MECANISMOS BÁSICOS DE GENÉTICA MOLECULAR

MECANISMOS BÁSICOS DE GENÉTICA MOLECULAR (PARTE 1)
Tomado de: Viana et al. (2003) y Lodish et al. (2005)
Traducido y adaptado por: Eleonora Zambrano Blanco
El entendimiento de los mecanismos básicos de la Genética Molecular es fundamental
para los procesos de ingeniería genética una vez que la obtención de organismos genéticamente
modificados (OGM) envuelve diferentes etapas que van desde el aislamiento y caracterización del
gen de interés, hasta su secuenciamiento, clonación y posterior inserción en un vector para
después transferirlo al hospedero. Es importante saber que OGMs pueden ser obtenidos no
solamente por la inserción de un gen exógeno sino también por alteraciones en procesos celulares
que regulan la expresión génica, como la inhibición o la super-expresión de un gen.
1. Estructura y composición química de los ácidos nucleícos
Las moléculas de ADN (ácidos desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico) son
químicamente muy semejantes. Sus estructuras primarias corresponden a polímeros lineares
compuestos a partir de monómeros denominados nucleótidos (Figura 1). Los ARNs celulares
varían en tamaño de menos de cien nucleótidos a miles de nucleótidos. Entre tanto, las moléculas
de ADN pueden alcanzar un tamaño de cien millones de nucleótidos. Esas grandes unidades de
ADN, asociadas a proteínas, pueden ser marcadas con colorantes y visualizadas sobre microscopio
óptico en la forma de cromosomas. El nombre cromosoma se deriva justamente de la capacidad
que esas estructuras tienen de colorearse.
Figura 1. Estructura de un nucleótido
Tomado de: http://toxamb.pharmacy.arizona.edu/c1-1-1-3.html
Tanto el ADN como el ARN se constituyen de cuatro nucleótidos. Todos los nucleótidos
consisten de una base orgánica ligada a una molécula de azúcar de cinco carbonos (pentosa) que
posee un grupo fosfato ligado a su carbono 5. En el ADN, el azúcar es una desoxirribosa (2’desoxirribosa), y en el ARN una ribosa. Los nucleótidos usados en la síntesis de ADN y ARN
contienen cinco diferentes bases nitrogenadas (Figura 2). Las bases normalmente encontradas en
el ADN son adenina (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C), mientras que en el ARN las bases
comúnmente encontradas son adenia, guanina, uracila (U) y citosina. En el ARN, la timina es
reemplazada por la uracila. Adenina y guanina son bases purinas (con dos anillos aromáticos) y
timina, uracila y citosina son bases pirimidinas (con un anillo aromático). La adenina tiene un
grupo amino (NH2); la guanina posee un grupo amino y una cetona (C=O); timina y uracila tienen
dos grupos cetónicos (la timina presenta un grupo metil CH3 y uracil no lo tiene); a citosina tiene
un grupo amino y uno cetónico. En cuanto los componentes, azúcar y fosfato son importantes en
la determinación estructural de la molécula y las bases nitrogenadas son responsables por el
almacenamiento de la información genética que será transmitida.
Figura 2: Estructura de las bases nitrogenadas
Tomado de: http://toxamb.pharmacy.arizona.edu/c1-1-1-3.html
Una única cadena de ácido nucleíco presenta un esqueleto formado de unidades repetidas
de fosfato-pentosa a partir de las cuales las bases purinas y pirimidinas se extienden como grupos
laterales. De la misma forma que un polipéptido, una cadena de ácido nucleíco presenta
orientación química de sus extremidades: la extremidad 5’ tiene un hidroxilo o un grupo fosfato en
el carbono 3’ de su azúcar terminal, y la extremidad 3’ generalmente presenta un grupo hidroxilo
en el carbono 3’ de su azúcar terminal. Esa orientación, sumada al hecho de que la síntesis
procede de 5’ para 3’, dió origen a una convención que dice que las secuencias de polinucleótidos
deben siempre ser escritas en la dirección de 5’ – 3’. La orientación 5’ – 3’ de una cadena de ácido
nucleíco es realmente una propiedad muy importante de la molécula. Los nucleótidos son unidos
unos a otros por enlaces fosfodiéster, formando la cadena polipeptídica en el sentido 5´ - 3’, con
un fosfato en la extremidad 5’ y un hidroxilo libre en la extremidad 3’ (Figura 3). La secuencia
linear de los nucleótidos unidos por los enlaces fosfodiéster constituye la estructura primaria de
los ácidos nucleícos. Así como los polipéptidos, los polinucleótidos pueden girar y doblar,
asumiendo conformaciones tridimensionales estabilizadas por ligaciones no covalentes. A pesar de
las estructuras primarias del ADN y ARN ser muy semejantes, sus estructuras tridimensionales son
bien diferentes. Esas diferencias estructurales son escenciales para las diferentes funciones de los
dos tipos de ácidos nucleícos.
