FUNDACION BARCELO – FACULTAD DE MEDICINA BIOLOGIA

FUNDACION BARCELO – FACULTAD DE MEDICINA
BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR – Dr Eduardo Kremenchutzky – Profesor Titular
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA MOLECULAR
DUPLICACION – TRANSCRIPCION - TRADUCCION
Reseña histórica de la Genética
La construcción de la Genética constituye una de las aventuras intelectuales más
apasionantes y prodigiosas de la mente humana. Aunque la Genética es una ciencia del
siglo XX -pues se inicia con el redescubrimiento de las leyes de Mendel en 1900 y no
fue hasta 1906 que el británico William Bateson acuñó el término y escribió el primer
libro de texto-, los avances conceptuales del siglo XIX fueron fundamentales para el
pensamiento genético posterior.
La segunda mitad del siglo XIX
Durante el periodo 1850-1900 la biología emerge de los últimos vestigios medievales y
aristotélicos y surge una visión unificada cuyo paradigma no es esencialmente distinto
del nuestro. La teoría celular se había establecido ya en los años 30, pero en 1858 el
fisiólogo alemán R. Virchow introduce una generalización adicional, el principio de la
continuidad de la vida por división celular, que sintetiza en su célebre frase omnis
cellula e cellula. Se establece entonces la célula como la unidad de reproducción. El
reconocimiento de la célula como unidad reproductora condujo al abandono de la
generación espontánea y del preformacionismo. Un animal o una planta se originan de
una simple célula mediante un proceso epigenético, a través de sucesivos estados de
diferenciación de un huevo indiferenciado. La célula contiene las potencialidades de
generar un organismo. Esta generalización llevó casi compulsivamente a la búsqueda de
la base material de la herencia.
El naturalista británico Charles Darwin introduce en su libro de 1859 El origen de las
especies la segunda gran unificación del siglo XIX: la teoría de la evolución biológica.
Según ésta, la formas orgánicas ahora existentes proceden de otras distintas que
existieron en el pasado, mediante un proceso de descendencia con modificación. Darwin
reunió una evidencia arrolladora procedente de muy diversas disciplinas de
investigación biológica en favor del hecho evolutivo y logró que esas disciplinas
convergieran un una única explicación: la selección natural. Con el objeto de imponer
estas dos revolucionarias concepciones Darwin introduce una nueva y radical
perspectiva metafísica: el pensamiento poblacional. En contraste con la visión
esencialista dominante en su tiempo, la variación individual, lejos de ser trivial, es para
Darwin la piedra angular del proceso evolutivo. Son las diferencias existentes entre los
organismos en el seno de una población las que, al magnificarse en el espacio y en el
tiempo, constituirán la evolución biológica. La teoría de la evolución fue casi
inmediatamente aceptada por la comunidad científica, pero su teoría de la selección
natural tuvo que esperar hasta la tercera década del siglo XX para su aceptación general.
El esquema de Darwin carecía de una explicación para el origen y el mantenimiento de
la variación genética sobre la que opera la selección. Años después del Origen, en 1868,
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Darwin intenta explicar el fenómeno de la herencia a través de la hipótesis provisional
de la pangénesis. Esta hipótesis es el resultado de un intenso trabajo de recopilación e
interpretación conceptual de un gran número de observaciones y experimentos, que se
recogen en un tratado de dos volúmenes The variation of animals under domestication.
En ella postula la existencia de partículas hereditarias o de reproducción, que llamó
gémulas. Cada parte del organismo e incluso partes de las células producen sus propias
y específicas gémulas -los ojos, las gémulas de los ojos, el corazón las gémulas del
corazón-. Las gémulas fluyen por todas las partes del cuerpo, de modo que en cada
parte, tales como en los óvulos y el esperma, pueden encontrarse todos los tipos de
gémulas. Así las células reproductoras tienen la potencialidad de desarrollar un
organismo completo. Contrariamente a las conclusiones del Origen, su hipótesis de la
herencia resultó errónea, como demostró, entre otros, su sobrino Francis Galton en un
experimento de transfusión sanguínea recíproca entre dos cepas de conejos que diferían
en su color. De cualquier modo, su trabajo estimuló el pensamiento genético.
Tres años antes del tratado de Darwin sobre la herencia, en 1865, el monje austríaco
Gregor Mendel publicó el trabajo Experimentos de hibridación en plantas en el Boletín
de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno (Moravia, actualmente en la República
Checa). En él se resumían experimentos que había llevado a cabo durante 8 años en el
guisante Pisum sativum. El trabajo de Mendel se enmarcaba dentro del paradigma de la
teoría de la evolución, pues una de las razones para efectuar dicho trabajo era "alcanzar
la solución a una cuestión cuya importancia para la historia evolutiva de las formas
orgánicas no debería ser subestimada". Sus experimentos son el paradigma del análisis
genético y su trabajo es considerado fundacional de la ciencia de la Genética. Un diseño
experimental sencillo junto con un análisis cuantitativo de sus datos fue la fuerza
principal de su trabajo. Los experimentos demostraron que (1) la herencia se transmite
por elementos particulados (refutando, por tanto, la herencia de las mezclas) que (2)
siguen normas estadísticas sencillas, resumidas en sus dos principios. Pero el momento
no era propicio y el nuevo paradigma de la ciencia de la Genética debería esperar 35
años. Y no fue, como se ha creído, porque su trabajo fuera desconocido. El trabajo de
Mendel fue, simplemente, inapreciado. Mendel intercambió correspondencia con el
alemán Carl Nägeli, unos de los más preeminentes botánicos del momento. Éste no
pareció muy impresionado por su trabajo y le sugirió a Mendel que estudiara otras
plantas, entre otras Hieracium, en la que Nägeli estaba especialmente interesado. En ella
Mendel no encontró normas consistentes en la segregación de sus caracteres y empezó a
creer que sus resultados eran de aplicación limitada, por lo que su fe y entusiasmo en su
trabajo disminuyó. No fue hasta mucho tiempo después de la muerte de Mendel, en
1903, que se descubrió que un tipo especial de partenogénesis ocurre en Hieracium, la
cual produce desviaciones de las proporciones esperadas. Debido al olvido y a la desidia
hacia su trabajo, se puede afirmar que sin Mendel la ciencia de la Genética
posiblemente sería la misma.
