, antes de producirse ésta, es imprescindible que el ADN pueda

formar réplicas exactas de sí mismo para disponer de dos copias iguales.

Este proceso, conocido como replicación o autoduplicación, sucede en la

fase S del período interfásico del ciclo celular.

[…Watson y Crick indicaron un modelo de replicación cuando elaboraron su

modelo de doble hélice, pero han sido varias las hipótesis que dieron lugar a

tres posibles formas de replicación:

Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra

completamente nueva.

Dispersiva. En cada doble hélice existen fragmentos de la original y

fragmentos nuevos.

Semiconservativa. Una de las hebras de cada doble hélice procede de la

original, mientras que la otra se sintetiza nuevamente. Fue propuesta

por Watson y Crick.




Poco después, Matthew Meselson y Franklin Stahl demostraron

experimentalmente que la hipótesis correcta era la semiconservativa…]

Experimento de Meselson y Stahl

Prepararon un cultivo de la bacteria Escherichia coli en un medio nutritivo

cuya única fuente de nitrógeno era un isótopo pesado, el N15, de forma que

este isótopo se incorporó a las moléculas de ADN sintetizadas. El cultivo se

mantuvo durante varias generaciones bacterianas para garantizar que todo

el ADN contenía N15.

Se extrajo a continuación el ADN y se centrifugó en un medio que contenía

una disolución de cloruro de cesio (CsCl) en el que existía un gradiente de

densidad.

Tras la centrifugación aparece una banda donde se encuentra el ADN, que

ocupa el lugar donde la densidad de ésta molécula es igual a la de una

determinada zona del gradiente de la disolución de CsCl.

La banda del ADN que contiene N15 (figura B) se forma en distinto lugar que

la del ADN que posee nitrógeno con el isótopo normal N14 (figura A).

Posteriormente, realizaron un cultivo de las bacterias cuyo ADN tenía N15,

en un medio con N14, durante el tiempo necesario para que se produjera una

replicación. La centrifugación del ADN, en este caso, originó una banda que

ocupaba una posición intermedia entre la del ADN con N15 y la del ADN con

N14 (figura C). Se descarta así el modelo conservativo.

Si el cultivo se hacía durante dos generaciones bacterianas aparecían dos

bandas distintas: una igual a la anterior y otra en la posición del ADN con

N14 (figura D). Este resultado descarta la hipótesis dispersiva.

A raíz de estos experimentos se dedujo que la replicación del ADN era

semiconservativa.

A B

C D




Mecanismo de replicación.

Originalmente la replicación – mecanismo de conservación de la

información genética – del ADN fue estudiado en células procariotas, E. coli, aunque luego se comprobó que el mecanismo es similar en las células

eucariotas. Este proceso se divide en tres etapas:

I. Inicio de la replicación.

La fase de iniciación lleva implícito el desenrollamiento y apertura

de la doble hélice. Se inicia en una región del ADN llamada ori C o punto

de iniciación. Es una zona donde abundan las secuencias de bases GATC.

El punto de iniciación es reconocido por unas proteínas específicas

que se unen a él. Las enzimas helicasas rompen los puentes de hidrógeno

entre las bases nitrogenadas complementarias.

Al abrirse la doble hélice se produce un desenrollamiento en dicho

lugar creándose en las zonas próximas tensiones que podrían provocar

un mayor enrollamiento. La acción de otras enzimas, las girasas y las

topoisomerasas, evitan esas tensiones.

Las proteínas SSB se unen a las hebras sencillas y retrasan el

restablecimiento de la doble hélice.




II. Formación de las nuevas hebras.

Es la fase en la que se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre

cada hebra de la doble hélice original. Va a intervenir las enzimas ADN

polimerasas, cuya función es doble:

Actividad polimerasa. Unen entre sí los nucleótidos que formarán

la nueva cadena de ADN en sentido 5’ 3’. Para ello, recorren la

hebra molde en sentido 3’ 5’, seleccionan el desoxirribonucleótido

cuya base es complementaria con la de la hebra molde, y lo unen.

Utilizan nucleótidos trifosfato los cuales proporcionan, al mismo

tiempo, la energía necesaria para la unión.

Actividad exonucleasa. Sucede en dirección 3’ 5’. Eliminan

nucleótidos cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como

fragmentos de ARN.

