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Profesor: Moises Navarro Biología
ADN
El ácido desoxirribonucleico, frecuentemente abreviado como ADN (y también
DNA, del inglés Deoxyribo Nucleic Acid), es un tipo de ácido nucleico, una
macromolécula que forma parte de la mayoría de las células. Contiene la información
genética usada en el desarrollo y el funcionamiento de los organismos vivos conocidos y de
algunos virus, siendo el responsable de su transmisión hereditaria.
Desde el punto de vista químico el ADN es un polímero de nucleótidos, es decir, un
polinucleótido. Un polímero es un compuesto formado por muchas unidades simples
conectadas entre sí, como si fuera un largo tren formado por vagones. En el ADN, cada
vagón es un nucleótido, y cada nucleótido, a su vez, está formado por un azúcar (la
desoxirribosa), una base nitrogenada (que puede ser adenina→A, timina→T, citosina→C o
guanina→G) y un grupo fosfato que actúa como enganche de cada vagón al siguiente.
Lo que distingue a un vagón (nucleótido) de otro es, entonces, la base nitrogenada, y por
ello la secuencia del ADN se especifica nombrando sólo la secuencia de sus bases. La
disposición secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena (el ordenamiento de los
cuatro tipos de vagones a lo largo de todo el tren) es la que codifica la información
genética: por ejemplo, una secuencia de ADN puede ser ATGCTAGATCGC... En los
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organismos vivos, el ADN se presenta como una doble cadena de nucleótidos, en la que las
dos hebras están unidas entre sí por unas conexiones denominadas puentes de hidrógeno.
EL ADN SE DUPLICA DE MANERA SEMICONSERVATIVA
El experimento de Meselson y Stahl en
1958 permitió demostrar que el mecanismo
real se ajusta a la hipótesis de replicación
semiconservadora. Para ello se hicieron
crecer células de Escherichia coli en
presencia de nitrógeno-15, un isótopo del
nitrógeno más pesado de lo habitual. En
consecuencia, el isótopo se incorporó a las
cadenas de ADN que se iban sintetizando,
haciéndolas más pesadas.
LA REPLICACIÓN DEL ADN:
INICIACIÓN
Los experimentos realizados por Cairns
(1963) con bacterias Escherichia coli
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permitieron determinar la existencia de ese punto fijo u origen de replicación a partir del
cual el genoma empezaba a replicarse.
Los experimentos consistían en mantener un cultivo de E. coli creciendo en un medio que
contenía timidina tritiada (timina marcada con tritio), de forma que el ADN quedara
marcado radiactivamente pudiendo efectuarse una autorradiografía.
A continuación se observaba al microscopio. Los resultados indicaban que la replicación en
E. coli se iniciaba en un punto concreto (OriC).
La cantidad de ADN que se puede sintetizar a partir de un único origen de replicación se
denomina replicón o unidad funcional de replicación.
Debido a que en la célula ambas cadenas de la doble hélice de ADN se duplican al mismo
tiempo, éstas deben separarse para que cada una de ellas sirva de molde para la síntesis de
una nueva cadena. Por eso, la replicación avanza con una estructura en forma de horquilla
formándose una burbuja u ojo de replicación
El movimiento de la horquilla es bidireccional en la mayoría de los casos, es decir, a partir
de un punto se sintetizan las dos cadenas en ambos sentidos.
La replicación siempre se produce en sentido 5' → 3', siendo el extremo 3'-OH libre el
punto a partir del cual se produce la elongación del ADN. Esto plantea un problema, y es
que las cadenas tienen que crecer simultáneamente a pesar de que son antiparalelas, es
decir, que cada cadena tiene el extremo 5' enfrentado con el extremo 3' de la otra cadena.
Por ello, una de las cadenas debería ser sintetizada en dirección 3' → 5'.
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Este problema lo resolvieron los científicos japoneses Reiji Okazaki y Tsuneko Okazaki en
la década de 1960, al descubrir que una de las nuevas cadenas de ADN se sintetiza en
forma de trozos cortos que, en su honor, se denominan fragmentos de Okazaki. Su longitud
suele variar entre 1000 y 2000 nucleótidos en las bacterias y entre 100 y 400 nucleótidos en
eucariontes.