Nuevas técnicas citológicas, el desarrollo del micrótomo y de las lentes de inmersión en
aceite en la década 1870-80, condujeron al descubrimiento de la fecundación, la fusión
de los núcleos del óvulo y del esperma para formar el núcleo del huevo, y la mitosis. En
1784 Nägeli enuncia la teoría del idioplasma, que establece que el núcleo celular es el
vehículo de la herencia. En 1883 van Beneden trabajando en el nemátodo Ascaris
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descubre la meiosis y reconoce la individualidad de los cromosomas. T. Boveri, en un
programa de investigación que se inicia en 1888 y acaba en 1909, demuestra que los
cromosomas mantienen su estabilidad entre generaciones. A partir de 1880 había un
acuerdo general que el material hereditario residía en los cromosomas -a pesar que esto
no estuvo completamente claro hasta 1916.
El alemán August Weismann enuncia en 1885 su teoría de la continuidad del plasma
germinal. En ella reconoce dos tipos de tejidos en los organismos, el somatoplasma y el
germoplasma. El primero forma la mayor parte del cuerpo de un individuo, mientras
que el germoplasma era una porción inmortal de un organismo que tenía la
potencialidad de duplicar a un individuo. A diferencia de la teoría de la pangénesis, el
germoplasma no proviene del somatoplasma ni se forma nuevamente cada generación,
sino que constituye la continuidad de la información genética entre generaciones. Su
teoría rechazaba rotundamente la herencia de los caracteres adquiridos y supuso un
mayor énfasis en el material hereditario. Se llamó Neodarwinismo a la fusión de la
teoría de la evolución por selección natural y la hipótesis del plasma germinal de
Weissmann. En 1883 Weismann propuso la teoría de que las partículas hereditarias o
bióforas eran invisibles, autorreplicativas y asociadas con los cromosomas de un modo
lineal y postuló que cada biófora estaba implicada en la determinación de una
característica. Su intuición fue realmente prodigiosa.
En 1871 el médico suizo Fiedrich Miescher aisló nucleína de núcleos de células de pus
humanos, hoy sabemos que esta nucleoproteína forma la cromatina. En 1886 el citólogo
americano E. B. Wilson sugiere una relación entre la cromatina y el material genético.
El siglo XX
1900-1940: la Genética clásica
La entrada en el siglo XX produce una explosión de nuevos descubrimientos que ya no
se detendrá, y que se continuará a un ritmo siempre creciente. Se resumirán brevemente
los avances principales.
En la primera década se produce la síntesis de los trabajos genéticos (de hibridación
experimental) y citológicos. Esta síntesis simboliza la mayoría de edad de la Genética,
iniciándose como ciencia propia e independiente. El siglo empieza con el
redescubrimiento de las leyes de Mendel por los trabajos de 3 botánicos: Carl Correns,
Hugo de Vries y Eric Von Tschermak, a las que el británico William Bateson dará un
gran impulso. Se produce una integración inmediata de los estudios genéticos y
citológicos. En 1902, Boveri y Sutton se percatan, de forma independiente, de la
existencia de un estrecho paralelismo entre los principios mendelianos recién
descubiertos y la conducta de los cromosomas en la meiosis. En 1905 Bateson acuñó
(en 1901 había introducido los términos alelomorfo, homocigoto y heterocigoto) el
término genética para designar "la ciencia dedicada al estudio de los fenómenos de la
herencia y de la variación". En 1909 el danés Wilhelm Johannsen introduce el término
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gen como "una palabrita... útil como expresión para los factores unitarios... que se ha
demostrado que están en los gametos por los investigadores modernos del mendelismo".
Durante la segunda década de este siglo Thomas Hunt Morgan y su grupo de la
Universidad de Columbia inician el estudio de la genética de la mosca del vinagre
Drosophila melanogaster. En 1910 descubren la herencia ligada al X y la base
cromosómica del ligamiento. En 1913 A. H. Sturtevant construye el primer mapa
genético y en 1916 Calvin Bridges demuestra definitivamente la teoría cromosómica de
la herencia mediante la no disyunción del cromosoma X. En 1927 H. J. Muller publica
su trabajo en el que cuantifica mediante una técnica de análisis genético (la técnica ClB)
el efecto inductor de los rayos X de letales ligados al sexo en Drosophila. En 1931
Harriet Creighton y Barbara McClintock en el maíz y Gunter Stern en Drosophila
demuestran que la recombinación genética está correlacionada con el intercambio de
marcadores citológicos. Todos estos descubrimientos condujeron a la fundación
conceptual de la Genética clásica. Los factores hereditarios o genes eran la unidad
básica de la herencia, entendida tanto funcional como estructuralmente (la unidad de
estructura se definía operacionalmente por recombinación y por mutación). Los genes, a
su vez, se encuentran lineal y ordenadamente dispuestos en los cromosomas como
perlas en un collar.