Las ADN polimerasas no pueden iniciar de cero la síntesis de una

nueva cadena de ADN. Necesitan un fragmento de unos 10 nucleótidos

de ARN, denominado ARN cebador o primer, con un extremo hidroxilo

3’ libre al que añadir los nuevos nucleótidos. El ARN cebador es

sintetizado por la enzima primasa que, utilizando ADN como molde,

sintetiza ARN complementario de éste.

A medida que la doble hélice del ADN original se va separando, se

forma la llamada burbuja de replicación donde se produce la acción de

la ADN polimerasa. Existe una horquilla de replicación en cada

extremo, pues el proceso es bidireccional, es decir, avanza en ambas

direcciones.

Dado que la

ADN polimerasa

recorre el ADN

molde en sentido

3’ 5’, la

síntesis de una

de las hebras es

continua, ya que,

a medida que se

abre la doble hélice, la enzima va avanzando y añadiendo nuevos

nucleótidos a la cadena en formación, denominada hebra conductora o

líder. Sin embargo, como la otra cadena es complementaria, la ADN

polimerasa debería recorrerla en sentido 5’ 3’, añadiendo nucleótidos

a la hebra en formación en sentido 3’ 5’, lo cual no es posible. La

síntesis, en este caso, es discontinua y se produce en segmentos

separados. Esta cadena se denomina hebra retardada, pues su síntesis

es más lenta que la de la hebra conductora. Los segmentos de ADN

sintetizados de este modo se conocen como fragmentos de Okazaki.

Cada fragmento de Okazaki requiere un ARN cebador para iniciar la

síntesis de una secuencia de nucleótidos.




La enzima ADN polimerasa elimina después los ARN cebadores

gracias a su acción exonucleasa. La misma enzima rellena el hueco

dejado por el ARN cebador eliminado. Posteriormente, los fragmentos

de Okazaki se unen gracias a la acción de las enzimas ligasas.

III. Finalización.

Por último, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de

patrón se disponen enrolladas originando una doble hélice.

Corrección de errores.

El ADN es la única molécula capaz de efectuar una reparación de sí

misma. La replicación no ha concluido hasta que se comprueba que la copia

de la secuencia nucleotídica es correcta.

Si en la acción de la ADN polimerasa, se produce algún error, el

nucleótido mal emparejado es eliminado por la acción de las enzimas

exonucleasas. Por esta razón, el número de errores producidos durante el

proceso de replicación es muy bajo (uno por cada 107 - 108 bases

incorporadas). Sin embargo, esta proporción no es despreciable, ya que el

número de nucleótidos de una cadena de ADN es muy alto. Por ello, existe

un proceso posreplicativo de corrección de errores en el que participan

varias enzimas:

- Endonucleasas que detectan errores y cortan la cadena anómala.

- Exonucleasas que eliminan el fragmento incorrecto.

- ADN polimerasas que sintetizan la parte correspondiente al

segmento eliminado.

- ADN ligasas que unen el nuevo segmento al resto de la cadena.

Tras la corrección el número de errores desciende hasta uno por cada

1010 bases incorporadas.

Para posibilitar la detección de los errores es necesario diferenciar la

cadena nueva de la antigua. Esto se consigue por metilación de las

adeninas, proceso que tiene lugar pasado un cierto tiempo. Así, las adeninas

de la hebra recién sintetizada no está aún metiladas y las de la hebra

antigua sí, lo que permite que las enzimas reparadoras la identifiquen.

A pesar de los mecanismos correctores de errores, la fidelidad en la

replicación no es absoluta, lo cual no es necesariamente negativo, ya que si

los errores no tienen consecuencias sobre la viabilidad de las células que los

poseen, se convierten en fuente de variación genética, imprescindible para

el desarrollo de los procesos evolutivos.




Diferencias del proceso replicativo en procariotas y eucariotas.

No afectan al mecanismo fundamental, y entre estas diferencias se

pueden citar las siguientes:

En procariotas el proceso de replicación tiene lugar en el

citoplasma, mientras que en eucariotas ocurre en el núcleo a

excepción de la replicación del ADN mitocondrial y cloroplastídico.