La cadena que se sintetiza en el mismo sentido que avanza la horquilla de replicación se
denomina hebra adelantada (en inglés, leading strand, que a veces se traduce por líder o
conductora) y se sintetiza de forma continua por la ADN polimerasa, mientras que la que se
sintetiza en sentido contrario al avance se denomina hebra rezagada o retrasada (en inglés,
lagging strand), cuya síntesis se realiza de forma discontinua teniendo que esperar a que la
horquilla de replicación avance para disponer de una cierta longitud de ADN molde
En el proceso general de la replicación intervienen varias moléculas y enzimas.
La helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la doble hélice permitiendo el
avance de la horquilla de replicación.
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La topoisomerasa impide que el ADN se enrede debido al superenrollamiento
producido por la separación de la doble hélice.
Las proteínas SSB1 se unen la hebra discontínua de ADN, impidiendo que ésta se
una consigo misma.
La ADN polimerasa sintetiza la cadena complementaria de forma continua en la
hebra adelantada y de forma discontínua en la hebra rezagada.
La ARN primasa sintetiza el cebador2 de ARN necesario para la síntesis de la
cadena complementaria a la cadena rezagada.
La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki.
El proceso se puede dividir en 3 fases: iniciación, elongación y terminación.
Los cebadores los quita la pol. I y coloca bases a la cadena en crecimiento por la ligasa.
1 Proteínas que se unen al DNA de hebra simple en el proceso de replicación del DNA, con la finalidad que la
horquilla replicadora mantenga su estructura y no se reforme el DNA dúplex.
2 El cebador o primer está formado por nucleótidos de ácido ribonucleico, es la secuencia de inicio en la
replicación de la cadena.
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Ver video: https://www.youtube.com/watch?v=YqjbmrQcyfM
LA REPLICACIÓN DEL ADN: ELONGACIÓN
En el siguiente paso, la holoenzima ADN Pol III cataliza la síntesis de las nuevas cadenas
añadiendo nucleótidos sobre el molde. Esta síntesis se da bidireccionalmente desde cada
origen, con dos horquillas de replicación que avanzan en sentido opuesto.
Cuando el avance de dos horquillas adyacentes las lleva a encontrarse, es decir, cuando dos
burbujas se tocan, se fusionan, y cuando todas se han fusionado todo el cromosoma ha
quedado replicado.
Puesto que la holoenzima ADN Pol III necesita de un extremo 3'-OH libre, es necesario que
una ARN primasa catalice la formación de un fragmento corto específico de ARN llamado
cebador, que determinará el punto por donde la ADN polimerasa comienza a añadir
nucleótidos. Así, durante la síntesis, en cada horquilla de replicación se van formando dos
copias nuevas a partir del cebador sintetizado en cada una de las dos hebras de ADN que se
separaron en la fase de iniciación, pero debido a la unidireccionalidad de la actividad
polimerasa de la ADN Pol III, que sólo es capaz de sintetizar en sentido 5´ → 3', la
replicación sólo puede ser continua en la hebra adelantada; en la hebra rezagada es
discontinua, dando lugar a los fragmentos de Okazaki.
La mitad del dímero de la holoenzima ADN Pol III sintetiza la hebra adelantada y la otra
mitad la hebra rezagada
En la hebra rezagada, cuando la ADN Pol III hace contacto con el extremo de otro
fragmento de Okazaki contiguo, el cebador de ARN de éste es eliminado y los dos
fragmentos de Okazaki de ADN recién sintetizado son unidos. Una vez se han juntado
todos se completa la doble hélice de ADN. La eliminación de cebadores también se da en la
hebra conductora, de síntesis continua, pero debido a que en ésta hay un solo cebador es un
proceso que sólo tiene lugar una vez, mientras que en la hebra rezagada se dará tantas veces
como fragmentos de Okazaki haya.
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En la eliminación del fragmento de Okazaki (también denominado iniciador, cebador o
primer) intervienen dos de enzimas: por un lado la ADN Pol I, que va eliminando el ARN
con su actividad exonucleasa 5' → 3' y simultáneamente rellenando con ADN mediante su
actividad polimerasa 5' → 3' (proceso denominado nick-traslation). Al final queda rotura (o
"mella") entre el extremo 3'-OH libre y el fosfato 5' de la cadena sintetizada; por último, la
ADN ligasa sella esa rotura catalizando la reacción de condensación entre el grupo fosfato
y el OH de la desoxirribosa del nucleótido contiguo, completando el enlace fosfodiéster;
para ello, es preciso hidrolizar una molécula de ATP.