Paralelamente a estos avances, otro conflicto que había surgido con el Origen de
Darwin empezó a resolverse. Era el problema de la naturaleza de la variación sobre la
que se produce la evolución. Mientras que Darwin puso énfasis en la evolución gradual
y continua que transforma la variación dentro de las poblaciones en variación entre
poblaciones, otros, como Thomas Huxley e, inicialmente, Galton (cuyo libro Natural
inheritance, 1989, se considera fundador de la ciencia de la Biometría) creían que la
evolución procedía de forma rápida y discontinua, por lo que la selección usaba
primariamente variación discontinua, no teniendo ningún valor evolutivo la variación
continua. Con el mendelismo este antagonismo se acentuó hasta convertirse en conflicto
entre los mendelianos por un lado -que apoyaban la evolución discontinua- y los
biométricos por el otro -que estudiaban la variación en los caracteres físicos
cuantitativamente y creían en la evolución darwiniana-. Los primeros estaban
capitaneados por Bateson, Morgan y Hugo de Vries mientras que Karl Pearson y W. F.
R. Weldom (junto con Galton, que se les unió ideológicamente después) fueron los
principales biométricos. En 1908 se formula la ley de Hardy-Weinberg que relaciona las
frecuencias génicas con las genotípicas en poblaciones panmícticas. Entre 1918 y 1932
la larga polémica entre biométricos y mendelianos se zanja finalmente: Ronald Fisher,
Sewal Wright y J. B. S. Haldane llevaron a cabo la síntesis del darwinismo, el
mendelismo y la biometría y fundan la teoría de la Genética de poblaciones. Fisher
demuestra en 1918 que la variación cuantitativa es una consecuencia natural de la
herencia mendeliana. El desarrollo de modelos matemáticos de acción de la selección
despejó las dudas en cuanto a si la selección podía o no producir cambios importantes
incluso cuando sus coeficientes eran débiles: la selección volvió a adquirir un papel
preponderante como agente evolutivo. En la Genética de poblaciones la teoría de la
evolución se presenta como una teoría de fuerzas -la selección, la mutación, la deriva
genética y la migración-. Estas fuerzas actúan sobre un acervo genético que tiende a
permanecer invariable como consecuencia de la ley de Hardy-Weinberg que a su vez es
una consecuencia de la extensión de la primera ley de Mendel a las poblaciones. La
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Genética de poblaciones se estableció como el núcleo teórico, el componente
explicativo, de la teoría de la evolución. La integración de la Genética de poblaciones
con otros programas de investigación evolutiva -tales como la biología de poblaciones
experimental, la sistemática, la paleontología, la zoología y la botánica- produjeron
durante el periodo de 1937-1950 la teoría sintética o neodarwinista de la evolución. En
ella se produce la mayor integración de disciplinas, nunca antes alcanzada, de una teoría
evolutiva.
Desde 1940 en adelante: el acceso al nivel molecular
Tras la segunda guerra mundial se produce el verdadero asalto a la naturaleza física del
material hereditario. La genética de procariotas inicia los nuevos horizontes de
indagación. Se establece finalmente el ADN como la substancia genética. A ello le
sigue el descubrimiento del dogma del flujo de la información genética: ADN -> ARN > proteínas. También se producen grandes avances en el conocimiento de la estructura y
función de los cromosomas. Por último los setenta producen las técnicas de
manipulación de ADN que afectarán revolucionariamente a todas las disciplinas de la
genética. A continuación se exponen, muy brevemente, los principales hitos de este
periodo.
A partir de los 1940 se aplican las técnicas moleculares sistemáticamente y con
extraordinario éxito en Genética. El acceso al nivel molecular ha empezado: la
estructura y función de los genes es el próximo frente del avance genético.
1941: George Beadle y E. L. Tatum introducen la revolución de Neurospora
estableciendo el concepto de un gen-una enzima: los genes son elementos portadores de
información que codifican enzimas.
1944: Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty demuestran que el "principio
transformador" es el ADN.
1953: Este año representa un momento culminante. James Watson y Francis Crick
interpretan los datos de difracción de rayos X de Maurice Wilkins junto con datos de
composición de bases de Erwin Chargaff concluyendo que la estructura del ADN es una
doble hélice, formada por dos cadenas orientadas en direcciones opuestas
(antiparalelas). La estructura 3-D se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre bases
nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas. Dicha
estructura sugería, de un modo inmediato, como el material hereditario podía ser
duplicado o replicado. Una estructura pasmosamente simple proveía la explicación al
secreto de la herencia: la base material (ADN), la estructura (doble hélice 3-D) y la
función básica (portador de información codificada que se expresa y se transmite
íntegramente entre generaciones) del fenómeno genético era, por fin, inteligible. No
debe sorprendernos que el descubrimiento de la doble hélice se considere el más
revolucionario y fundamental de toda la biología.
