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Alberto Bellido Díaz Biología y Geología: TEMA 25

TEMA 25. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN

INDICE1. Introducción2. Composición química de los ácidos nucleicos3. El ADN

3.1. Descubrimiento del ADN como portador del material hereditario3.2. Estructura del ADN

4. El ARN4.1. Tipos de ARN

5. El proceso de replicación5.1. Hipótesis sobre la duplicación del ADN5.2. Mecanismo de replicación del ADN5.3. Diferencias entre el proceso replicativo en procariotas y eucariotas

6. La transcripción6.1. Transcripción en células procariotas6.2. Transcripción en células eucariotas

7. Conclusión8. Bibliografía

1. IntroducciónLos ácidos nucleicos son las biomoléculas portadoras de la información genética y

encargadas de la herencia. Su descubrimiento supuso una enorme revolución en la biología y sentó las bases para el desarrollo de disciplinas tales como la genética molecular o la biotecnología.

Este tema lo dedicaremos al estudio de las principales funciones y estructura de los ácidos nucleicos, incluyendo el ADN y el ARN y a los principales procesos asociados a los mismos como son la replicación y la transcripción.

Este tema servirá para desarrollar los contenidos de varios bloques de ESO y Bachillerato en base a lo recogido en el RD 1105/2014 que determina los contenidos mínimos para ESO y Bachillerato, así como en el decreto 98/2016 que determina el currículo de ESO y Bachillerato en la comunidad autónoma de Extremadura.

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Tema 25. Los ácidos nucleicos. Replicación y transcripción


2. Composición química de los ácidos nucleicosLos ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos, los cuales están formados por la unión

de tres componentes fundamentales:

Una pentosa. Que puede ser la D-ribosa en el ARN o la D-2-desoxirribosa en el ADN. Una base nitrogenada. Son compuestos cíclicos que contienen átomos de nitrógeno. Pueden

ser de dos tipos: las púricas (Guanina y Adenina) y las pirimidínicas (Citosina, Timina y Uracilo). La Timina sólo se encuentra en el ADN mientras que el Uracilo forma parte del ARN.

Un grupo de ácido fosfórico. Éste se une a la pentosa formando un enlace éster entre el carbono 5 de la pentosa y un grupo OH del ácido fosfórico.

La unión de una pentosa con una base nitrogenada por el carbono 1 de la pentosa mediante un enlace N-glucosídico se denomina nucleósido. La unión de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico en el carbono 5 de la pentosa se denomina nucleótido (que son los monómeros de los que están compuestos los ácidos nucleicos).

La unión de varios nucleótidos por enlace 5’-3’ fosfodiéster (se forma un enlace entre el carbono 3 de la pentosa de un nucleótido y el grupo OH del grupo fosfato del siguiente nucleótido) da lugar a un ácido nucleico, que por ello también se denomina polinucleótido.

Atendiendo a la composición química existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN tiene la pentosa desoxirribosa y las bases nitrogenadas A, C, G y T; mientras que el ARN tiene la pentosa ribosa y las bases nitrogenadas A, C, G y U.

3. El ADNEl ADN es la molécula fundamental portadora de la información genética. Es un

polímero de desoxirribonucleótidos unidos por enlaces 5’-3’ fosfodiéster. Esta molécula está presente en el núcleo, mitocondrias y cloroplastos de las células eucariotas o en el citoplasma de las procariotas.

3.1. Descubrimiento del ADN como portador del material hereditarioHoy sabemos que el ADN es la molécula que contiene la información de las

características biológicas de los seres vivos y que junto con las histonas forma los cromosomas. Sin embargo, la demostración de que este ácido nucleico constituía el material hereditario sólo fue posible gracias a las labores de investigación de muchos científicos durante la primera mitad del siglo XX.

El médico suizo Friedrich Miesches, en 1869, consiguió aislar a partir de núcleos celulares una sustancia que llamó nucleína, formada por una parte ácida (ADN) y otra básica (proteínas). Posteriormente, en 1928, F. Griffith buscando una vacuna contra la neumonía provocada por Streptococcus pneumoniae, descubrió una sustancia a la que llamó principio transformante, que contenía la información genética.

