TEMA 8: GENÉTICA MOLECULAR - pandaamarillo

BIOLOGIA 2º BACHILLERATO
TEMA 8: GENETICA MOLECULAR
TEMA 8: GENETICA MOLECULAR
1. GENÉTICA.
La Genética es la ciencia que se ocupa del estudio de todo lo relativo a los genes.
Esta definición engloba todas las posibilidades que abarca la Genética, desde el estudio
de lo heredable (herencia) hasta lo génico o genético (no necesariamente heredable).
Esta ciencia abarca aspectos diferentes como son:
 Herencia mendeliana o genética mendeliana o formal que estudia los modelos de
transmisión de la información independientemente de la naturaleza química del
gen, de lo que estén hechos los genes. Para la genética mendeliana un gen es la
unidad de herencia que produce la expresión de una característica
observable en un ser vivo o sus descendientes.
 La genética molecular se ocupa, además, de la naturaleza de los genes y su
expresión. Los genes están compuestos por moléculas de ADN que se replican
antes de la mitosis. Por lo tanto lo que se hereda es ADN, una molécula
informativa. Para la genética molecular un gen es un fragmento de ADN que
se expresan cuando la información que contienen se traduce para formar
proteínas con una función biológica específica.
 Otras posibilidades son la genética de poblaciones que estudia las transmisiones
para toda la población.
Por lo tanto es el gen, y no la característica como tal, lo que el ser vivo recibe de sus
antecesores. Así una planta no hereda el color rojo de sus flores, sino genes que
determinan el color rojo de los pétalos.
La genética estudia las expresión génica y las relaciones entre genes que son
aspectos no heredables, pero si genéticos.
2. GENÉTICA MENDELIANA.
2.1 Conceptos generales:
Para estudiar genética mendeliana es necesario conocer una serie de conceptos:
 Genotipo. Dotación genética de un individuo para un determinado carácter.
También se puede aplicar al conjunto total de genes que tiene un individuo.
 Fenotipo. Expresión observable del carácter. Es también la expresión global
del genotipo.
 Alelo. Cada una de las variantes génicas que determinan un carácter. Genes
alelomorfos son los que transmiten el mismo carácter.
En un principio se referían a genes que podían ocupar un mismo lugar en el
cromosoma y que determinaban un mismo carácter. Hoy se consideran el
resultado de mutaciones y por lo tanto variantes de un mismo gen.

Alelo dominante. Aquel que transmite un carácter que se manifiesta
siempre.
 Alelo recesivo. Aquel que transmite un carácter que se manifiesta solo si no
está presente el alelo dominante.
 Alelos codominantes. Cuando no existe dominancia manifiesta de un alelo
sobre otro y el carácter observable es intermedio entre los dos.
 Homozigótico. Individuo con el genotipo para un determinado carácter
compuesto por dos alelos iguales. Las líneas puras de Mendel son individuos
homozigóticos.
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


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Heterozigótico. Individuo que porta en su genotipo dos alelos distintos para
un carácter concreto. Los híbridos de Mendel.
Herencia dominante. Aquella en la que existen alelos dominantes y que
determinan que los híbridos presentan el carácter del alelo dominante.
Herencia intermedia. Aquella en la que los alelos son codominantes y por
lo tanto los híbridos presentan un carácter intermedio entre los dos.
2.2.- LEYES DE MENDEL
Frente a todas las teorías que se habían postulado anteriormente, Mendel tuvo el gran
acierto de utilizar un adecuado planteamiento experimental en el desarrollo de sus
trabajos llevados a cabo en el monasterio de Brünn (República Checa).
Mendel quería saber como se heredaban los caracteres individuales y utilizó para ello
la planta del guisante (Pisum sativum) por ser económica, producir gran número de
descendientes, y como era hermafrodita permite su autofecundación y la fecundación
cruzada artificial.
Al acierto de elección de la planta, Mendel añadió la del método científico empleado,
consiguiendo demostrar que la herencia se producía de manera predecible.
Sus trabajos fueron publicados en 1866, aunque sus experiencias pasaron
inadvertidas, hasta que 35 años después fueron reconocidas y renombradas como leyes
de Mendel.
En 1900, tres botánicos confirmaron, de forma independiente, las conclusiones de
Mendel, dando a conocer sus tres leyes. La primera y segunda ley se refieren a la
herencia de un solo carácter (monohíbridos), y la tercera estudia la transmisión
simultánea de dos caracteres (dihibridismo).
2.2.1 HERENCIA DE UN SOLO CARÁCTER
Los caracteres se heredan de forma predecible.
2.2.1.1. Primera ley. Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera
generación filial.
Cuando se cruzan dos individuos razas puras (homocigóticos) de una misma especie
que difieren entre sí en un carácter, todos los individuos de la F1 (primera generación)
son idénticos entre sí genotípica y fenotípicamente (fenotipo idéntico al mostrado por
uno de los progenitores).
Mendel inicio sus experimentos cruzando dos individuos homocigóticos para un
determinado carácter. Así, en el siguiente cruzamiento entre guisantes, para el carácter
color de la vaina, representamos por A el alelo dominante (amarillo) y por a el alelo
recesivo (verde), la generación parental estará formada por:
- Plantas homocigóticas de vainas amarillas (AA)
- Plantas homocigóticas de vainas verdes (aa)
Los gametos producidos por las plantas AA llevan un solo alelo A, mientras que los
de las aa llevan solo el a.
Los dos tipos de gametos se unen en la fecundación y todas las vainas formadas en la
F1 serán heterocigóticas (Aa).
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2.2.1.2 Segunda ley. Ley de la segregación de los caracteres en la F2
Segregación de los genes que forman la pareja de alelos de la F1 para formar los
gametos que luego vuelven a unirse al azar en la F2.
Al cruzar entre sí individuos pertenecientes a la F1 , los factores o genes que
controlan un determinado carácter, y que se encontraban juntos en los híbridos, se
separan y se transmiten separadamente uno del otro, de tal manera que en la F1
reaparecen los fenotipos propios de la generación parental.