1958: Matthew Meselson y Franklin Stahl demostraron que el ADN se replicaba
semiconservativamente. El problema de cómo la secuencia del ARN se traduce en
secuencia proteica se empieza a resolver. Un triplete de bases codifica un aminoácido.
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Rápidamente se establece el flujo de la información genética (el dogma). Ese mismo
año Arthur Kornberg aísla la polimerasa del ADN y un año después Severo Ochoa aísla
la ARN polimerasa, con la que inicia la elucidación del código.
1961: Sidney Brenner, François Jacob y Meselson descubrieron el ARN mensajero.
1966: Marshall Nirenberg y Har Gobind Khorana terminan de desvelar el código
genético.
Simultáneamente a estos descubrimientos, Seymour Benzer publica en 1955 su primer
trabajo sobre la estructura fina del locus rII en el fago T4. En 1961 Jacob y Jacques
Monod proponen el modelo del operón como mecanismo de regulación de la expresión
génica en procariotas. Charles Yanofsky y su equipo demuestran la colinearidad entre
genes y sus productos proteicos en 1964. En 1966 R. Lewontin, J. L. Hubby y H. Harris
aplican la técnica de la electroforesis en gel de proteínas al estudio de la variación
alozímica de las poblaciones naturales, obteniéndose las primeras estimas de la
variación genética de un sinnúmero de especies. La teoría neutralista de la variación
molecular introducida por el japonés M. Kimura en 1968 suministra la primera
explicación satisfactoria al exceso de variación hallada.
Los 70 presencian el advenimiento de las técnicas de manipulación del ADN. En 1970
se aíslan las primeras endonucleasas de restricción y H. Temin y D. Baltimore
descubren la transcriptasa inversa. En 1972 se construye en el laboratorio de Paul Berg
el primer ADN recombinante in vitro. El año 1977 fue pródigo: se publican las técnicas
de secuenciación del ADN de Walter Gilbert y de Frederick Sanger; Sanger y sus
colegas publican, a su vez, la secuencia completa de 5387 nucleótidos del fago f X171;
varios autores descubren que los genes eucariotas se encuentran interrumpidos
(intrones).
Los primeros ratones y moscas transgénicos se consiguen en 1981-82. Thomas Cech y
Sidney Altman, en 1983, descubren la autocatálisis del ARN. Este mismo año M.
Kreitman publica el primer estudio de variación intraespecífica en secuencias de ADN
del locus Adh de Drosophila melanogaster y S. Arnold y R. Lande introducen el
análisis correlacional a los estudios de selección fenotípica en la naturaleza. En 1986
Kary Mullis presentó la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa. En 1990 LapChee Tsui, Michael Collins y John Riordan encontraron el gen cuyas mutaciones
alélicas son las responsables principales de la fibrosis quística. Ese mismo año Watson
y muchos otros lanzan el proyecto del genoma humano para cartografiar completamente
el genoma humano y, finalmente, determinar su secuencia de bases. No es hasta 1995
que se secuencia el primer genoma completo de un organismo celular, el de
Haemophilus influenzae. En 1996 se obtiene en el laboratorio de I. Wilmut el primer
mamífero clónico (la oveja Dolly) obtenido a partir de células mamarias diferenciadas.
La era genómica
El proyecto Genoma humano, con una presupuesto de 3 mil millones de dólares y la
participación de un Consorcio Público Internacional, formado por EEUU, Reino Unido,
Japón, Francia, Alemania, China y otros países, tenía como objetivo principal la
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consecución de la secuencia completa del genoma humano, el texto lineal formado por
la secuencia de las cuatros bases químicas del ADN que contiene las instrucciones para
construir un ser humano. Iniciado en 1990, el proyecto se dio por concluido en el 2003,
dos años antes de lo previsto. Otros objetivos del proyecto eran la secuenciación de
genomas de otros organismos modelos sobre los que se tenía un amplio conocimiento
previo, como la bacteria Escherichia coli, la levadura Saccaromyces cerevisiae, el
gusano Caenorhabditis elegans, o la mosca del vinagre Drosophila melanogaster, y el
considerar las implicaciones éticas, legales y sociales que suscitarían los resultados del
proyecto. Ocho años después del inicio del proyecto público apareció en escena una
empresa privada, Celera genomics, presidida por un brillante y revolucionario
científico, Craig J. Venter, que lanzó el reto de conseguir la secuencia humana en un
tiempo récord, antes del previsto por el Consorcio Público. Proponía una estrategia de
secuenciación alternativa a la secuenciación jerárquica que seguía el Consorcio, la
secuenciación aleatoria (shotgun), con la que había conseguido secuenciar el primer
genoma celular en 1995, el de la bacteria Haemophilus influenzae. Empieza a partir de
ese momento una carrera apasionante por la conquista del genoma humano, que
acabaría finalmente en tablas. El 26 de Junio de 2000, en un acto auspiciado por el
presidente Bill Clinton y que tuvo como escenario la Casa Blanca, se encontraron los
dos máximos representantes de las partes en competición, Venter por Celera, y el
director del Consorcio Público, Francis Collins. Se anunció de forma conjunta la
consecución de dos borradores de la secuencia completa del genoma humano. Las
publicaciones correspondientes de ambas secuencias no aparecieron hasta Febrero de
2001. El Consorcio Público publicó su secuencia en la revista Nature, mientras que
Celera lo hizo en Science. Tres años después, en 2004, el Consorcio publicó la versión
final o completa del genoma humano. El proyecto genoma humano había concluido con
un éxito rotundo y, en palabras de F. Collins, se iniciaba una nueva era de investigación
basada en la genómica que afectaría crucialmente a la biología, a la salud y a la
sociedad. Con ello se inaugura una nueva era, que dada la coincidencia con el nuevo
siglo, bien podríamos definir con el lema, el siglo XXI, el siglo del la Genética
Dogma central de la biología molecular
Es un conjunto de hipotesis que se consideran básicas para la biología celular actual.