Figura 3. Unión fosfodiester en los ácidos nucleícos
Tomado de: http://toxamb.pharmacy.arizona.edu/c1-1-1-3.html
El ADN es una doble hélice compuesta por dos cadenas complementarias antiparalelas y con
polaridad opuesta.
El modelo de una estructura tridimensional de la molécula de ADN, propuesta por Watson
y Crick, fue establecido con base en dos estudios previos, uno sobre la composición de las bases
nitrogenadas del ADN de varios organismos, hecho por Chargaff y colaboradores, y el otro sobre el
arreglo espacial de ADN, realizado por Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, con base en difracción
de rayos X. El primer estudio reveló que la cantidad de adenina y timina es la misma y que la
cantidad de guanina es la misma de citosina. El segundo permitió a los dos geneticistas idealizar el
arreglo espacial de los nucleótidos. Satisfaciendo las evidencias obtenidas por Wilkins y Franklin,
Watson y Crick sugirieron que la molécula de ADN está formada por dos cadenas de nucleótidos
antiparalelas que se entrelazan, formando una estructura helicoidal o en espiral, denominada
doble hélice (Figura 4). Atendiendo las evidencias obtenidas por Chargaff y sus colaboradores,
ellos propusieron un modelo en que la adenina de una cadena está apareada con una timina de la
cadena opuesta, y que la guanina de una cadena está apareada con una citosina de la cadena
opuesta. Por lo tanto, la adenina es la base complementaria de la timina y la guanina es la base
complementaria de la citosina, así, las dos cadenas de nucleótidos son complementarias. En el
interior de esa hélice están las bases nitrogenadas que se unen unas a otras por puentes de
hidrógeno. Adenina y timina forman dos puentes de hidrógeno entre sí y guanina y citosina
forman tres puentes. Esa complementariedad de pares de bases es consecuencia del tamaño, de
la forma y de la composición química de las bases. La presencia de millones de esos puentes de
hidrógeno en una molécula de ADN contribuye enormemente para la estabilidad de la doble
hélice; las interacciones hidrofóbicas y las fuerzas de van der Waals entre las bases adyacentes
estabilizan aún más la estructura. Las dos cadenas de nucleótidos tienen polaridad opuesta, siendo
que ese antiparalelismo es necesario para que las dos cadenas se asocien, formando la estructura
helicoidal.
Figura 4. Modelo tridimensional de la doble hélice del ADN
Tomado de: http://toxamb.pharmacy.arizona.edu/c1-1-1-3.html
Una vez conocida la propiedad de complementariedad de las bases, es importante concluir
que en los organismos eucariotas, procariotas y virus de ADN doble hélice, el cociente entre la
cantidad de bases de purinas (A +G) y la cantidad de bases de pirimidinas (T + C) es igual a 1, pues
para cada molécula de adenina hay una de timina, lo que también es verdadero en relación a las
bases de guanina y citosina. El conocimiento de la estructura de esa molécula es importante en su
manipulación, pues son necesarios procesos de clivagen de enlaces fosfodiéster y puentes de
hidrógeno. La estructura del ARN es similar a la del ADN, sin embargo, como se verá más adelante,
esta tiene algunas diferencias.