Para obtener la F2, Mendel dejo que las plantas de genotipo Aa de la F1 se
autofecundaran.
Cuando los heterocigóticos (Aa) forman los gametos, los dos alelos se separan. Así se
forman con la misma probabilidad, los gametos con el alelo A y con el a.
La unión al azar de los distintos tipos de gametos origina las siguientes
combinaciones de los genotipos de la F2: AA, Aa y aa. Los individuos de genotipo AA
y Aa, de los que se obtiene un 75%, presentan el fenotipo dominante (amarillo), y los de
genotipo aa, un 25 %, el fenotipo recesivo (verde). Es decir una proporción fenotípica
3:1 y una proporción genotípica 1:2:1
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Retrocruzamiento o cruzamiento de prueba.
Los genes no se ven se ven y los fenotipos que son el reflejo de los genes. Por eso, en
los casos de herencia dominante en los cuales obtenemos individuos heterocigóticos
(Aa) y homocigóticos (AA) con el fenotipo dominante amarillo, para conocer cuál es el
genotipo, se cruzan con otro individuo de genotipo homocigótico recesivo (aa), lo que
se denomina retrocruzamiento.
Por ejemplo al cruzar vainas de guisantes amarillas que pueden ser AA o Aa, con,
vainas de guisantes verdes, aa, son posibles dos resultados.
Resultado 1.- Aparecen plantas con guisantes verdes: el individuo problema es Aa.
Resultado 2.- No aparecen plantas con guisantes verdes: el individuo del problema
puede ser AA.
2.2.2. HERENCIA DE DOS CARACTERES SIMULTANEAMENTE
Estudia la transmisión simultánea de dos caracteres
2.2.2.1 Tercera ley. Ley de la independencia de los caracteres.
A. Cuando los genes que regulan ambos caracteres se localizan en pares de
cromosomas homólogos distintos
Cuando se forman los gametos, los alelos de un gen se transmiten
independientemente de los alelos del otro gen.
En la transmisión de dos o más caracteres, cada par de alelos que controla un carácter
se transmite a la F2 independientemente de cualquier otro par de alelos que controle otro
carácter y no esté en el mismo cromosoma.
Durante la anafase I se separan los cromosomas homólogos de cada par y en la
anafase II se separan las cromátidas de cada cromosoma; después de la autoduplicación
del ADN se forman cuatro clases de gametos, cada uno de los cuales posee dos
cromosomas. Puesto que su distribución se realiza totalmente al azar, existen cuatro
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posibilidades para que los cromosomas con sus genes se agrupen en cada gameto: (AB), (A-b), (a-B) y (a- b).
Esta conclusión, a la que llego Mendel contabilizando los descendientes de los
cruzamientos, en la actualidad se entiende porque sabemos que los cromosomas
emigran aleatoriamente a los polos.
B. Cuando los genes que regulan ambos caracteres se localizan en el mismo par de
cromosomas homólogos: genes ligados.
Años después de que se redescubriesen las leyes de Mendel, se demostró que la
tercera ley o principio de independencia de los caracteres, tiene numerosas excepciones.
Estas excepciones se producen cuando los genes que controlan caracteres diferentes se
encuentran en el mismo par de cromosomas homólogos.
a) Ligamiento absoluto.
Si dos genes que rigen la aparición de dos caracteres distintos están en el mismo
cromosoma, se transmiten juntos y no se segregan al azar.
Todos los genes que están un cromosoma se transmiten ligados.
Utilizando el ejemplo de los guisantes: si los genes para el color verde y la forma lisa
están ligados, y el rugoso y amarillo también; nunca podríamos encontrar individuos
amarillos rugosos o verde lisos
b) Ligamiento relativo:
Se ha visto que en algunas ocasiones, dos genes que están juntos en los cromosomas
de los padres, no siempre se transmiten así a los hijos. Estos genes aunque se encuentran
en los mismos cromosomas, es decir, están ligados, su ligamiento no es total.
Esto significa que los resultados obtenidos son posibles siempre que los cromosomas
en los que se encuentran situados los genes implicados intercambian fragmentos, este
proceso esta originado por el sobrecruzamiento durante la meiosis I, que trae como
consecuencia el intercambio de genes o recombinación genética, que lleva a la
formación de nuevas combinaciones de genes como ya se ha explicado anteriormente.
Utilizano el mismo ejemplo anterior: aquí, aunque estén ligados, si podremos
encontrar verde lisos y amarillo rugosos
3. GENÉTICA MOLECULAR
3.1.- INTRODUCCIÓN.
En la actualidad se sabe que la información genética es la causa de la síntesis de
proteínas específicas, entre ellas las enzimas, responsables de las características
estructurales y funcionales de los seres vivos.
En la década de 1940, el genetista George Beadle, junto con Edgard Tatum
enunciaron la hipótesis denominada “un gen- una enzima”,según la cual cada gen
(fragmento de ADN) lleva información para un enzima.
Con posterioridad esta hipótesis fue ampliada, ya que el gen podía codificar una
proteína cualquiera y no necesariamente enzimática. Por otra parte, como algunas
proteínas están formadas por mas de una cadena polipeptídica, resultaba más apropiado
decir que cada gen codifica solamente una cadena polipeptídica.
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Quedaba claro que la expresión del mensaje genético, es decir, la ejecución de
las órdenes contenidas en la molécula de ADN, consiste en la síntesis de proteínas
específicas.
Los avances en bioquímica y el descubrimiento de los distintos tipos de ARN
permitieron a Francis Crick enunciar en 1970 el dogma central de la biología
molecular, que dice lo siguiente:
El ADN copia una parte de su mensaje sintetizando una molécula de ARN
mensajero (proceso denominado transcripción), la cual constituye la información
utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína (proceso de traducción).
ADN
TRANSCIPCION
TRADUCCION
ARN
PROTEINA
Con los datos obtenidos después de descifrar el genoma de diversas especies es
necesario hacer determinadas precisiones a este dogma central, ya que no todos los
genes parecen codificar para proteínas o por lo menos no se expresan como tales. Por
ello cuando se conozca con exactitud el número de genes en nuestra especie y su
relación con la información contenida en el ADN, será el momento de hacer estas
precisiones.