1- los genes se componen de ADN y están situados dentro de los cromosomas.
2-Cada gen contiene información codificada en forma de una serie específica de
nucleótidos de purina y pirimidina dentro de la molécula de ADN
3- la unidad de información genética es el CODÓN que es un grupo de tres nucleótidos
adyacentes que especifican un Aa en una cadena de proteínas
4- el código genético es un código tripleto
5- la molécula de ADN consta de dos cadenas complementarias de polinucleótidos arrollados entre sí en una espiral y unidas por enlaces de hidrógeno entre pares específicos
de bases de purina y pirimidina.
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6- la molécula de ADN se duplica cuando las dos tiras de la espiral se separan y cada
una actúa como modelo para la formación de una nueva cadena complementaria. Cada
par de tiras , uno antiguo y uno nuevo se arrollan formando dos espirales hijas.
El dogma central plantea entonces que el ADN origina al ARN , proceso denominado
TRANSCRIPCIÓN.
La excepción al dogma central es la síntesis de ADN a partir de ARN , la cual se realiza
en algunos virus , como el del sarcoma de Rous, por medio de una enzima denominada
ADN POLIMERAZA ARN DEPENDIENTE o TRANSCRIPTASA INVERSA.
Esto también se denomina "inversión del flujo de la información genética".
CONCEPTOS BASICOS
Todos los caracteres de un individuo se producen en forma directa o indirecta por la
presencia de una o más proteínas.
Controlando la fabricación o síntesis de proteínas , se tiene control entonces sobre las
características de un individuo.
El control de la síntesis de proteínas lo tiene el ADN , que también puede transmitir a la
herencia esa información.
La transmisión de célula a célula se efectúa en el momento de la división celular , de la
siguiente manera:
Durante el periodo G1 cada célula tiene una sola copia de la información genética , ya
que tiene una sola copia del ADN.
Durante el periodo S se produce la duplicación del ADN , en la cual se origina una
molécula de ADN exactamente igual que la original , con la misma información para la
síntesis de proteínas y por lo tanto la misma información genética.
Durante el periodo G2 la célula tiene la información duplicada. Durante la mitosis , cada
célula hija recibe una de las dos cadenas del ADN . De esta manera se efectúa la
transmisión de la información genética a las células hijas .
La información genética también se transmite a la descendencia.
En el caso del ser humano debemos recordar que al comienzo de su gestación está formado por una sola célula , la célula huevo o cigota , formada por la unión del óvulo y el
espermatozoide . Durante la fecundación se produce la unión del material genético de la
madre , contenido en el óvulo , con el del padre , contenido en el espermatozoide.
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La forma en que se originan el óvulo y el espermatozoide es algo distinta a la mitosis y
se llama meiosis .Por lo tanto , la transmisión de la información genética a la
descendencia se produce cuando se originan las células germinales , durante el proceso
de meiosis.
Estructura del gen
Un gen es una secuencia de bases del ADN que tiene la información para la síntesis de
una proteína o de una molécula de ARN
Un gen tiene secuencias con código que se denominan exones y secuencias sin código
denominadas intrones . Entre un gen y otro existe una secuencia llamada ADN
espaciador
ARN :
Existen 3 tipos básicos de ARN :
 ARN mensajero : transporta una copia de la información genética desde el
núcleo al citoplasma.
 ARN de transferencia : es el portador de los aminoácidos.
 ARN ribosómico : tiene la maquinaria necesaria para realizar el
síntesis de las proteínas.
proceso de
Descripción de los principales tipos de ARN
ARN mensajero :
Se sintetiza en el núcleo a partir del ADN por un proceso llamado TRANSCRIPCIÓN.
Su secuencia de bases es complementaria a la del ADN que lo origina. La información
genética que se encuentra almacenada en el ADN es copiada por el ARN , que luego
pasa al citoplasma y utiliza la información para la síntesis de las proteínas.
Hemos dicho que la información genética es la información sobre la síntesis de
proteínas.
La información que indica cual es cada uno de los Aa de cada proteína es un triplete de
nucleótidos llamado codón.
Cada codón equivale en el código genético a un aminoácido.
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El ARNm se une al de transferencia por la interacción del codón con el anticodón , que
es una secuencia de tres nucleótidos del ARN t.
También se une con el ARN r.
Es el molde para la síntesis de proteínas.
El ARNm se origina a partir del pre ARNm o ARNm inmaduro , el cual es producido
por la transcripción del ADN . Tiene la copia de los intrones y los exones.