Griffith trabajó con dos cepas de bacterias: unas de gran virulencia (S) y otras que estaban atenuadas (R), y comprobó experimentalmente que si calentaba la cepa S hasta destruirla y la inoculaba en ratones, éstos no desarrollaban la enfermedad, pero si inyectaba conjuntamente la cepa S muerta y la cepa R, los ratones enfermaban y morían, y en la sangre de éstos se podía encontrar bacterias S vivas. Dedujo que las bacterias muertas habían liberado alguna sustancia (principio transformante), que al ser captada por las bacterias R las transformaba en virulentas.

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Tras estos experimentos, se dudaba si las moléculas portadoras de la información genética eran las proteínas o los ácidos nucleicos. El experimento definitivo que lo demostró lo llevaron a cabo Hershey y Chase. Marcaron fagos T2 (que infecta a E. coli) con azufre radiactivo (sólo se incorpora a proteínas) y fósforo radiactivo (solo se incorpora al ADN). Con cada grupo infectaron a un cultivo bacteriano diferente, que posteriormente se sometió a agitación y centrifugación para separar virus de bacterias. Se midió la radiactividad, y se observó que el S35 había quedado en el exterior de las células mientras que el P32 había entrado en las células con el ADN y provocado la formación de nuevos virus (marcados también). Concluyeron que el ADN es el portador de la información genética.

Tras esto, quedaba por demostrar cómo un compuesto tan simple podía almacenar y transmitir tanta información. La respuesta la proporcionaron James D. Watson y Francis Crick, que propusieron su modelo de estructura de doble hélice, que explicaba cómo se podía almacenar y transmitir la información genética.

3.2. Estructura del ADNLa estructura y organización del ADN presenta varios niveles que se conocen como

estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.La estructura primaria se trata de la secuencia lineal de desoxirribonucleótidos. La

información genética está contenida en el orden exacto de los nucleótidos.La estructura secundaria es la propuesta por Watson y Crick (la doble hélice). Modelo

que permite explicar el almacenamiento de la información y el mecanismo de duplicación del ADN. Para establecer este modelo se basaron en los trabajos de difracción de rayos X realizados por Franklin y Wilkins y la equivalencia de bases de Chargaff, que dice que el número total de bases púricas es igual al de pirimidínicas (A + G = C + T).

En base a estos datos, Watson y Crick, propusieron un modelo de doble hélice dextrógira, de 20 Armstrongs de diámetro, 34 Å por vuelta y una distancia entre nucleótidos de 3,4 Å, y por tanto, 10 nucleótidos por vuelta1. Las dos cadenas tienen una orientación contraria (antiparalelas) y se encuentran unidas por interacción débiles entre las bases. La adenina sólo puede unirse a la timina (por dos puentes de hidrógeno) y la guanina a la citosina (por tres puentes de hidrógeno). El esqueleto de esta estructura lo forman las pentosas y el ácido fosfórico, quedando las bases nitrogenadas hacia el interior por ser hidrofóbicas y perpendiculares al eje de la hélice. Estudios posteriores han revelado que existen otras estructuras posibles en el ADN: ADN-B (descubierta por Watson y Crick), ADN-A (los pares de bases presentan una inclinación distinta y están desplazados hacia el exterior respecto al eje de la hélice), ADN-C (se obtiene en presencia de iones litio) y ADN-Z (doble hélice levógira, es poco usual).

La molécula de ADN tiene que empaquetarse y adquiere una conformación más compleja denominada estructura terciaria, la cual varía mucho dependiendo del organismo:

En procariotas la molécula de ADN es una doble hélice circular que forma superenrrollamientos gracias a las enzimas topoisomerasas.

En eucariotas sufre un empaquetamiento gracias a que se une a unas proteínas básicas de bajo peso molecular denominadas histonas, formando unas estructuras conocidas como nucleosomas. Consiste en un complejo formado por ocho histonas (dos de H2A, H2B, H3 y H4), alrededor del cual se enrolla dos veces la cadena de ADN (146 pb/nucleosoma). Los

1 10 pb = 3,4 nm // 0,34 nm distancia entre dos bases

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nucleosomas se encuentran separados por un fragmento de unas 200 pb denominado ADN espaciador, al cual se une la histona H1 y empaqueta los nucleosomas formando la denominada fibra de 10 nm. Esta estructura adquiere grados más complejos de empaquetamiento hasta formar la cromatina.