3.2.- REPLICACIÓN DEL ADN.
El ADN como portador de la información genética debe transmitirse fielmente a
cada una de las células hijas obtenidas tras la división celular. Por lo tanto antes de
dividirse la célula, el ADN debe de formar dos copias idénticas. Este proceso se conoce
como replicación o autoduplicación, y resulta fundamental para lograr que todas las
células de un organismo pluricelular mantengan la misma información.
En el modelo de Watson y Crick se indicó cual podía ser el mecanismo para
llevar a cabo la replicación del ADN : separación de las dos cadenas y síntesis de la
complementaria de cada una de ellas. Sin embargo se plantearon otras hipótesis de
manera que podían existir tres tipos posibles de replicación:
Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra
completamente nueva.
Semiconservativa. Es la propuesta por Watson y Crick. Una de las hebras de
cada doble hélice procede de la original, mientras que la otra se sintetiza de
novo.
Dispersiva. En cada doble hélice existen fragmentos originales y fragmentos
nuevos en una misma hebra.
Los experimentos de Meselson y Stahl demostraron experimentalmente que la
hipótesis correcta era la semiconservativa.
Para demostrarlo prepararon un cultivo de Escherichia coli en un medio nutritivo
cuya única fuente de nitrógeno era un isótopo pesado el N15, manteniéndose el cultivo
varias generaciones para garantizar que todo el ADN contenía nitrógeno pesado.
Se extrajo a continuación el ADN y se centrifugó en un medio que contenía una
disolución de cloruro de cesio, tras la centrifugación aparece una banda donde se
encuentre el ADN, que ocupa el lugar en el que la densidad de esta molécula es igual al
de una determinada zona del gradiente de la disolución de CLCs .
La banda que contiene N15 se forma en distinto lugar que la del ADN con N14.
Posteriormente se realizó un cultivo de las bacterias con N15 en un medio con N14
durante el tiempo necesario para que se produjera una replicación. La centrifugación del
ADN, en este caso, originó una banda que ocupa una posición intermedia entre la del
ADN con N14 y la del ADN con N15.
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Si se hacía durante dos generaciones bacterianas aparecían dos bandas distintas.
Una igual a la anterior y otra en la posición de ADN con N14.
También consiguieron separar las dos hebras de la molécula híbrida y comprobaron
que una de ellas poseía N14 y la otra N15.
Con estas experiencias demostraron que la replicación era semiconservativa.
3.2.1 Elementos necesarios en la replicación:
ADN patrón que sirve de molde para la replicación.
Desoxirribonucleótidos que deben estar trifosforilados en 5´.
Iones de Mg2+.
Enzimas:
ADN polimerasa, es una enzima que se caracteriza por tener múltiple actividad,
posee varios locus o lugares donde se fijan los sustratos. Estos son ocupados por el
ADN patrón, el cebador y los siguientes nucleótidos. De hecho el ADN polimerasa
comprueba la complementariedad de los nucleótidos de la cadena molde, también
comprueba que los nucleótidos estén trifosforilados y los une al extremo 3´ y tiene
capacidad de autocorrección. Existen dos polimerasas la III que es la que copia las
cadenas y la I que retira los segmentos de ARN y luego rellena los huecos.
ARN polimerasa (primasa), que genera un fragmento de ARN cebador o primer.
ADN ligasa que une los fragmentos de Okazaki.
Helicasas: son enzimas que rompen los puentes de hidrógeno que mantienen
unidas las dos cadenas de la doble hélice. Entre las helicasas de E. coli se
encuentran las proteínas Dna B y Rep. La proteína Rep parece ayudar a desenrollar
la doble hélice por delante de la polimerasa.
Topoisomerasas: pueden producir o eliminar nudos o enlaces en una hélice.
Existen topoisomerasas de la clase I que cortan solamente una de las dos hélices y
topoisomerasas de la clase II que cortan ambas cadenas. En E. coli, las enzimas
Topi I i Topo III pertenecen a la clase I, mientras que la Girasa es de la clase II.
Cuando se separan las dos hélices durante el avance de la horquilla de replicación
se producen superenrollamientos positivos en otras regiones que relajan la tensión.
La Girasa se necesita para eliminar los superenrollamientos positivos que se
generan por delante de la horquilla de replicación.
La proteína SSB: se une al ADN de hélice sencilla y lo estabiliza retrasando la
regeneración de la doble hélice.
3.2.2 Mecanismo de la replicación:
La replicación comienza en ciertas zonas del ADN donde existen determinadas
secuencias de nucleótidos. En primer lugar interviene una enzima , helicasa , que separa
las dos hebras del ADN al romper los puentes de hidrógeno. La separación y
desespirilización de las dos hebras genera torsiones en ellas, que son eliminadas por la
intervención de las topoisomerasas. Para ello cortan una de las hebras (topoisomerasa I)
o las dos (topoisomerasa II o girasa). Una vez separadas las proteínas SSB las
mantienen así.
A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada
una de las originales. El proceso se lleva a cabo mediante la enzima ADNpolimersa III ,
que presenta las siguientes características:
- Necesita una hebra molde de ADN que recorre en sentido 3´→ 5´ y sobre la
que sintetiza la hebra complementaria.
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- Une nucleótidos en dirección 5´→ 3´, es decir, la nueva hebra formada crece
en este sentido. Los nucleótidos que se van uniendo son los que se sitúan previamente
frente a los correspondientes nucleótidos complementarios del ADN molde.
- Utiliza nucleótidos trifosfato, los cuales proporcionan, al mismo tiempo, la
energía necesaria para la unión.
- No puede comenzar la síntesis por si misma, pues solo puede añadir
nucleótidos sobre el extremo 3´ libre de una cadena polinucleótida previa. Por este
motivo es necesario que exista una cadena corta de ARN, denominada cebador o
primer, sintetizado por la ARN polimerasa (primasa).