Como el ADN de los eucariotas está asociado a histonas, la

replicación debe tener en cuenta la síntesis de estas proteínas. Se

ha comprobado que las histonas originales se mantienen en la hebra

conductora, mientras que se forman nuevas histonas que se unen a

la hebra de ADN retardada.

El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en los organismos

eucariotas (100 a 200 nucleótidos) que en los procariotas (1000 a

2000 nucleótidos).

La replicación tiene un único origen en los procariotas, mientras que

en los eucariotas existen múltiples, pues la cantidad de ADN en las

células eucariotas es muchísimo mayor. Cada unidad de replicación

se denomina replicón.

La velocidad de replicación en cada replicón es menor en los

eucariotas (hasta 50 veces) que en los procariotas. En Escherichia coli, por ejemplo, se unen 45000 nucleótidos/minuto.

ENZIMA PROCARIOTA EUCARIOTA

ADN polimerasa I Elimina el cebador y

rellena huecos

ADN polimerasa II Participa en la

reparación del ADN

ADN polimerasa III Sintetiza ADN

ADN polimerasa α Replicación del ADN nuclear

ADN polimerasa β Reparación del ADN nuclear

ADN polimerasa γ Replicación del ADN mitocondrial

ADN polimerasa δ Replicación del ADN nuclear

ADN polimerasa ε Reparación del ADN nuclear

El proceso de replicación del ADN se va completando normalmente

hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero. Cuando se

elimina el último ARN cebador la hebra retardada quedará

incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco, al

ser incapaz de sintetizar en dirección 3’ 5’. Para poder completar

esta cadena, la polimerasa necesitaría un extremo hidroxilo 3’ libre

donde iniciar un nuevo fragmento. Este hecho hace que el telómero

se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno

que se asocia a los procesos de envejecimiento y muerte celular.




1.1.4.- Expresión de la información genética (flujo de la

información genética): transcripción y traducción

en procariotas y eucariotas.

Diversos estudios han demostrado que el ADN contiene la

información para que los aminoácidos se unan y formen las proteínas. Sin

embargo, dado que la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas, los

cuales se localizan en el citoplasma celular, y que el ADN se halla en el

núcleo, del que no sale, se hace necesaria la existencia de una molécula

intermedia entre ADN – núcleo – y proteínas – ribosomas –. Este papel de

intermediario lo realiza otro ácido nucleico, concretamente el ARN

mensajero (ARNm). El proceso de formación de ARNm, o cualquier tipo de

ARN estudiado, se denomina transcripción.

Con la información contenida en la molécula de ARN mensajero

se puede sintetizar una cadena polipeptídica en un proceso denominado

traducción o síntesis de proteínas que ocurre en los ribosomas.

Este dogma biológico ha sido modificado debido al estudio de

los mecanismos de replicación de algunos virus:

Algunos virus que almacenan su información genética en forma de ARN

poseen la enzima ARN replicasa, capaz de fabricar copias de ese ARN.

Los retrovirus almacenan su información genética en una molécula de

ARN. Emplean la enzima transcriptasa inversa para sintetizar ADN a

partir del ARN. Este proceso se denomina retrotranscripción o

transcripción inversa.

Transcripción o síntesis del ARN.

Consiste en copiar una parte del mensaje genético desde su forma

original, ADN, a otra, ARN, que se puede utilizar directamente, caso de

transcribirse a ARNm, para la síntesis de proteínas específicas. La

transcripción es imprescindible como paso previo para la síntesis de

proteínas, así como proceso fundamental para la regulación de la expresión

génica pues al inhibirse se dejarán de producir las proteínas

correspondientes.




En el proceso de transcripción se forma una cadena de ARN cuya

secuencia de bases nitrogenadas es complementaria a una de las hebras de

la doble hélice de ADN que actúa como molde.

La síntesis de ARN se produce gracias a la acción de un enzima, la ARN

polimerasa, que posee las siguientes características:

- Utiliza nucleótidos trifosfato de adenina, guanina, citosina y

uracilo. Los une mediante enlaces fosfodiéster, siempre en sentido

5’ 3’.

- Necesita una molécula de ADN como molde o patrón para poder

establecer la secuencia específica de bases de ARN que se va a

sintetizar.

- Se fija a regiones específicas del ADN, regiones o genes

promotores, para comenzar su acción a partir de ese punto.