La estructura cuaternaria del ADN hace referencia al empaquetamiento que este sufre durante la fase de mitosis hasta formar unas estructuras visibles al microscopio óptico, los cromosomas.

4. El ARNEl ARN es un polímero de ribonucleótidos unidos por enlace 5’-3’ fosfodiéster y que al

contrario que el ADN no presenta timina pero si uracilo. Está presente formando cadenas lineales, aunque dependiendo del tipo de ARN pueden presentar otras estructuras. Moléculas de ARN pueden formar genomas virales. Existen varios tipos de ARNs con diferentes funciones que veremos a continuación.

4.1. Tipos de ARNARN implicados en la síntesis de proteínas: entre ellos encontramos el ARN mensajero

(que transmite la información genética del ADN para sintetizar las proteínas), el ARN de transferencia (es el encargado de transportar los aminoácidos para situarlos sobre el ARNm) y el ARN ribosómico (son los componentes principales de los ribosomas y se unen a las proteínas ribosómicas).

ARN reguladores: se han descubierto en los últimos años estos ARNs que regula la expresión génica. Son moléculas de cadena corta que suprimen la expresión de genes y tienen un papel importante durante el desarrollo. Entre los más importantes están los microARNs, moléculas que se ha descrito su papel regulador en los procesos cancerígenos y cuyo descubrimiento fue merecedor del premio Nobel en 2006 de fisiología y medicina.

ARN con actividad catalítica: se conocen como ribozimas, formadas por ARN asociados a proteínas y llevan a cabo funciones catalíticas. Pertenecen a este grupo los complejos de espliceosoma encargados de llevar a cabo los procesos de corte y empalme de intrones durante la maduración del ARNm en eucariotas.

5. El proceso de replicaciónEl ADN debe transmitirse fielmente a cada una de las células hijas obtenidas tras la

división celular. Por lo tanto, antes de producirse ésta, es imprescindible que el ADN forme una réplica exacta de sí mismo. Este proceso se conoce con el nombre de replicación o duplicación del ADN y tiene lugar durante la fase S de la interfase.

5.1. Hipótesis sobre la duplicación del ADNEl modelo de Watson y Crick postulaba que cada hebra del ADN actuaba como patrón

en la replicación para la síntesis de una nueva cadena complementaria. Así, se forman dos células hijas, donde cada una tiene una hebra original y otra de nueva síntesis. Sin embargo, hubo investigadores que propusieron otras hipótesis. Las tres hipótesis que se barajaron fueron:

Conservativa : la doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra doble cadena complementaria nueva.

Semiconservativa : es la propuesta por Watson y Crick. Dispersiva : en cada célula hija existen fragmentos de la hebra original y fragmentos

nuevos.

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Unos años más tarde, Meselson y Stahl demostraron experimentalmente que la hipótesis correcta era la semiconservativa.

Meselson y Stahl cultivaron bacterias en un medio con nitrógeno pesado (15N). Esto hace que las moléculas de ADN sintetizadas con este isótopo sean más densas que las construidas con el isótopo normal (14N), y por tanto que se puedan separar mediante ultracentrifugación.

Posteriormente, pasaron algunas bacterias cultivadas con el nitrógeno pesado a un medio con el isótopo normal durante una media hora (tiempo necesario para que se duplique el ADN bacteriano), lo extrajeron y lo centrifugaron. Este ADN formó una sola banda en el tubo de centrifugación, en una posición intermedia entre la que ocupaba el ADN con 15N (ADN pesado) y el ADN con 14N (ADN ligero). Se trataba, de un ADN híbrido y había que descartar la hipótesis conservativa.

Si se dejaban las bacterias durante dos divisiones, aparecían dos tipos de ADN, uno híbrido y otro ligero. Si se dejaban durante tres, el ADN híbrido aparecía en menor proporción, mientras aumentaba el ADN ligero. Esto descartaba la hipótesis dispersiva y demostraba la semiconservativa.