A medida que la doble hélice original se va separando se forma la llamada
burbuja de replicación donde se produce la acción de la ADN polimerasa III. Existe una
horquilla de replicación en cada extremo, pues el proceso es bidireccional.
Como la ADN polimerasa III recorre el ADN molde en la dirección 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. La otra hebra no se puede sinterizar a la vez ya que la
enzima no puede leerla y su síntesis es discontinua y se produce en fragmentos
separados. Esta cadena se llama hebra retardada y los segmentos de ADN sintetizados
de esta manera se llaman fragmentos de Okazaki. Cada fragmento de Okazaki (de 1000
a 2000 nucleótidos) necesita para su síntesis de un cebador.
La enzima ADN polimerasa I elimina los fragmentos de ARN cebador gracias su
actividad exonucleasa y debido a que tiene actividad polimerasa puede rellenar el hueco
dejado por el cebador. Posteriormente las ligasas unen los fragmentos.
3.2.3 Corrección de errores.
El proceso de replicación no acaba hasta que se comprueba que la copia es
correcta. Aunque la ADN polimerasa solo coloca los nucleótidos complementarios y es
capaz de eliminar los errores en la síntesis, provoca un error cada 107 bases
incorporadas. Este valor es muy bajo, pero si tenemos en cuenta que nuestro ADN tiene
3* 109 bases, en la copia de una molécula se producirían 300 errores. Si tenemos en
cuenta que nuestro ADN se puede replicar billones de veces, el número de errores sería
excesivo e incompatible con la vida.
Por ello existe un sistema multienzimático que recorre las hebras recién
formadas y corrige los errores que se hayan podido producir. Este sistema actúa entre
fragmentos concretos señalados con las secuencias GATC que son eliminados si detecta
un error. Para comprobar cual es la cadena molde y cual la recién sintetizada comprueba
cual de ellas tiene las adeninas metiladas, ya que las cadenas recién sintetizadas no tiene
las adeninas metiladas, con lo que se elimina la cadena que no tenga las adeninas
metiladas.
Con este sistema se consigue reducir el número de errores a uno cada 1010
nucleótidos, lo cual parece suficiente. A pesar de todo se producen errores en la síntesis.
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3.3.- TRANSCRIPCIÓN
Otra de las exigencias que debe cumplir el material genético es que sea
capaz de transmitir la información que contiene al resto de la célula. Como el material
genético es ADN y éste se encuentra en los cromosomas, dentro del núcleo, debe existir
una molécula que transporte esta información desde el núcleo hasta el citoplasma
atravesando la envoltura nuclear. Esta molécula es el ARNm. Además, a partir del ADN
también deben sintetizarse los restantes tipos de ARN. El proceso de síntesis de ARN a
partir del ADN se denomina transcripción genética. El enzima encargado de llevar a
cabo este proceso la ARN-polimerasa que cataliza la unión de los ribonucleótidostrifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP) según una secuencia determinada; para ello utiliza
como molde o patrón una de las dos cadenas del segmento de ADN (un gen) que se va a
transcribir. La secuencia de ARN transcrito es complementaria de una de las dos
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cadenas del gen salvo por el hecho de que la base complementaria de la A es el U. La
energía necesaria para la unión de los ribonucleótidos se obtiene de la hidrólisis de los
ribonucleótidos-trifosfato que liberan un grupo pirofosfato. Es, por tanto, semejante a lo
que ocurre en la duplicación del ADN.
La transcripción varía en algunos detalles en los organismos procariotas y
eucariotas.
3.3.1.- TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS: Sólo existe un tipo de ARNpolimerasa que cataliza la síntesis de todos los ARN. En el caso del
ARNm, su síntesis transcurre en 4 etapas:
- Iniciación: En todos los genes hay una secuencia
característica denominada promotor que indica dónde debe empezar la
síntesis del ARNm y cuál de las dos hebras del ADN debe ser
transcrita.
- Elongación: Después de unirse al promotor, la ARNpolimerasa se acopla a una de las cadenas del ADN y desenrolla aproximadamente una
vuelta de hélice, con lo que queda al descubierto la hebra de ADN que actuar como
patrón. El enzima se desplaza por la hebra patrón de ADN en sentido 3'--5', mientras
que la cadena de ARNm se va formando en sentido 5'--3' conforme se
añaden nucleótidos. A medida que el enzima se desplaza, el ADN
recupera su configuración inicial de doble hélice.
- Terminación: La ARN-polimerasa sigue añadiendo
ribonucleótidos hasta que se encuentra con la señal de terminación, lo
que marca el final de la síntesis del ARN, cuya cadena recién formada
se libera en forma de una sola hebra, aunque en algunos casos, cuando
presenta secuencias autocomplementarias, adopta estructura secundaria.
- Maduración: En los procariotas los genes son continuos,
no tienen intrones, por lo que las moléculas de ARNm no necesitan
ningún tipo de transformación previa a la traducción por los ribosomas.
Sin embargo, los ARNt y ARNr no se sintetizan como tales, sino que
provienen de moléculas de ARN, llamado ARN transcrito primario,
que precisan un proceso de maduración.
3.3.2.- TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS: Presenta dos
diferencias fundamentales respecto a la de procariotas: (1) los genes están
fragmentados, poseen intrones y exones, por lo que todos los ARN necesitan un proceso
de maduración a partir del ARN transcrito primario, y (2) existen tres clases de ARNpolimerasa diferentes, cada una de las cuales cataliza la síntesis de un ARN distinto.
La ARN-polimerasa I , transcribe la información necesaria para sintetizar los
ARNribosómicos , excepto el de 5S.
La que sintetiza el ARNm es la ARN-polimerasa II.
La ARN- polimerasa III, produce los ARNt ,el ARNr de 5S y realiza la
transcripción de los genes que codifican para las histonas.
La síntesis de ARNm en eucariotas transcurre también en 4 fases:
- Iniciación: El promotor está formado por una secuencia de T y A, llamada
TATA box, que es reconocida por la ARN-polimerasa II.