Después de originado se transforma en el ARNm maduro o definitivo por un
mecanismo llamado PROCESAMIENTO
CISTRON:
El total de codones que tienen la información para la síntesis de una proteína completa ,
se llama cistron. Es el equivalente del gen del ADN . El termino gen se utiliza cuando se
trata de ADN , el termino cistrón , cuando se trata de ARNm
Una molécula de ARN puede tener un sólo cistrón (monocistrónico) o varios cistrones
(policistrónico) , pudiendo por lo tanto controlar la síntesis de varias proteínas.
Estructura del ARNm
Tiene el extremo 5' cubierto por un capuchón o cap, que es una estructura de 7metilguanosina , y una cola de 100 a 200 nucleótidos de adenina en el extremo 3' , que
le confiere estabilidad.
ARN de transferencia :
Son moléculas de ARN pequeñas que portan un Aa y lo llevan hasta el ribosoma , para
que se una con otros en la síntesis de proteínas.
El Aa que se encuentra unido al ARNt no puede ser cualquiera , sino que depende de
una secuencia de tres bases , llamada anticodón. De acuerdo al anticodón que tenga el
ARNt , será el Aa que lleve unido. Es fundamental que la unión del Aa se efectúe con el
ARNt que le corresponde y no con otro Dicha unión la efectúa una enzima llamada
enzima activante o aminoacil - transfer - sintetasa
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CARACTERÍSTICAS COMUNES A TODOS LOS ARNt
1- Estructura bidimensional en forma de hoja de trébol , llamado modelo de Holley
2- Secuencia de bases fija CCA en el extremo 3' que es el que se une al aminoácido ,
llamado extremo aceptor.
3- Tiene una mayor proporción de bases modificadas como por ejemplo
 seudouridina
 ácido inosilico
 metilcitosina
 metilguanina
 ribotimida
4- Anticodón :tiene las 3 bases que se aparean por puentes de hidrógeno al codón del
ARNm
5- Asa "D"
6- ASA "T"
7- ASA
Tridimensionalmente tendría forma de L , ya que las asas "D" y "T" se encuentran
plegadas y unidas por puentes de hidrógeno.
Cada molécula de ARNt se origina como todo ARN a partir del ADN , por el proceso
de transcripción .
Al igual que los otros tipos de ARN , el de transferencia también se origina en forma de
un precursor , un ARNt más grande , llamado ARN preT, que luego se transforma en
ARNt por un mecanismo llamado procesamiento.
ARN Ribosómico : es el que constituye el ribosoma
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DUPLICACIÓN DEL ADN :
Proceso por el cual se forman dos moléculas de ADN a partir de una primitiva.
Presenta las siguientes características :
1- ES SEMICONSERVADORA :
Hipótesis de la duplicación del ADN
* Hipótesis semiconservativa: formulada por Watson y Crick. En una doble hélice
cada hebra servirá de molde y, mediante la complementariedad de bases, se formará una
hebra copia de cada hebra molde, quedando al final dos dobles hélices formadas por una
hebra antigua (molde) y una hebra nueva (copia). En 1957, experimentos realizados por
Meselson y Stahl confirmaron esta hipótesis.
* Hipótesis conservativa: tras la duplicación quedan dos hebras antiguas y dos hebras
nuevas formando una doble hélice. No es correcta .
* Hipótesis dispersa: se propone que las hebras están formadas por fragmentos
distintos de ADN antiguo y ADN recién sintetizado. . No es correcta
2- ES SECUENCIAL :
Significa que todo el ADN se duplica una sola vez y en una secuencia determinada y ,
una vez que se duplico , se bloquea la duplicación por un mecanismo desconocido
hasta ahora.
3- ES ASINCRÓNICA :
No todo el ADN se duplica al mismo tiempo.
La asincronía puede ser
a- intercromosómica : el ADN de cada uno de los cromosomas no se duplica al
mismo tiempo que el de los otros.
b- intracromosómica : el ADN del propio cromosoma no se duplica todo al
mismo tiempo.
Por ejemplo , las regiones heterocromáticas lo hacen más tardíamente.
4- ES BIDIRECCIONAL :
Significa que , a partir de un punto la duplicación avanza hacia los dos sentidos
simultáneamente.
En el ADN mitocondrial y bacteriano es unidireccional.
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5- ES MULTIFOCAL : comienza en varios puntos de la molécula al mismo tiempo .
En el ADN bacteriano comienza en un solo punto .
MECANISMO MOLECULAR DE LA DUPLICACIÓN :
1- desenrollamiento de la doble hélice en un sitio determinado de la molécula
2- separación de las dos cadenas
3- colocación en fase de los nucleótidos complementarios.
4- unión de los nucleótidos por acción de la enzima ADN polimerasa 5'--3'
5- enlace por puentes de H
Sistemas enzimáticos que intervienen en la duplicación del ADN:
a-ADN POLIMERASAS :
Existen 3 tipos llamadas poli I , poli II y poli III. En las células procariontes
En general catalizan la síntesis de enlaces internucleotídicos en la nueva cadena de
ADN.
Siempre actúan en sentido 5'--3' , por lo que una cadena del ADN se copia en forma
continua y otra en forma discontinua.
Debe existir para que esta enzima actúe , ADN preformado con función de patrón o
molde (TEMPLATE), que es el ADN original que se va a duplicar y ÁCIDO
NUCLÉICO cebador (PRIMER) , ya que la enzima puede sintetizar ADN sólo cuando
ya hay una primera parte formada previamente.