5.2. Mecanismo de replicación del ADNAunque la replicación fue estudiada inicialmente en células procariotas, luego se

comprobó que el mecanismo es similar en eucariotas. A continuación detallamos los procesos que se dan en procariotas:

Iniciación . Comienza en un lugar del ADN (secuencias GATC) que reconocen las enzimas encargadas de iniciar la replicación (helicasas), que separan las dos hebras de ADN al romper los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias. La separación de las cadenas, provoca superenrollamientos en regiones vecinas, por lo que existen otras enzimas (topoisomerasas) que eliminan la tensión. Las dos hebras se mantienen separadas por la unión de las proteínas SSB. En el lugar de origen de la replicación se ha formado una burbuja de replicación en la que hay dos zonas, con forma de Y, denominadas horquillas de replicación. La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en dos direcciones, de ahí que se diga que la replicación es bidireccional.

Elongación . La replicación es llevada a cabo por las ADN polimerasas, que toman como molde la hebra parental y van adicionando nucleótidos complementarios para formar la hebra hija. Existen tres ADN polimerasas en procariotas:

o ADN polimerasa I: replicación y reparación del ADN.o ADN polimerasa II: reparación del ADN.o ADN polimerasa III: replicación.

La ADN polimerasa III recorre la hebra molde en sentido 3’ 5’, mientras va uniendo nuevos nucleótidos en sentido 5’ 3’, pero las ADN polimerasas no realizan la síntesis “de novo”, necesitan la presencia de un corto segmento de ARN denominado cebador o primer (sintetizado por la enzima primasa, una ARN polimerasa).En una de las hebras (hebra conductora) la replicación se realiza de forma continua, pero en la otra hebra (hebra retardada) ocurre un problema al tener que replicarse en sentido 5’ 3’. Se resuelve recurriendo a una replicación discontinua por fragmentos (conocidos como fragmentos de Okazaki). Los fragmentos de Okazaki son sintetizados por la ADN polimerasa III, a partir de los cebadores sintetizados

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por la primasa. A continuación, la ADN polimerasa I elimina los cebadores (gracias a su actividad exonucleasa) y rellena los huecos gracias a su actividad polimerasa. Por último, una ligasa sella los fragmentos y cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de molde se enrollan originando una doble hélice.

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.

5.3. Diferencias entre el proceso replicativo en procariotas y eucariotasEl proceso de replicación es similar en bacterias y en las células eucariotas. Cabe destacar

algunas diferencias:

El ADN en los eucariotas está asociado a histonas. Se ha demostrado que las histonas originales se mantienen en la hebra conductora, mientras que se sintetizan nuevas histonas que se unen a la hebra retardada.

El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en los organismos eucariotas que en los procariotas.

Existen tres ADN polimerasas en procariotas y cinco en eucariotas (α, β, γ, δ, y ε, la γ interviene en la replicación del ADN mitocondrial).

Teniendo en cuenta que la longitud del ADN de un cromosoma eucariótico es mucho mayor que la del ADN bacteriano, y que, seguramente debido a la presencia de histonas, el proceso es más lento, en eucariotas no hay un solo origen de replicación (como ocurre en procariotas), sino cientos.

Los cromosomas de las células eucariotas al ser lineales presentan un problema añadido, que no se da en el ADN circular de las bacterias.

En eucariotas el proceso de replicación del ADN se va completando hasta llegar a los extremos de los cromosomas, los telómeros. En ellos, cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco. A medida que las células se van dividiendo, los telómeros se van acortando. Pero dado el carácter repetitivo y no codificante de los telómeros, inicialmente ese acortamiento no tiene consecuencias, hasta que afecta a regiones codificantes. Este fenómeno supone la disminución progresiva de la longitud del cromosoma y está asociado a los procesos de envejecimiento y muerte celular.

6. La transcripciónLa transcripción es el proceso mediante el cual se copia la información contenida en una

región del ADN a moléculas de ARN. Este proceso tiene lugar en el interior del núcleo (eucariotas) y necesita: una cadena de ADN que actúe como molde, enzimas (las ARN polimerasas) y ribonucleótidos trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP). Existen algunas diferencias entre la síntesis de ARN en procariotas y en eucariotas, que detallamos a continuación.