El ADN puede sufrir separación reversible de sus cadenas
Durante la replicación y transcripción del ADN, las cadenas de la doble hélice deben ser
separadas (desnaturalización) para permitir que las bases que se encuentran en la parte interna
formen pares con las bases de los nucleótidos que serán polimerizados en la nueva cadena de
polinucleótidos (Figura 5). La separación de las cadenas puede ser inducida experimentalmente
por el aumento de la temperatura en una solución de ADN. Conforme la energía térmica aumenta,
el resultante aumento del movimiento molecular lleva a una eventual quiebra de los puentes de
hidrogeno y de otras fuerzas que estabilizan la doble hélice; las cadenas se separan debido a la
repulsión electrostática de las estructuras de desoxirribose-fosfato cargadas negativamente de
cada cadena. Próximo a la temperatura de desnaturalización un pequeño aumento en la
temperatura provoca una perdida rápida y prácticamente simultanea de las múltiples
interacciones que mantienen a las cadenas de ADN unidas a lo largo de la molécula, llevando a una
alteración brusca de luz ultravioleta (UV).
Figura 5. Polimerización de nucleótidos para formación de una nueva cadena de ADN
Tomado de: http://eduredes.ning.com/profiles/blogs/los-acidos-nucleicos
Muchas moléculas de ADN son circulares
En el núcleo de células eucariotas, las moléculas de ADN son lineares. No obstante, varios
ADNs genómicos de organismos procariotos son moleculares circulares. Las moléculas de ADN
circular también ocurren en las mitocondrias, que están presentes en prácticamente todas las
células de eucariotos, y en los cloroplastos, que están presentes en las plantas y en algunos
eucariotos unicelulares. Cada una de las dos cadenas en una molécula de ADN circular forma una
estructura cerrada sin extremidades libres. La distorsión local de una molécula circular de ADN,
que ocurre durante la replicación, induce a un estrés de torsión en la porción remaneciente de la
molécula, pues no existen extremidades libres para la rotación. Como consecuencia, la molécula
de ADN gira sobre si misma, formando estructuras en “supertorsión”. En otras palabras, cuando
parte de una hélice de ADN es destorcida, la porción remaneciente se vuelve supertorcida. Las
células bacterianas y de eucariotos, sin embargo, contienen la topoisomerasa I, la cual puede
aliviar cualquier estrés de torsión que desarrolle en las moléculas de ADN, ya sea durante la
replicación o en cualquier otro proceso. Esa enzima se liga al ADN en regiones aleatorias y quiebra
los enlaces fosfodiéster en una de las cadenas. Esa quiebra es llamada de “Nick”. La extremidad
quebrada gira, entonces, sobre la cadena que no fue cortada, relajando la supertorsión.
Finalmente, la misma enzima promueve la ligación de las dos extremidades de la cadena
quebrada. Otro tipo de enzima, la topoisomerase II, provoca quiebras en ambas cadenas del ADN,
religando las dos extremidades. Así, topoisomerase II alivia el estrés de torsión y une dos
moléculas de ADN circular entre sí.
Diferentes tipos de ARN exhiben conformaciones diversas, relacionadas con sus funciones
Como se mencionó anteriormente, la estructura del ARN es generalmente similar a la del
ADN, salvo dos excepciones: el componente azúcar del ARN, la ribosa, tiene un agrupamiento
hidroxilo en la posición 2’ (ver figura), e la timina del ADN es sustituida por uracila en el ARN
(Figura 6). El agrupamiento hidroxilo en el carbono 2 (C2) de la ribosa torna a la molécula de ARN
más “débil” que al ADN y proporciona agrupamientos químicamente reactivos que participan de la
catálisis mediada por el ARN. Como resultado de esa mayor inestabilidad, el ARN es clivado en
mononucleótidos en soluciones salinas, lo que no ocurre con el ADN. De la misma forma que el
ADN, el ARN es un largo polinucleótido que puede presentar una doble cadena, una cadena
simple, linear o circular. El ARN también puede participar de una hélice híbrida compuesta de una
cadena de ARN y una de ADN. Diferentemente del ADN, que se presenta principalmente en la
forma de una larga doble hélice, la mayoría de los ARNs celulares son cadenas simples y pueden
exhibir una gran diversidad conformacional. Las diferencias de tamaño y de conformación de los
varios tipos de ARN permiten que ellos desempeñen funciones específicas dentro de las células.