El proceso, en líneas generales, es el mismo en todas las células, aunque

existen algunas diferencias entre las procariotas y las eucariotas.

A. Transcripción en células procariotas.

Existe una única ARN polimerasa formada por dos subunidades α,

una subunidad β y una subunidad β’. Para poder reconocer la región

promotora del ADN, donde se debe fijar e iniciar la transcripción, es

necesario que la ARN polimerasa se una al llamado factor sigma (σ),

tras lo cual cambia de conformación y es capaz de reconocer y fijarse a

la región promotora, una zona rica en timina y adenina.




Una vez fijada la ARN polimerasa, el factor sigma se libera.

Seguidamente se produce el desenrollamiento de una vuelta de la doble

hélice. A continuación comienza la actividad sintetizadora del enzima,

en sentido 5’ 3’, que recorre el ADN en sentido 3’ 5’.

La cadena de ARN finaliza cuando la polimerasa llega a una zona del

ADN, denominada señal de terminación, que posee una secuencia con

muchas bases de guanina y citosina. En esta fase suele intervenir el

factor rho (ρ), una proteína con actividad ATPásica capaz de reconocer

la señal de terminación.

La velocidad de transcripción es alta (30-40 nucleótidos/segundo).

La transcripción es necesaria para obtener los tres tipos de ARN.

En el caso del ARNm, la cadena sintetizada se puede utilizar

directamente para la síntesis de proteínas. De hecho, ésta suele

comenzar sin que la transcripción haya terminado por completo.

Sin embargo, los ARN transcritos que originarán los ARNr y ARNt

requieren un proceso adicional de cortes y uniones de fragmentos para

ser funcionales.

Los errores cometidos durante la transcripción, son más numerosos

que los que tienen lugar durante la replicación, aunque se pueden tolerar

al no transmitirse a la descendencia.

B. Transcripción en células eucariotas.

Es más complejo que el anterior, pues en él intervienen diversos

factores proteicos. Existen, además, tres ARN polimerasas diferentes

que constan de varias subunidades:




ARN polimerasa I. Transcribe la

información correspondiente a los

ARN ribosómicos (excepto el 5 S).

ARN polimerasa II. Se encarga de

la transcripción de los genes

origen de los ARN mensajeros.

ARN polimerasa III. Produce los

ARN transferentes, el ARN

ribosómico 5 S y la transcripción

de los genes que portan

información para la síntesis de

histonas.

Una característica de la transcripción en eucariotas es que se

necesita de un proceso de maduración, ya que en estas células los genes

constan de fragmentos con sentido, exones – se transcriben y se

traducen -; y de fragmentos sin sentido, intrones – se transcriben pero

no se traducen -.

Para que la transcripción se pueda llevar a cabo es imprescindible

que el ADN sea asequible a las ARN polimerasas. Para ello debe estar

desespiralizado y no debe existir un bloqueo por parte de las histonas

que impida el acceso de las enzimas.

En el caso del ARNm, el lugar de comienzo de la transcripción está

marcado por una región promotora donde se fija la ARN polimerasa,

que consta de unas secuencias específicas de bases nitrogenadas (CAAT

o TATA).

A diferencia de los procariotas no existe el factor rho para

facilitar la identificación de estas secuencias y la fijación de la ARN

polimerasa. En su lugar existen factores basales de la transcripción.

Cuando el proceso de transcripción ya está en marcha y se han

unido los primeros 30 ribonucleótidos, añade al extremo 5’ una

“caperuza” constituida por 7-metil-guanosín-fosfato, que permitirá

reconocer dicho extremo en el proceso de traducción posterior.

Así mismo, existe una secuencia en el ADN (TTATTT) que indica el

final de la transcripción. A continuación, sobre el extremo 3’ del ARN

recién sintetizado, se añaden unos 200 ribonucleótidos de adenina “cola poli-A“ por acción de la enzima poli-A polimerasa.




El ARN transcrito, para ser funcional, debe experimentar un

proceso de maduración consistente en la eliminación de los intrones y la

unión de los exones entre sí mediante un mecanismo que se conoce como

splicing. En este proceso intervienen las denominadas

ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPpn).

De esta forma, el ARNm definitivo está compuesto por una

secuencia continua de exones, unidos por la acción de enzimas ARN

ligasas específicas, que se traduce en una proteína.