- Elongación: La diferencia con los procariotas es que, cuando se han
transcrito unas 30 bases del gen, al ARNm se le añade en el extremo 5' una caperuza
formada por una guanosín-trifosfato metilada (metil-GTP). Mientras tanto, la cadena de
ARNm continua creciendo (en sentido 5'--3') a unos 30 nucleótidos por segundo,
transcribiéndose tanto los exones como los intrones.
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- Terminación: Cuando la ARN-polimerasa II transcribe la secuencia de
finalización, formada por la secuencia TTATTT, la transcripción termina y actúa otro
enzima que añade en el extremo 3' del ARNm una cola de poli-A formada por unos
150-200 ribonucleótidos de A.
- Maduración: Los ARNm transcritos primarios contienen secuencias
intercaladas (las que corresponden a los intrones) que no codifican ningún péptido, por
lo que deben ser eliminadas. En este proceso intervienen las enzimas denominadas
ribonucleoproteinas pequeñas nucleares (RNPpn). Esto se realiza mediante cortes entre
los intrones y los exones: los primeros se enrollan en lazos y se eliminan, mientras que
los segundos se empalman y forman una molécula de ARNm que contiene los
nucleótidos necesarios para sintetizar la proteína.
3.4.- EL CÓDIGO GENÉTICO
El moderno concepto de información genética establece que un gen es un
fragmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una
proteína. Dado que la información genética está contenida en secuencias de bases
nitrogenadas, es preciso transformar esta información en cadenas de aminoácidos para
formar las proteínas.
Los ácidos nucleicos están formados por 4 clases de nucleótidos mientras
que las proteínas están formadas por 20 aminoácidos. Es necesario establecer una
correlación entre las bases y los aminoácidos para averiguar de qué modo la
información contenida en el ADN es capaz de ordenar la síntesis de una determinada
proteína.
Si a cada aminoácido correspondiese un solo nucleótido entonces sólo se
podrían codificar 4 aminoácidos. Si fuesen dos nucleótidos los que codifican un
aminoácido, las posibles combinaciones serían 42=16 y tampoco serían suficientes. Las
combinaciones de 3 nucleótidos son 43=64 con lo que es posible codificar los 20
aminoácidos y sobrarían códigos. Se puede imaginar según esto el ADN formado por
una sucesión de grupos de 3 nucleótidos, llamados tripletes, correspondiente cada uno a
un aminoácido.
Este planteamiento teórico ha sido demostrado experimentalmente y,
efectivamente, el código de cada aminoácido está contenido en un triplete o en varios de
nucleótidos del ADN. Este código que asocia a cada aminoácido un grupo de 3
nucleótidos se denomina código genético. Se considera que es degenerado porque
existen más tripletes que aminoácidos hay para codificar, y universal ya que sin apenas
variaciones es utilizado por todos los seres vivos, aunque con la excepción de las
mitocondrias, que utilizan un código genético ligeramente diferente para traducir la
información contenida en sus pequeños cromosomas circulares.
En este punto de las investigaciones, el siguiente problema era establecer
qué triplete correspondía a cada aminoácido. Esto se logró gracias a un enzima
descubierto en 1955 por Severo Ochoa, la polinucleótido-fosforilasa, que cataliza la
síntesis de polinucleótidos. Esta síntesis se puede realizar en presencia de cualquiera de
los nucleótidos-fosfato que forman los ácidos nucleicos. Si en el medio de la reacción
sólo existen, por ejemplo, nucleótidos de U, el enzima sintetiza un ácido nucleico con U
como única base nitrogenada (poli-U). Con este enzima y la bacteria E.coli Niremberg
consiguió empezar a descifrar el código genético; usando poli-U como ARNm la
bacteria sintetizaba proteínas formadas únicamente por el aminoácido fenilalanina
(Phe), por lo que su código debía ser forzosamente UUU. Del mismo modo se
estableció que el código de la Pro era CCC, el de la Lys AAA y el de la Gly GGG. Para
tripletes con bases nitrogenadas distintas el proceso es mucho más complicado, pero
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finalmente se ha llegado a establecer el código genético completo, sabiéndose
actualmente el significado de los 64 tripletes.
1ª
Base
Segunda base
U
C
UUU
UCU
Phe
U
UUC
UUA
Leu
UCA
CUC
A
ACU
AUC
ACC
AUA Ile
ACA
Thr
AUG Met ACG
GUU
G
GUC
GUA
AAA
UGG Trp
G
CGU
U
Arg
AGU
Lys
AGA
Ser
Arg
Gly
U
C
GGC
GGA
Gly
GGG
A
G
GGU
Glu
U
C
AGG
GAA
A
G
AGC
GAC
GAG
C
Arg
Asp
Ala
GCG
Asn
GAU
GCA
Val
GUG
AAU
Ala
GCC
A
CGG
AAG
GCU
Val
UGA Stop
CGA
AAC
Thr
C
Gln
CAG
U
UGC
CGC
CAA
Pro
CCG
Cys
His
CAC
CCA
Ile
Stop
CAU
Pro
Leu
CUG
UAA
UAG
CCC
CUA
AUU
Ser
CCU
Leu
UGU
Tyr
UAC
UCG
CUU
G
UAU
Ser
UCC
UUG
C
A
3ª
Base
A
G
3.5.- TRADUCCIÓN GENÉTICA
Es el proceso mediante el cual se sintetiza una proteína a partir de un
ARNm que, previamente, se ha transcrito en un gen del ADN. Tiene lugar en los
ribosomas, por tanto en el seno del citoplasma.
Para que la información contenida en la secuencia de bases del ARNm sea
traducida a una secuencia de aminoácidos de una proteína debe existir una molécula
intermediaria que solucione dos problemas: (1) para que cada aminoácido se coloque en
su triplete correspondiente del ARNm es preciso que dicho triplete sea descodificado, y
(2) el tamaño molecular de un triplete de nucleótidos es mucho mayor que el de un
aminoácido.