Las más simples estructuras secundarias de ARNs de cadena simple son formadas por medio del
apareamiento de bases por complementariedad.
Mientras que el ADN contiene la información, el ARN expresa dicha información, pasando de una
secuencia lineal de nucleótidos, a una secuencia lineal de aminoácidos en una proteína. Para
expresar dicha información, se necesitan varias etapas y, en consecuencia existen varios tipos de
ARN:

El ARN mensajero (mARN) se sintetiza en el núcleo de la célula, y su secuencia de bases es
complementaria de un fragmento de una de las cadenas de ADN. Actúa como intermediario
en el traslado de la información genética desde el núcleo hasta el citoplasma. Poco después
de su síntesis sale del núcleo a través de los poros nucleares asociándose a los ribosomas
donde actúa como matriz o molde que ordena los aminoácidos en la cadena proteica. Su vida
es muy corta: una vez cumplida su misión, se destruye.

El ARN de transferencia (tARN) existe en forma de moléculas relativamente pequeñas. La
única hebra de la que consta la molécula puede llegar a presentar zonas de estructura
secundaria gracias a los enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre bases
complementarias, lo que da lugar a que se formen una serie de brazos, bucles o asas. Su
función es la de captar aminoácidos en el citoplasma uniéndose a ellos y transportándolos
hasta los ribosomas, colocándolos en el lugar adecuado que indica la secuencia de nucleótidos
del ARN mensajero para llegar a la síntesis de una cadena polipeptídica determinada y por lo
tanto, a la síntesis de una proteína.

El ARN ribosómico (rARN) es el más abundante (80 por ciento del total del ARN), se encuentra
en los ribosomas y forma parte de ellos, aunque también existen proteínas ribosómicas. El
ARN ribosómico recién sintetizado es empaquetado inmediatamente con proteínas
ribosómicas, dando lugar a las subunidades del ribosoma.
Las moléculas de tARN adoptan una estructura arquitectónica tridimensional bien definida que es
crucial para la síntesis de proteínas. Las grandes moléculas de rARN también presentan
estructuras tridimensionales bien definidas, en determinados segmentos, intercaladas por
regiones más flexibles. Estructuras secundarias y terciarias también han sido identificadas en
mARN, principalmente próximas a las extremidades de las moléculas. Así, está claro que tanto las
moléculas de ARN como las proteínas, tienen dominios estructurados conectados por regiones
flexibles menos estructuradas.
Los dominios estructurados de las moléculas de ARN no apenas son estructuralmente análogos a
las hélices α e estructuras β encontradas en las proteínas, sino que en algunos casos también
presentan capacidad catalítica. Tales ARN catalíticos son llamados de ribozimas. Las ribozimas
generalmente están asociadas por proteínas que estabilizan su estructura, pero es el ARN que
actúa como catalizador.
Figura 6. Diferencias en la estructura del ADN y ARN
Tomado de: http://eduredes.ning.com/profiles/blogs/los-acidos-nucleicos
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. VIANA SORIANO, JOSÉ MARCELO; CRUZ, COSME DAMIÃO; GONÇALVES DE BARROS, EVERALDO.
Genética volume 1-Fundamentos. 2 edición. Viçosa (Brasil). Editora UFV. 330 p. 2003.
2. LODISH, HARVEY; BERK, ARNOLD; MATSUDAIRA, PAUL; KAISER, CHRIS A; KRIEGER, MONTY;
SCOTT, MATTHEW P. Biología Celular e Molecular. Mecanismos Básicos da Genética Molecular. 5
edición. Editora Artmed S.A. Porto Alegre (Brasil). 1050 p. 2005.
3. https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_nucleico