LA REPLICACIÓN DEL ADN: TERMINACIÓN
El final de la replicación se produce cuando la ADN polimerasa III se encuentra con una
secuencia de terminación. Se produce entonces el desacople de todo el replisoma y la
finalización de la replicación.
Las ADN polimerasas también realizan otras funciones durante el proceso de replicación.
Además de participar en la elongación, desempeñan una función correctora y reparadora
gracias a su actividad exonucleasa 3', que les confiere la capacidad de degradar el ADN
partiendo de un extremo de éste. Es importante que existan estos mecanismos de corrección
ya que de lo contrario los errores producidos durante la copia del ADN darían lugar a
mutaciones.
TRANSCRIPCIÓN: INICIACIÓN
En el caso de las eucariotas, el proceso se realiza en el núcleo, y es similar al de las
procariotas, pero de mayor complejidad. Diferentes ARNpolimerasas transcriben distintos
tipos de genes. La ARNpol II transcribe los pre-ARNm, mientras que la ARNpol I y
ARNpol III transcriben los ARN-ribosomales y ARNt, respectivamente. El pre-ARNm
sufre un proceso de maduración que tras cortes y empalmes sucesivos elimina ciertos
segmentos del ADN llamados los intrones para producir el ARNm final. Durante este
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proceso de maduración se puede dar lugar a diferentes moléculas de ARN, en función de
diversos reguladores. Así pues, un mismo gen o secuencia de ADN, puede dar lugar a
diferentes moléculas de ARNm y por tanto, producir diferentes proteínas.
Al contrario de la replicación de ADN, durante el inicio de la transcripción no se requiere la
presencia de un cebador para sintetizar la nueva cadena, de ARN en este caso. Antes del
inicio de la transcripción se necesitan toda una serie de factores de iniciación de la
transcripción. Estos se unen a secuencias específicas de ADN para reconocer el sitio donde
la transcripción ha de comenzar y se sintetice el ARN cebador. Esta secuencia de ADN en
la que se ensamblan los complejos de transcripción se llama promotor.
Los promotores se localizan en los extremos 5'-terminales de los genes, antes del comienzo
del gen, y a ellos se unen los factores de transcripción mediante fuerzas de Van der Waals y
enlaces de hidrógeno. Los promotores suelen tener secuencias definidas, muy conservadas
en cada especie. Las más conocidas TATA (la llamada caja TATA situada sobre la región –
10, o sea a 10 pares de bases antes de empezar la transcripción) y la caja TTGACA (situada
en el punto -35). Sobre el promotor TATA se forma el núcleo del complejo de iniciación y
se fija una proteína de unión, unos factores de transcripción, una helicasa y una ARN
polimerasa cuando todo está junto da comienzo la iniciación.
Primero, una Helicasa separa las hebras de ADN en estas denominadas cajas TATA, ya que
entre adenina y timina se establecen dos enlaces de hidrógeno, mientras que entre citosina y
guanina se forman tres. Cuando se forma el complejo abierto, la ARN polimerasa comienza
a unir ribonucleótidos mediante enlaces fosfodiéster, y una vez que se forma el primer
enlace fosfodiéster, acaba la etapa de iniciación y comienza así la siguiente etapa.
TRANSCRIPCIÓN: ELONGACIÓN
El centro activo de la ARN polimerasa reconoce a los ribonucleótidos trifosfato entrantes.
Cuando el nucleótido entrante forma los enlaces de hidrógeno idóneos, entonces la ARN
polimerasa cataliza la formación del enlace fosfodiéster que corresponde.
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TRANSCRIPCIÓN: TERMINACIÓN
La terminación está señalizada por secuencias del ADN ricas en guanina y citosina,
seguidas de timina, formando secuencias palindrómicas, que cuando se transcriben el ARN
recién sintetizado adopta una estructura en horquilla que desestabiliza el complejo ARN-
ADN, obligando a separarse de la ARN polimerasa.
Algunas secuencias poseen una secuencia a la que se unen una serie de proteínas
reguladoras específicas de la terminación de la transcripción como la proteína rho .
MADURACIÓN DEL ARN
Particularmente común en las células eucariotas, el procesamiento del ARN más común es
el empalme para eliminar los intrones. Los intrones son segmentos de ARN que no se
encuentran en el ARN maduro y no deben formar parte de la traducción posterior.