Esta molécula intermediaria es el ARNt y su funcionamiento durante la
traducción se debe fundamentalmente a su estructura secundaria en forma de hoja de
trébol. Cada molécula de ARNt es específica de cada aminoácido, de tal manera, que
según el anticodon de anclaje que posea, sujeta por el triplete CCA a uno u otro
aminoácido de los que existen libres en el citoplasma de la célula. La fijación de un
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aminoácido al triplete CCA del ARNt exige una previa activación de dicho aminoácido
por una molécula de ATP que libera un grupo pirofosfato y se precisa la intervención de
un enzima, la aminoacil-ARNt-sintetasa, específico de cada aminoácido. El complejo
aminoácido-ARNt unidos recibe el nombre de complejo de transferencia y constituye
la forma en que los aminoácidos son transportados y unidos para formar las cadenas de
proteínas.
Ejemplo: el triplete que codifica el aminoácido Metionina (Met) es AUG.
Cuando en una posición determinada de una proteína debe colocarse una Met, en el
ARNm aparece el triplete (codon) AUG. Sobre este codon sólo podrá colocarse aquel
ARNt que posea un triplete (anticodon) complementario, es decir UAC.
Dicho ARNt llevar en el otro extremo de su molécula, unido al triplete
CCA el aminoácido Met que habrá sido unido por el enzima Metionil-ARNt-sintetasa
formando un complejo de transferencia con Met (representado por ARNtMet).
Tanto en los procariotas como en los eucariotas, el mecanismo de la síntesis
de proteínas se puede considerar dividido en tres etapas sucesivas: iniciación,
elongación y terminación.
- Iniciación de la síntesis de proteínas: Hacen falta dos señales de iniciación
para que comience la síntesis de proteínas: el triplete iniciador AUG, que codifica la
Metionina, y la caperuza de metil-GTP del ARNm, de tal manera que la traducción
comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza. Con la energía que produce la
hidrólisis del metil-GTP la subunidad menor del ribosoma se une al ARNm en la zona
próxima a la caperuza (extremo 5'), formando el complejo de iniciación, y se coloca el
ARNt iniciador, que está cargado con el aminoácido Metionina y posee el anticodon
complementario al AUG (por ello, todas las proteínas recién sintetizadas poseen
metionina en su extremo N-terminal; después, en muchos casos, esta Met se elimina).La
unión del ARNm a la subunidad menor se produce gracias al factor proteico de
iniciación IF3. Al final de esta etapa de iniciación la subunidad mayor del ribosoma se
acopla con el complejo de iniciación para formar un ribosoma completo dotado de dos
hendiduras o sitios de fijación: el sitio P, que queda ocupado por el ARNtMet, y el sitio
A, que está libre para recibir a un segundo ARNt cargado con su correspondiente
aminoácido, para ello necesitamos otro factor de iniciación IF1 y la presencia de iones
de Mg2+.
- Elongación de la cadena polipeptídica: consiste en la unión de sucesivos
aminoácidos que se van añadiendo a la cadena polipeptídica en el seno de los
ribosomas. Puede considerarse como la repetición de ciclos de elongación, cada uno de
los cuales consiste en añadir un nuevo aminoácido. Cada ciclo de elongación consta de
tres fases:
Primera fase: Unión de un aminoacilARNt al sitio A. El sitio P está
ocupado inicialmente por el ARNtMet y en el sitio A, que está vacío, se introduce el
ARNt cargado con su correspondiente aminoácido, cuyo anticodon es complementario
al triplete siguiente al AUG (supongamos ACU); se aloja por tanto el ARNt con el
anticodon UGA, que lleva la Treonina (ARNtThr). Se necesita la energía que suministra
la hidrólisis de GTP y dos factores de elongación (FE)
Segunda fase: Formación del enlace peptídico. La Metionina, que está
unida por su grupo carboxilo al ARNt, rompe este enlace y se une, mediante enlace
peptídico, al grupo amino de la Treonina, que, a su vez, está enlazada a su ARNt. El
proceso está catalizado por la peptidiltransferasa y el resultado es la formación de un
dipéptido (Met-Thr) unido al ARNt de la Treonina y alojado en el sitio A.
Tercera fase: Translocación del ribosoma. El ribosoma se desplaza a lo
largo del ARNm exactamente 3 nucleótidos en sentido 5'--3'. Esto provoca la expulsión
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del ARNt de la Met del sitio P, mientras que el ARNt de la Treonina, junto con el
dipéptido que lleva unido, pasan del sitio A al sitio P, dejando vacío el primero, con lo
que se vuelve a la primera fase y se inicia otro ciclo de elongación .
- Terminación de la síntesis de proteínas: La síntesis de la cadena
polipeptídica se detiene cuando aparece, durante la tercera fase de un ciclo de
elongación, en el sitio A uno de los tres codones de terminación en el ARNm (UAA,
UAG o UGA). En este momento un factor proteico de terminación (RF) se une al codon
de terminación e impide que algún complejo de transferencia se aloje en el sitio A, con
lo que al desplazarse el ribosoma queda libre el extremo C-terminal de la proteína, y por
tanto la proteína misma, habiendo terminado su síntesis.
3.6.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
La supervivencia en ambientes a menudo hostiles y cambiantes ha obligado
a los seres vivos a adoptar un conjunto de estrategias encaminadas a regular con la
máxima eficacia la expresión de sus genes. Por ello, para aprovechar adecuadamente las
fuentes energéticas de que disponen, que no siempre son abundantes, y evitar el
despilfarro de energía, las células procarióticas y eucarióticas sintetizan en cada
momento sólo aquellas proteínas que necesitan.
