LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA

Transcripción

1 LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA 1.- Genética molecular El ADN como portador de la información genética ADN y cromosomas Concepto de gen Conservación de la información: la replicación del ADN Expresión de la información genética (flujo de la información genética): transcripción y traducción en procariotas y eucariotas El código genético Alteraciones de la información genética Concepto de mutación Causas de las mutaciones Consecuencias de las mutaciones Consecuencias evolutivas Efectos perjudiciales. 2.- Genética mendeliana Conceptos básicos de herencia biológica Genotipo y fenotipo Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia Leyes de Mendel Cruzamiento prueba y retrocruzamiento Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas Teoría cromosómica de la herencia Los genes y los cromosomas Relación del proceso meiótico con las leyes de Mendel Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo. 3.- Bibliografía. 4.- Preguntas de selectividad. Genética Genética molecular y mendeliana - 1 -

2 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 millones de bases químicas (A, G, T y C) del ADN. El Proyecto Genoma Humano nació para descifrar la secuencia precisa de esos 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 hasta más de genes 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 Genética Genética molecular y mendeliana - 2 -

3 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 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 Genética Genética molecular y mendeliana - 3 -

4 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 Dos descubrimientos previos abrieron el camino a este modelo de estructura secundaria del ADN aceptado en la actualidad. 2 nm 3,4 nm 0,34 nm 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. Genética Genética molecular y mendeliana - 4 -

5 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. Genética Genética molecular y mendeliana - 5 -

6 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. Genética Genética molecular y mendeliana - 6 -

7 [ 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. Genética Genética molecular y mendeliana - 7 -

8 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. Genética Genética molecular y mendeliana - 8 -

9 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). Genética Genética molecular y mendeliana - 9 -

10 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 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. Genética Genética molecular y mendeliana

11 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. Genética Genética molecular y mendeliana

12 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 N 15, 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 N 15. 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 N 15 (figura B) se forma en distinto lugar que la del ADN que posee nitrógeno con el isótopo normal N 14 (figura A). Posteriormente, realizaron un cultivo de las bacterias cuyo ADN tenía N 15, en un medio con N 14, 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 N 15 y la del ADN con N 14 (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 N 14 (figura D). Este resultado descarta la hipótesis dispersiva. A raíz de estos experimentos se dedujo que la replicación del ADN era semiconservativa. C D A B Genética Genética molecular y mendeliana

13 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. Genética Genética molecular y mendeliana

14 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. Genética Genética molecular y mendeliana

15 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 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 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. Genética Genética molecular y mendeliana

16 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 nucleótidos/minuto. ENZIMA PROCARIOTA EUCARIOTA ADN polimerasa I ADN polimerasa II ADN polimerasa III ADN polimerasa α ADN polimerasa β ADN polimerasa γ ADN polimerasa δ ADN polimerasa ε Elimina el cebador y rellena huecos Participa en la reparación del ADN Sintetiza ADN Replicación del ADN nuclear Reparación del ADN nuclear Replicación del ADN mitocondrial Replicación del ADN nuclear 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. Genética Genética molecular y mendeliana

17 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. Genética Genética molecular y mendeliana

18 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 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. Genética Genética molecular y mendeliana

19 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: Genética Genética molecular y mendeliana

20 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. Genética Genética molecular y mendeliana

21 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...] Genética Genética molecular y mendeliana

22 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. Genética Genética molecular y mendeliana

23 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). Genética Genética molecular y mendeliana

24 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. Genética Genética molecular y mendeliana

25 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: R 1 F y R 2 F. 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 Genética Genética molecular y mendeliana

26 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-M 1, IF-M 2, IF-M 3 ) y el EF-1 de elongación, difieren de los de los procariotas 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 Genética Genética molecular y mendeliana

27 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 ARN m 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. Genética Genética molecular y mendeliana

28 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 ARN m contenga varios codones de iniciación. No presenta imperfección. Ningún codón codifica más de un aminoácido; lo contrario conllevaría problemas considerables. Genética Genética molecular y mendeliana