En cuanto a los ARNt sintetizados por la ARN polimerasa III, se

produce la modificación de algunas bases nitrogenadas para formar las

que son características de estas moléculas. También se añade el

triplete CCA en el extremo 3’.

La formación de los ARNr es

compleja. La región del ADN que

codifica para estos ARNr se denomina

organizador nucleolar (NOR). Por la

acción de la ARN polimerasa I se

sintetiza el ARN nucleolar 45 S, el

cual se fragmenta posteriormente

organizando ARN 28 S, 18 S y 5,8 S.

Éstos, unidos al ARNr 5 S sintetizado

por la ARN polimerasa III y a varías

proteínas, constituyen las

subunidades ribosómicas. El proceso

se lleva a cabo en el nucleolo.

[...También se produce la

transcripción de los genes presentes en las mitocondrias y en los

cloroplastos. En este caso, sólo existe una polimerasa constituida por una

única subunidad...]




Traducción.

Una vez transcrito el ADN, la molécula de ARNm formada contiene la

información necesaria para la síntesis de la proteína correspondiente. La

traducción se lleva a cabo en los ribosomas.

Los ribosomas son orgánulos citoplasmáticos no membranosos y de

composición ribonucleoproteica formados por dos subunidades (pequeña y

grande). En la subunidad pequeña se une el ARNm, mientras que en la

subunidad grande es donde se unen los ARNt con los aminoácidos, para

formar la cadena polipeptídica. Además, se distinguen tres lugares

diferentes de unión a los ARNt: el sitio P – peptidil –, donde se sitúa la

cadena polipeptídica en formación; el sitio A – aminoacil –, donde entra los

aminoácidos que se van a unir a la cadena proteica, y el sitio E – exit –,

donde se sitúa el ARNt antes de salir del ribosoma.

Básicamente, la biosíntesis de proteínas se desarrolla de la misma

manera en células procariotas y eucariotas, aunque existen algunas

diferencias. Describiremos el proceso en procariotas y comentaremos las

peculiaridades propias de eucariotas.

Antes de que se inicie previamente la síntesis de proteínas es preciso

que los aminoácidos que van a ser unidos se activen. En esta fase previa, que

tiene lugar en el citoplasma, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt

específica gracias a la acción de las enzimas aminoacil-ARNt-sintetasas.

Para ello es necesario el aporte energético obtenido por la hidrólisis del

ATP. El aminoácido queda unido por su extremo carboxilo al grupo –OH del

extremo 3’ del ARNt.

Aminoácido + ATP + ARNt aminoacil ARNt + AMP + PPi

Existen al menos 20 aminoacil-ARNt-sintetasas, una para cada

aminoácido. Estas enzimas son muy específicas, pues han de unir cada

aminoácido al ARNt que le corresponde.

Las moléculas de ARNt actúan como sistemas intermediarios entre la

secuencia de nucleótidos y la secuencia de aminoácidos, ya que, además de

llevar unido un aminoácido en el extremo 3’, reconocen los nucleótidos del

ARNm gracias a su anticodón complementario del codón correspondiente. El

aminoácido que transporta es el correspondiente al codón que reconoce ese

ARNt.




Una vez activados los aminoácidos por la formación de los aminoacil-

ARNt tiene lugar la síntesis de proteínas. El proceso se lleva a cabo en tres

etapas:

1. Iniciación.

El ARNm se une a los ribosomas citoplasmáticos, cuyas subunidades,

que se encuentran separadas cuando aún no están realizando su función,

deberán acoplarse.

- En primer lugar, el ARNm se une por su extremo 5’ a la

subunidad menor del ribosoma gracias a un factor proteico de

iniciación (IF3).

- A continuación se produce la fijación del primer aminoacil ARNt

por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases

complementarias del anticodón del ARNt y las del codón del

ARNm.

El primer codón o codón de iniciación siempre es 5’ AUG 3’ y, por

tanto, el anticodón del primer ARNt es UAC.

El aminoácido unido a este primer ARNt es el N-formil-metionina.

Posteriormente este primer aminoácido suele ser eliminado. En el

proceso de fijación entre ambos ARN interviene otro factor de

iniciación (IF2).

- Por último, se produce el acoplamiento de la subunidad mayor

del ribosoma, para lo cual se precisa otro factor de iniciación

diferente (IF1).