Las bacterias están obligadas a responder continuamente a los cambios
producidos en el ambiente externo y, por tanto, utilizan en cada momento solamente
aquella fracción de información genética que resulta realmente necesaria para dar
respuesta a la variación de factores ambientales (nutrientes, temperatura, etc.). A
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principios de los años sesenta, Jacob y Monod propusieron un modelo denominado
operón para la regulación de la expresión génica en las bacterias. Un operón es un
conjunto de genes que codifican proteínas diferentes implicadas en procesos
bioquímicos muy relacionados (por ejemplo los enzimas que intervienen en una
misma ruta metabólica); todos estos genes se localizan en el cromosoma unos cerca de
otros, con el fin de que la regulación de su expresión se realice de forma coordinada. En
cada operón se diferencian las siguientes partes:
a) Los genes estructurales (GE1, GE2, GE3, ......) que codifican la síntesis
de las proteínas enzimáticas (E1, E2, E3, .....) que participan en un determinado proceso
bioquímico.
b) El gen regulador (R) que codifica la síntesis de una proteína represora y
es el agente que controla materialmente la expresión. Esta proteína puede estar en forma
activa o inactiva.
c) El promotor (P) que está próximo a los genes estructurales y que es la
zona donde se une la RNA-polimerasa y decide el inicio de la transcripción.
d) El operador (O) que es una región intercalada entre el promotor y los
genes estructurales y que posee una secuencia característica que cuando es reconocida
por la proteína represora, bloquea el operador impidiendo el avance de la RNApolimerasa con lo que la transcripción se interrumpe y se produce una represión génica
(los genes no se expresan).
Inducción enzimática (operón lactosa) , el proceso seguido es el siguiente:
el gen regulador se transcribe y se sintetiza la proteína represora activa que bloquea el
operador e impide la síntesis de los enzimas E1, E2, E3, .....encargados de metabolizar
la lactosa y transformarla en los productos 1, 2, 3 .... y P (producto final). La lactosa
aportada por la dieta es capaz de unirse a la proteína represora y provocarle un cambio
que la vuelve inactiva, por lo que, al alcanzar la lactosa un nivel determinado de
concentración, se inactiva toda la proteína represora y el operador se desbloquea; los
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genes estructurales se expresan (se transcriben y traducen) y los enzimas E1, E2, E3,....
catalizan la transformación de la lactosa en el producto P; a medida que descienden los
niveles de lactosa, la proteína represora vuelve a activarse, se bloquea el operador y la
expresión de los genes estructurales vuelve a reprimirse.
Represión enzimática (operón histidina). En este caso la proteína represora
es inactiva , por lo que el operador está libre y los genes estructurales se transcriben. La
presencia de histidina actúa a modo de correpresor que activa al represor y que evita la
síntesis de nuevas moléculas de Histidina. La disminución de concentración de ésta
inactivaría de nuevo al represor y se volverían a formas nuevas moléculas de histidina.
En los seres pluricelulares existe también una especialización de las células
que responde a determinados factores del ambiente interno. Esta especialización lleva
consigo la diferenciación de tejidos en el organismo pluricelular. Aunque todas las
células de un mismo organismo poseen el mismo ADN, los mismos genes, éstos no se
expresan en todas por igual; por ejemplo, los genes de la hemoglobina sólo se expresan
en los eritrocitos. Los mecanismos que regulan la expresión génica constituyen, por
tanto, el fundamento molecular de la diferenciación celular, proceso por el cual, ya
durante el desarrollo embrionario, determinados genes se reprimen y otros se expresan
en diferentes tipos celulares para dar lugar más tarde a los distintos tejidos de un
organismo.
El mecanismo más importante y generalizado de regulación de la expresión
génica, tanto en bacterias como en eucariotas, es el control sobre la transcripción. En los
tejidos de los organismos pluricelulares la mayoría de las decisiones encaminadas a
producir unas proteínas y no otras se realiza mediante la activación de la transcripción
de unos genes y la represión de otros.
La activación de la transcripción se lleva a cabo frecuentemente por medio
de una descondensación de la cromatina. Frente a señales reguladoras del medio interno,
generalmente de naturaleza hormonal, la cromatina de una región determinada se
descondensa durante un período de tiempo corto pero suficiente para que se transcriban
los genes localizados en esa zona.
En las plantas se da un caso especial de regulación de la expresión génica en
el que es la luz la que ejerce una función activadora de determinados genes vegetales.
La luz, además de ser fuente de energía para la fotosíntesis, controla el desarrollo de la
planta mediante un proceso llamado fotomorfogénesis que decide el tamaño que debe
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alcanzar la planta, el número de hojas, cuándo debe florecer y fructificar y, por último,
el tiempo que debe durar hasta que envejece y muere.
3.7.- MUTACIONES: CONCEPTO Y CLASES
Es todo cambio en la información hereditaria. Esto es, será una mutación todo
cambio que afecte al material genético: ADN, cromosomas o cariotipo.
Las mutaciones pueden producirse tanto en células somáticas como en células
germinales, en estas últimas tienen mayor trascendencia. Las mutaciones sólo son
heredables cuando afectan a las células germinales. Si afectan a las células somáticas se
extinguen por lo general con el individuo, a menos que se trate de un organismo con
reproducción asexual.
Las mutaciones pueden ser: naturales (espontáneas) o inducidas (provocadas
artificialmente con radiaciones, sustancias químicas u otros agentes mutágenos).
Estas mutaciones pueden ser dominantes, respecto al alelo normal no mutado, o
recesivas según se expresen.
Según la extensión del material genético afectado se distinguen los siguientes
tipos de mutaciones:
1) Génicas
2) Cromosómicas estructurales
3) Cromosómicas numéricas o genómicas
Los efectos que pueden provocar una mutación pueden ser:
- Neutros, si no se produce ninguna alteración .
- Beneficiosos, si el gen mutado provoca un beneficio biológico.
- Perjudiciales, si provocan daños y pueden ser:
o Letales: si producen la muerte, como mínimo del 90% de los
individuos que la poseen.
o Subletales: mueren menos del 10%.
o Patológicas, producen alguna enfermedad.
3.7.1 Mutaciones génicas: son las mutaciones en sentido estricto. Son aquellas
que producen alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. Estas alteraciones
pueden afectar tanto a los genes estructurales como a los reguladores y pueden provocar
cambios en un par de bases (microlesiones) o en un segmento génico (microlesiones).
Las mutaciones génicas pueden aparecer fundamentalmente por dos causas:
-errores producidos durante la replicación del ADN.