6.1. Transcripción en células procariotasEn células procariotas hay una única ARN polimerasa que necesita dos factores (sigma

y rho). Se pueden distinguir varias etapas:Iniciación. En primer lugar, la ARN polimerasa se asocia al factor sigma que permite

reconocer y fijarse a una región concreta del ADN denominado promotor (rica en timina y adenina, TTGACA y TATAAT). A continuación desenrolla una vuelta de hélice para

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polimerizar el ARN a partir de una sola hebra que usa como molde. Posteriormente se libera el factor sigma.

Elongación. La ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN en sentido 3’ 5’, mientras va sintetizando ARN en sentido 5’ 3’ adicionando los nucleótidos correspondientes.

Terminación. Existen señales de terminación en el ADN molde que son reconocidas por la ARN polimerasa y que desencadenan la separación de la enzima. Se han descrito dos mecanismos de terminación, en uno de ellos se precisa un factor rho y en otro no. La terminación dependiente de rho se basa en la presencia en el ARN de una secuencia específica que interacciona con esta proteína, lo que hace que empiece a desplazarse sobre el ARN (en sentido 3’) provocando la interrupción de la transcripción. Mientras que en la terminación independiente de rho, la señal de finalización es una secuencia de bases palindrómica.6.2. Transcripción en células eucariotas

El proceso de transcripción en células eucariotas es más completo ya que existen tres tipos de ARN polimerasas (I, II y III, con diferentes funciones) y que en eucariotas el ARN recién sintetizado necesita de un proceso de maduración, en el que se eliminen los intrones (fragmentos sin sentido) y se empalmen los exones (llevan información para la síntesis proteica). La ARN pol I transcribe la información de los ARN ribosómicos (excepto el 5S); la ARN pol II transcribe genes que originan ARNm; la ARN pol III produce ARN transferentes, ARN ribosómico 5S y la transcripción de los genes que portan información para las histonas.

Al igual que en procariotas, la síntesis de ARNm se lleva a cabo en varias fases:Iniciación. El inicio de la síntesis de ARNm está marcado por una región promotora

donde se fija la ARN polimerasa II (CAAT o TATA). Elongación. La cadena de ARN crece en sentido 5’ 3’. Cuando se han unido los

primeros 30 nucleótidos, se añade al extremo 5’ una caperuza de 7-metil-guanosín-trifosfato (señal de reconocimiento de inicio de lectura en traducción).

Finalización. Una vez sintetizado el ARN, existe una secuencia en el ADN de finalización (TTATTT) de la transcripción. A continuación al extremo 3’ se añade la llamada cola de poli-A (200 ribonucleótidos de adenina).

Maduración. Este ARN transcrito no es funcional, por ello debe sufrir un proceso de maduración. Lo más importante es eliminar los intrones y unir los exones mediante un mecanismo que se conoce con el nombre de splicing (empalme). En este proceso intervienen la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn) o espliceosoma. Es una enzima que tiene una parte proteica y un ARN. Este último posee secuencias complementarias de las de los dos extremos de los intrones, por lo que puede aparearse con ellos, provocando su curvatura y su extracción.

Durante el 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.

7. ConclusiónEl conocimiento de la estructura y las principales funciones de los ácidos nucleicos

(ADN y ARN) ayudar a entender mucho mejor cómo se transmite toda la información genética de generación en generación. Los importantes procesos de replicación (esencial para la transmisión genética) y transcripción (copiado de la información genética desde el ADN a ARN) son cruciales en la célula. Errores en el mecanismo de replicación o transcripción, pueden desembocar en importantes daños celulares o en muerte celular. Aunque existe toda una

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maquinaria de reparación del daño al ADN que puede evitarlo y que no he abordado en este tema.

8. BibliografíaAlberts, B y colaboradores (2010). Biología molecular de la célula. 5ª edición. Editorial OmegaDavid, L (2007). Lehninger: Principios de Bioquímica. 5ª edición. Editorial OmegaStryer, L y colaboradores (2013). Bioquímica. 7ª edición. Editorial Reverte. Griffiths, J.A y colaboradores (2008). Genética. Editorial interamericana de España y McGraw-HillLewin, B (2008). Genes IX. Editorial McGraw-Hill/Interamericana de México

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