ADN POLIMERASA I :
Es una EXONUCLEASA que reconoce y elimina por hidrolisis las bases mal apareadas
, con respecto a la cadena progenitora.
Esto lo hace antes de la duplicación (lectura de prueba) , durante la duplicación , y
también luego de la duplicación para corregir errores introducidos por mutación.
Es la enzima reparadora del ADN.
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ADN POLIMERASA II : es una enzima que interviene en la reparación del ADN
ADN POLIMERASA III :
Es la verdadera enzima duplicadora del ADN
El estudio in vitro de la duplicación del ADN fue posible gracias al aislamiento de la
enzima ADN-polimerasa por Kornberg. Esta enzima es incapaz de iniciar una cadena de
novo; requiere la presencia de un extremo libre del carbono 3' de un nucleótido, para
poder ir añadiendo los nucleótidos nuevos. Este extremo 3' libre lo aporta el cebador o
«primer», que es una porción pequeña de nucleótidos complementaria al extremo de la
cadena patrón. Por tanto, la cadena naciente siempre crecerá en el sentido 5'®3'. El
primer nucleótido de la cadena nueva tiene un extremo 5' libre; se irán añadiendo
nucleótidos a los extremos 3' libre y se irán formando los enlaces fosfodiester 3'®5', de
forma que el último nucleótido tendrá libre el carbono 3'.
Los nucleótidos se añadirán siguiendo las reglas de la complementariedad de bases, de
manera que la nueva hebra sintetizada será antiparalela y complementaria a la patrón.
b- ADN LIGASA:
Repara roturas del ADN
c- ARN POLIMERASA ADN DEPENDIENTE :
Actúa en la iniciación de la duplicación .
Su función es transcribir un pequeño segmento de ADN formando ARN , que actúa
luego como cebador para la posterior formación de ADN
MECANISMO MOLECULAR DE LA DUPLICACIÓN :
La secuencia de nucleótidos en el origen de replicación del ADN actúa como
señal de iniciación. La duplicación comienza en 30.000 puntos del ADN casi
simultáneamente. Cuando la célula debe duplicar el ADN en poco tiempo ,
comienza en los 30.000 puntos al mismo tiempo , pero cuando debe hacerlo más
lentamente , cuando tiene más tiempo , comienza en menos puntos , lo cual está
regulado genéticamente. Por lo tanto la velocidad de la replicación depende de la
cantidad de puntos de replicación que se inician simultáneamente.
2. La enzima helicasa separa las dos hebras de la doble hélice para que sirvan de
molde. El desenrollamiento de la hélice da lugar al super enrollamiento en los
extremos de la horquilla de replicación, actuando entonces las enzimas
topoisomerasas que liberan esta tensión. La topoisomerasa I corta una hebra y
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la topoisomerasa II (denominada girasa en E. coli) las dos. Una vez liberada la
tensión vuelven a sellar la doble hélice.
Mientras se separan las dos hebras se van uniendo las proteínas estabilizadoras
(SSB), de forma que se mantengan separadas ambas hebras y se estabilice la
horquilla de replicación.
El proceso de duplicación es bidireccional; hay dos horquillas de replicación
por cada burbuja de replicación.
La primasa (una ARN-polimerasa) sintetiza los fragmentos de ARN que sirven
de cebador (primer) para la ADN-polimerasa. La ADN polimerasa puede
sintetizar ADN sólo cuando ya ha comenzado la síntesis . Puede continuar , pero
no puede comenzar a fabricar ADN , por lo cual es necesario que exista un
fragmento en el cual la ADN polimerasa pueda "engancharse" y continuar o
alargar dicho fragmento. Como no hay ninguna enzima que pueda comenzar a
formar ADN , la única solución es que se comience formando ARN que sirva
como principio . La ARN polimerasa ADN dependiente es la que sintetiza
pequeños trozos de ARN de 50 a 100 nucleótidos , con función de cebador.
Obsérvese la aparente paradoja de que para duplicar el ADN se comienza
formando ARN.
La ADN-polimerasa III incorpora en dirección 5'®3' los nucleótidos, formando
una nueva hebra de crecimiento continuo denominada hebra conductora.
Sobre la otra hebra antiparalela, primero, a unos mil nucleótidos del origen de
replicación, se sintetizarán unos cincuenta nucleótidos de ARN cebador que
servirán para que la ADN-polimerasa III incorpore los desoxinucleótidos,
formándose los fragmentos de Okazaki a medida que se va abriendo la horquilla.
Una vez formados, la ADN-polimerasa I, gracias a su función exonucleasa, irá
eliminando los tramos de ARN y los irá rellenando con ADN, sintetizados
gracias a su actividad polimerasa.
Finalmente interviene la ADN-ligasa, que empalma entre sí los distintos
fragmentos de la hebra de crecimiento discontinuo, denominada hebra
retardada.
Todo esto ocurre a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo en los eucariontes.
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TRANSCRIPCIÓN Y PROCESAMIENTO DEL ARN
Es la formación de ARN a partir de ADN.
No se forma directamente el ARN definitivo , sino que se forma un precursor llamado
TRANSCRITO PRIMARIO ,que luego se transforma en el producto final o ARN
maduro por un mecanismo llamado PROCESAMIENTO DEL ARN.
LUGAR DE LA TRANSCRIPCIÓN :
1- TRANSCRIPCIÓN DEL ARN m:
Se origina en genes llamados estructurales que se encuentran fuera del ADN
organizador nucleolar.