- la acción de determinados agentes físicos o químicos, como las radiaciones o
algunas sustancias procedentes del exterior celular o del propio metabolismo, que alteran
el ADN.
Existen varios tipos:
a) Sustituciones de pares de bases. Éstas pueden ser:
- Transiciones: Es el cambio en un nucleótido de la secuencia del ADN de una
base púrica por otra púrica o de una base pirimidínica por otra pirimidínica.
- Transversiones: Es el cambio de una base púrica por una pirimidínica o
viceversa.
Estas sustituciones son posibles porque algunos de los átomos de hidrógeno de
cada una de las cuatro bases pueden cambiar sus posiciones para originar formas
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tautoméricas distintas a las usuales. Estos tautómeros permiten apareamientos atípicos
de bases en la hélice y provocan en la replicación formación de secuencias erróneas.
Los cambios de bases nitrogenadas pueden ser producidos por agentes
mutagénicos que originan su desaminación, la rotura del enlace entre una base púrica y
con la desoxirribosa (despurización) o la formación de dímeros de timina.
b) Pérdida o inserción de nucleótidos. Este tipo de mutación produce un corrimiento en el
orden de lectura. Pueden ser:
- Adiciones génicas: Es la inserción de nucleótidos en la secuencia del gen.
- Deleciones génicas: Es la pérdida de nucleótidos.
Se producen por un emparejamiento anómalo durante la replicación o cuando
ciertos compuestos, como los colorantes de acridina, se intercalan en las cadenas
polinucleótidas.
Las sustituciones provocan la alteración de un único triplete y, por tanto, salvo que
indiquen un triplete de parada, o un aminoácido del centro activo de una enzima, no
suelen tener grandes efectos sobre la proteína codificada, pues afectan a un único
aminoácido y la proteína seguirá pudiendo realizar la misma función. Sin embargo, las
mutaciones que impliquen un corrimiento en el orden de lectura, adiciones o deleciones,
salvo que se compensen entre sí, pueden alterar la secuencia de aminoácidos de la
proteína codificada a partir del punto donde se produjo la mutación y sus consecuencias
suelen ser graves, pues todos los aminoácidos de la secuencia proteica a partir de dicho
punto serán diferentes..
c) Transposiciones .Son cambios de lugar espontáneos de determinados segmentos del
ADN. Estos pueden ser menores que un gen (denominadas secuencias de inserción), un
gen o un grupo de genes (transposones).
3.8.- AGENTES MUTAGÉNICOS.
Los agentes mutagénicos son aquellos factores que aumentan sensiblemente la
frecuencia normal de mutación. Pueden ser agentes físicos, químicos o biológicos.
3.8.1- Agentes mutagénicos físicos. Aunque las subidas intensas y rápidas de la
temperatura pueden provocar mutaciones, los agentes físicos mutagénicos por
excelencia son las radiaciones, que se dividen en ionizantes y no ionizantes.
-Radiaciones ionizantes. Son radiaciones de longitud de onda muy corta
y, por tanto, muy energéticas, que provocan la ionización de los átomos de las
sustancias que atraviesan. Entre estas radiaciones se encuentran los rayos X y , así
como las partículas  y . Sus efectos son de tres tipos:
- fisiológicos, pueden producir cambios enzimáticos que se
traducen en modificaciones metabólicas.
- citogenéticas, comportan alteraciones en la estructura de los
cromosomas, como deleciones y translocaciones.
- genéticos, son producidos por ionizaciones directas del ADN o a
través de otros iones que, a su vez, provocan nuevas ionizaciones y la aparición de
radicales libres muy reactivos. Estos cambios se traducen en mutaciones génicas, como
la rotura de los enlaces nucleótidos, la rotura y pérdida de bases nitrogenadas y la
aparición de formas tautoméricas.
- Radiaciones no ionizantes. Son las radiaciones ultravioletas. No
producen ionización y su acción primaria consiste en provocar el paso de electrones a
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niveles energéticos más altos, lo cual puede dar lugar a formas tautoméricas y dímeros
de timina.
3.8.2.- Agentes mutagénicos químicos.
Numerosas sustancias tienen acción mutagénica (hidrocarburos policíclicos,
aminas aromáticas , agentes alquilantes, colorantes industriales, pesticidas, etc). A
diferencia de las radiaciones sus efectos suelen ser retardados. Los cambios que
provocan son:
- Modificaciones de las bases nitrogenadas. Comprenden las reacciones de
desaminación, alquilación e hidroxilación, que provocan emparejamientos
erróneos.
- Sustitución de bases. Están causados por análogos de bases nitrogenadas que
provocan un emparejamiento erróneo durante la replicación al cambiar una
base por otra. Los análogos de las bases nitrogenadas, se emplean, en
ocasiones como fármacos antitumorales y antivíricos, ya que al evitar una
correcta replicación del ADN, impiden la reproducción del organismo. Es el
caso del medicamento conocido como AZT.
- Introducción de ciertas moléculas en la cadena polinucleótida del ADN.
Estas inserciones provocan la aparición de un exceso de nucleótidos en la
hebra de nueva formación durante la replicación. De este modo, a partir de
ese punto los tripletes de bases se alteran y el mensaje genético cambia.
3.8.3.- Agentes mutagénicos biológicos. Algunos agentes biológicos aumentan
la frecuencia de la mutación génica. Destacan entre ellos ciertos virus que pueden
producir cambios en la expresión de algunos genes y los transposones. Estos últimos
son segmentos móviles de ADN que pueden cambiar de posición, trasladándose a otro
lugar distinto del cromosoma o incluso a otro cromosoma.
Este tipo de elementos móviles se han encontrado en todo tipo de organismos y
pueden originar mutaciones, ya que causan una activación, o inactivación no deseada al
insertarse en genes reguladores o en los estructurales. Se cree ,además, que los virus
mutagénicos podrían realizar su acción al llevar al genoma transposones tomados de una
célula previamente infectada que incorporarían a la nueva célula parasitada
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