Queda formado así el denominado complejo de iniciación, que

constituye la maquinaria sintetizadora activa.

La porción de ARNm cubierta por el ribosoma corresponde a seis

nucleótidos, es decir, a dos codones. Sobre el primero de ellos, AUG, ya

está situado el aminoacil ARNt correspondiente, en el lugar denominado

sitio P (de peptidil, ya que es el lugar donde se localiza el ARNt que

lleva unida la cadena peptídica en formación). La zona donde se

encuentra el segundo codón es el sitio A (de aminoacil, ya que es el

lugar en el que se acopla cada nuevo aminoacil ARNt). El proceso de

iniciación precisa energía, que se obtiene por la hidrólisis del GTP.

2. Elongación o alargamiento.

En esta etapa, la cadena se sintetiza por la unión de los sucesivos

aminoácidos que se van situando en el ribosoma transportados por los

correspondientes ARNt. Para ello es necesario el desplazamiento del

ribosoma a lo largo de la cadena del ARNm. Dicho proceso de

desplazamiento recibe el nombre de translocación.

En este proceso se pueden diferenciar tres subetapas:

- Unión de un aminoacil ARNt al sitio A. Esto sólo es posible si

el anticodón del ARNt es complementario del codón del ARNm

que se encuentra allí. En esta subetapa se precisa la hidrólisis

de GTP para proporcionar la energía necesaria y dos factores

proteicos de elongación (EF-Ts y EF-Tu).

- Formación del enlace peptídico. Una vez anclados los dos

aminoacil ARNt, uno en el sitio P y otro en el sitio A, se produce

la unión entre los dos aminoácidos gracias a la enzima peptidil

transferasa, localizada en la subunidad mayor del ribosoma.

Al unirse el primer aminoácido, formil metionina, al segundo, se

desprende de su ARNt el cual se libera del ribosoma. Se forma

de esta manera un dipéptido que permanece unido al segundo

ARNt, localizado en el sitio A.

- Translocación del dipéptido al sitio P. Se produce el

desplazamiento del ribosoma sobre el ARNm en sentido 5 ’ 3’.

Así, el segundo codón con el ARNt fijado sobre él, el cual lleva

unido a su vez el dipéptido recién sintetizado, pasa al sitio P,

quedando libre el sitio A, que es ocupado por el tercer codón del

ARNm. Sobre éste se fija un nuevo aminoacil ARNt, con la

participación de otro factor de elongación (EF-G).

A continuación, se forma un nuevo enlace peptídico entre este

aminoácido y el dipéptido situado en el sitio P, con lo que todo el

proceso de translocación descrito comienza nuevamente.




De este modo, mientras el ribosoma recorre el ARNm, los sucesivos

aminoacil ARNt que se van fijando al sitio A van incorporando su

aminoácido correspondiente a la cadena peptídica en formación

mediante la acción de la enzima peptidil transferasa. En la fijación de

cada ARNt se utiliza la energía suministrada por la hidrólisis del GTP.

Debido a la complementariedad existente entre los anticodones del

ARNt y los codones del ARNm, la secuencia de bases nitrogenadas de

este último se refleja en la secuencia de aminoácidos de la proteína que

se sintetiza.

3. Terminación.

Existen tres codones de terminación (UAA. UAG y UGA) en el

ARNm para los que no hay ARNt con los correspondientes aminoácidos.

Por esta razón, cuando el ribosoma llega a uno de ellos, no se sitúa

ningún aminoacil ARNt en el sitio A y la cadena peptídica se acaba. En

esta fase intervienen unos factores de liberación: R1F y R2F. Al

situarse en el sitio A, estos factores hacen que la enzima peptidil

transferasa libere el péptido del ARNt al que está unido. También en

este proceso se utiliza la energía que proporciona el GTP.

Como consecuencia del proceso de traducción se libera:

- La cadena proteica que, ha adquirido su estructura secundaria y

terciaria característica.

- Las dos subunidades ribosómicas separadas.

- El ARNm, que puede volver a ser utilizado, aunque por lo general

es destruido inmediatamente.

La velocidad de síntesis proteica es alta – se pueden unir hasta

1400 aminoácidos por minuto – lo que da idea de la eficacia del sistema.