EXPORTACIÓN DEL ARN AL CITOPLASMA
Para la exportación del ARN al citoplasma y como parte de la maduración del tránsito de
sufre dos modificaciones en sus extremos:
Adición al extremo 5' de caperuza o casquete: (o CAP, su nombre en inglés) que es un
nucleótido modificado de guanina. Esta caperuza es necesaria para ser reconocido y
exportado el tránscrito así como para permitir el correcto reconocimiento por el ribosoma.
Poliadenilación: es la adición al extremo 3' de una cola poli-A, es decir, un tramo de unas
200 ARN adeninas que protege al ARNm frente a la degradación frente a ribonucleasas,
aumentando su vida media en el citosol, de modo que se puede sintetizar mayor cantidad de
proteína.
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CÓDIGO GENÉTICO
El código genético es un conjunto de normas por las que la información codificada en el
material genético (secuencias de ADN o ARN) se traduce en proteínas (secuencias de
aminoácidos) en las células vivas. El código define la relación entre secuencias de tres
nucleótidos, llamadas codones, y aminoácidos, proporcionados por ARNt activados con un
anticodón complementario al codón del ARNm. El ribosoma es la estructura celular que
propicia la unión anticodón y codón para la polimerización del polipéptido de acuerdo con
la secuenciación de tripletes codón del tránscrito del gen.
La secuencia de bases del ácido nucléico consta de cuatro bases para las cuales debe
encontrarse combinaciones para generar los 20 aa constituyentes de las proteínas. De uno
en uno generamos cuatro posibilidades, cogidos de dos en dos serían 42=16 probabilidades,
insuficientes. Cogidos de tres en tres las posibilidades son 43=64.
El hecho de que se generen más posibilidades que aminoácidos posibles nos proporciona un
código conocido como código degenerado en el que más de un triplete nos codificará para
el mismo aminoácido.
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El código genético es degenerado.
El código genético es universal (común a todos los seres vivos)
Este código codifica 61 aa entre los cuales está el aminoácido de inicio común en
procariotas AUG que es la formilmetionina. Los otros tres codones no corresponden a
ningún ARNt activado sino que corresponden a tripletes sin sentido que finalizan la
traducción del péptido. Estos son UAA, UAG, UGA.
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DEL ADN A LAS PROTEÍNAS
El dogma central de la biología se ha completado en los últimos tiempos a raíz de encontrar
en ciertos tipos de virus la capacidad de transcribir de ARN a ADN mediante un enzima, la
transcriptasa inversa o retrotranscriptasa. También se ha observado la capacidad de algunos
para replicar su propia molécula de ARN. Así se modifica en parte este dogma central que
queda de la siguiente manera:
Datos Importantes:
Un gen es el conjunto de una secuencia determinada de nucleótidos de una de las
dos cadenas del ADN. El gen lleva la información para la formación de una proteína o para
un carácter. La secuencia puede llegar a formar proteínas, o serán inhibidas, dependiendo
del programa asignado para la célula que aporte los cromosomas.
La cromatina es el conjunto de ADN asociado a unas proteínas especiales
llamadas histonas. Este material se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y se
visualiza como una maraña de hilos delgados.
La cromatina es la forma en la que se encuentra el ADN en la que es funcional, es
decir, en la que se puede leer la información que lleva, copiarla en forma de ARN
mensajero y llevarla al citoplasma de la célula para que los ribosomas puedan traducirla y
formar la proteína correspondiente.
Cuando el núcleo celular comienza el proceso de división (mitosis o meiosis), esa
maraña de hilos inicia un fenómeno de de condensación progresivo que finaliza en la
formación de entidades discretas e independientes: los cromosomas. Por lo tanto,
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cromatina y cromosoma son dos aspectos morfológicamente distintos de una misma entidad
celular: ADN.
Los cromosomas se forman para que el reparto del ADN durante la división celular
sea equitativo y cada célula hija reciba la misma cantidad de información.
LOS VIRUS
Los virus son parásitos intracelulares obligatorios que dependen absolutamente de la
maquinaria celular de su huésped para la síntesis de sus proteínas y replicación de su
genoma. Son agentes ubicuos3 capaces de replicarse en literalmente todos los tipos de
células conocidos (bacterias, hongos, algas, protozoarios, células vegetales y animales).