Las cadenas de ARNm, suelen ser leídas por más de un ribosoma

simultáneamente: polirribosomas o polisomas; lo cual permite una mayor

efectividad y un ahorro de tiempo considerable en la síntesis de

muchas copias de la misma proteína.

La traducción en células eucariotas.

Las moléculas y estructuras participantes, así como el desarrollo del

proceso, son iguales aunque se observan las siguientes diferencias:

Entre el lugar de transcripción, núcleo, y el de traducción,

citoplasma, existe una separación, membrana nuclear.

Los ARNm son más estables que los ARNm de los procariotas.

Además, son monocistrónicos, es decir, sólo llevan información para




una proteína; mientras que los ARNm de los procariotas son

policistrónicos, contienen información para más de una proteína.

El extremo 5’ de los ARNm tiene metil guanosina trifosfato para

poder ser identificado por los ribosomas.

Los ribosomas tienen ARNr diferentes y su coeficiente de

sedimentación es ligeramente distinto (80 S en eucariotas frente a

70 S en procariotas).

El primer ARNt no lleva unido formil metionina, sino metionina.

Este primer ARNt se une antes a la subunidad ribosómica menor que

al ARNm.

Los factores de iniciación (IF-M1, IF-M2, IF-M3) y el EF-1 de

elongación, difieren de los de los procariotas.

1.1.5. El código genético.

Una vez conocida la función de intermediario que realiza el

ARNm entre el ADN y las proteínas, quedaba por dilucidar cómo pasar de un

lenguaje de bases nitrogenadas a un lenguaje de aminoácidos. Se necesitaba

un “diccionario” con el que poder realizar la traducción. Este diccionario es

el código genético.

Se denomina código genético a la relación entre la secuencia de

nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituye una

proteína.

El código genético es la clave que permite la traducción del

mensaje genético a su forma funcional, las proteínas. Como sólo hay cuatro

bases nitrogenadas distintas, las señales codificadoras para los 20




aminoácidos proteicos deben estar constituidas por más de una base. Si

cada señal estuviera formada por dos bases nitrogenadas, sólo codificarían

16 aminoácidos, por lo que aún quedarían aminoácidos sin codificar. Por

tanto, cada señal que codifica para un aminoácido está constituida por tres

bases nitrogenadas consecutivas, es decir, un triplete. Al haber cuatro

bases, tendremos pues 64 tripletes diferentes.

Los tripletes de bases del ARNm reciben el nombre de codones.

Los tripletes del ADN correspondientes, que han sido transcritos, se

denominan codógenos. Existen 61 codones codificadores de aminoácidos y 3

(UAA, UAG y UGA, llamados sin sentido) que señalan el final del mensaje y

no especifican ningún aminoácido. Hay también un codón (AUG) que, además

de codificar para el aminoácido metionina, es la señal del comienzo.

El código genético tiene las siguientes características:

Tiene carácter universal, ya que es el mismo código para todos los

organismos conocidos. Este hecho indica que el código genético ha

tenido un solo origen evolutivo.

Sin embargo, se han detectado excepciones a la universalidad del

código en el material genético de las mitocondrias, en algunos

protistas ciliados y en micoplasmas.

El código está degenerado en el sentido matemático del término.

Esto significa que no existe el mismo número de señales

codificadoras en el ARN que aminoácidos van a ser codificados.

Salvo el triptófano y la metionina, que están codificados por un

único codón, los demás aminoácidos están codificados por más de un

triplete.




Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se

denominan codones sinónimos; esto supone una ventaja ya que en el

caso de que se produzcan cambios en algún nucleótido, no se tiene

por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman la proteína.

Está formado por una secuencia lineal de bases nitrogenadas que

carece de solapamiento. Entre los sucesivos codones no hay

espacios ni separaciones de ningún tipo. Su lectura se hace en

sentido 5’ 3’, desde el codón que indica el comienzo de la proteína

hasta el que indica el final. Existe la posibilidad de que un mismo

ARNm contenga varios codones de iniciación.

No presenta imperfección. Ningún codón codifica más de un

aminoácido; lo contrario conllevaría problemas considerables.

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LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA - … · bloque iii: ¿dÓnde estÁ la informaciÓn de los seres vivos? ¿cÓmo se expresa y se transmite