Los virus son agentes responsables de un gran número de patologías en diversas especies.
El estudio de su biología ha permitido, además del diseño de medias racionales de control y
profilaxis4, el descubrir a través de su caracterización un gran número de fenómenos de
biología molecular.
Estas partículas pueden vivir y multiplicarse tan sólo en el interior de células huéspedes: son,
por tanto, parásitos obligados. Los virus varían en dimensión, forma y composición. Están
constituidos por una única molécula de ácido nucleico (ADN o ARN) rodeada por una cápsula
protectora, denominada cápside, formada por proteínas. Pueden ser esféricos, tener forma de
bastoncillo o estar constituidos por una "cabeza" y una "cola". El virus que provoca el afta
epizoótica, por ejemplo, es de forma esférica y tiene un diámetro de 10 nm, mientras que el
virus del mosaico del tabaco es un bastoncillo de 300 nm de longitud.
Los virus entran o inyectan su material genético en la célula huésped y aprovechan las
estructuras de ésta para replicarse en muchas partículas víricas hijas. Cuando su número es
3 Ubicuo: en todas las partes o lados
4 Profilaxis: preventivo
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demasiado grande, la célula no puede contenerlas y explota liberando miles de virus, que
infectan otras células.
Hoy en día se conocen centenares de virus, cada uno de los cuales es específico de un
determinado tipo de célula huésped: una célula de una planta, una célula animal o una bacteria.
Los virus que infectan las células bacterianas se denominan bacteriófagos, o fagos, y tienen una
estructura adecuada para inyectar su material genético en el huésped, permaneciendo en la
superficie.
Numerosas patologías del ser humano están inducidas por infecciones víricas, como la viruela,
la poliomielitis, la mononucleosis, el herpes zóster o la gripe.
Los virus que poseen ARN como material genético se llaman retrovirus; a este tipo pertenece el
virus causante del sida (síndrome de inmunodeficiencia adquirida). Este retrovirus, HIV,
infecta tan sólo un tipo de células el sistema inmunitario: los linfocitos T. El virus del sida fue
aislado por primera vez en el mundo en 1981 en los laboratorios del Instituto Pasteur de París.
En 1984 este virus fue asociado al retrovirus HTLV-III, perteneciente a la familia de los
retrovirus de la leucemia humana de las células I.
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PROCESO DE CONDENSACIÓN DEL ADN
Cada especie tiene un número específico de cromosomas que además poseen una
forma y estructura determinada. El conjunto de cromosomas de una especie constituyen su
CARIOTIPO.
La mayoría del cariotipo de las especies animales y vegetales tiene un número
diploide de cromosomas, representado por 2n, es decir, tienen parejas de cromosomas
homólogos, un juego completo de cromosomas de origen paterno y un juego completo de
cromosomas de origen materno.
Cada pareja de cromosomas homólogos está formada por un cromosoma procedente
del padre y uno procedente de la madre que lleva información para los mismos caracteres
aunque ésta no tiene por qué ser la misma. Por ejemplo, en el cromosoma de la pareja de
homólogos procedente del padre puede venir información para el color del cabello y esta
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información ser color rubio, mientras que en el procedente de la madre también viene la
información para el color del cabello pero esta información puede ser color negro.
Cuando las especies diploides formen sus células sexuales o gametos lo harán por
meiosis y los gametos tendrán la mitad de información porque cada gameto llevará un solo
cromosoma de la pareja de homólogos. Los gametos son por tanto haploides, representado
por n, ya que llevan un solo cromosoma para cada carácter. Hay especies cuyo cariotipo
tiene un número haploide de cromosomas pero son muy pocas.
El que una especie sea diploide le supone una ventaja evolutiva frente a una especie
haploide ya que al tener dos informaciones para cada carácter (cada una va en uno de los
cromosomas homólogos) si una información para un carácter es defectuosa o sufre algún
problema tiene otra información y el organismo puede seguir viviendo, pero si la única
información para un carácter de un organismo haploide se daña éste puede morir ya que no
tiene otra información.
La especie humana es diploide, tienen 46 cromosomas, es decir tiene 23 parejas de
cromosomas homólogos. Su número diploide es 2n = 46. Todas las células del cuerpo
tienen 46 cromosomas menos los gametos (óvulos en el caso de la mujer y espermatozoides
en el caso del hombre) que tienen la mitad es decir 23. n = 23.