2- TRANSCRIPCIÓN DEL ARNt:
Se origina en genes llamados determinantes que están fuera del organizador nucleolar.
Tiene 4s.
3- TRANSCRIPCIÓN DEL ARNr:
a- ARN 28 , 18s y 5,8s : Se originan a partir de ARN 45 s , el cual se
origina en genes determinantes que están dentro del organizador nucleolar (ADN
ribosómico).
b- ARN 5s : Se origina en genes determinantes fuera del nucléolo.
MECANISMO MOLECULAR DE LA TRANSCRIPCIÓN :
Actúa la ARN POLIMERASA ADN DEPENDIENTE .
En eucariotas existen tres tipos de ARN-polimerasa, según el ARN que se va a
sintetizar: ARNm, ARNt y ARNr.
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MECANISMOS DE PROCESAMIENTO DEL ARN :
El transcrito primario puede modificarse por alguno de los siguientes procesos :
1- clivaje o corte : es la división de una molécula grande para formar
varios segmentos de ARN más chicos .
2- empalme: se sacan partes internas de la molécula que luego vuelve a
empalmarse.
3- alargamiento : se agregan segmentos al final del trascrito primario que
es más corto que el producto final.
4- modificación : cambios químicos en los nucleótidos.
Procesamiento del ARNm a partir del precursor llamado Arman



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Adición de una caperuza o protección por el extremo 5' del ARN-han que entre
otras cosas lo protege de su degradación por dicho extremo. Esta caperuza
("capping" o abreviadamente tapón o "cap") consiste en la adición de un residuo
de 7-metilguanosina mediante el establecimiento de un enlace trifosfato. Otra
posible función de la caperuza del extremo 5'P es la suministrar una estructura
que sea reconocible por el ribosoma para iniciar la traducción.
Adición por el extremo 3' de una cola de Poli-A, esta cola de poli-A consiste en
la adición de 150 a 200 residuos de adenina por el extremo 3'. En primer lugar
una endonucleasa corta el ARN y después una Poli A polimerasa añade la cola
de Poli A. La longitud de la cola de Poli A varia en eucariontes, es de 150 a 200
nucleótidos en células de mamíferos, y de 50 a 60 residuos en levaduras. La
función de la cola de Poli A se cree que puede servir para evitar la degradación
del ARN por ese extremo e intervenir en el transporte del ARN hacia el
citoplasma.
Eliminación de segmentos interiores del ARN-han. Los genes en eucariontes
están fragmentados, de manera, que poseen regiones que se traducen a
aminoácidos en la secuencia del polipéptido y que se denominan Exones y,
regiones que no se traducen a aminoácidos en el polipéptido y que se denominan
Intrones. Cuando la región de ADN correspondiente a un gen se transcribe, el
ARN-han recién transcrito contiene los Exones y los Intrones, y durante el
procesamiento posterior se van a eliminar los Intrones o regiones que no se
traducen a aminoácidos en el polipéptido. Esta eliminación de los Intrones que
tiene lugar durante el procesamiento no suele afectar al orden relativo de los que
tenían los Exones en el ADN.
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TRADUCCIÓN DEL ARN :
El ARN originado utilizando como molde al ADN , lleva entonces una copia de la
información genética para la síntesis de proteínas.
Una vez originado , pasa al citoplasma y se asocia con los ribosomas , para la síntesis de
proteínas, que es la expresión del código genético.
Consta de 3 pasos :
1-iniciacion
2-elongación
3-terminacion
1- INICIACION :
En la iniciación de la cadena polipeptídica intervienen el primer ARN-t, o ARN-t
iniciador de la traducción que habitualmente es el ARN-t-Formilmetionina, las
subunidades ribosomales, el ARN-m, enzimas, los factores de iniciación IF1, IF2 e IF3
y una fuente de energía como GTP. Las subunidades ribosomales están separadas
cuando no están ocupadas en la síntesis de polipéptidos. Para poder iniciar la traducción
es necesario que ambas subunidades se ensamblen. Se pueden distinguir tres fases en el
proceso de iniciación:



Fase 1: Unión del mensajero (ARN-m) a la subunidad pequeña 30S de los
ribosomas estimulada por la acción del factor IF3.
Fase 2: El ARN-t-iniciador (ARN-t-Formilmetionina) se une al factor IF2 y a
GTP y se situa en la Sede P.
Fase 3: Unión de las dos subunidades ribosomales 30S y 50S mediante la
hidrólisis del GTP unido a IF2 catalizada por una proteína ribosomal. Una vez
unidas ambas subunidades se sueltan o disocian los factores IF2 e IF3. La
función de IF1 no se conoce con exactitud aunque se cree que interviene en el
proceso del reciclado de los ribosomas.
El lugar del mensajero (ARN-m) al que se debe unir el ribosoma para comenzar la
traducción, o la selección de los codones de iniciación correctos del ARN-m en
bacterias, parece llevarse a cabo gracias a la existencia de unas secuencias cortas que
preceden a los codones de iniciación y que son complementarias de secuencias del
extremo 3' del ARN-r 16S de la subunidad pequeña (30S) de los ribosomas. Dichas
secuencias fueron detectadas por Shine y Dalgarno (1974) y se las ha denominado
secuencias Shine-Dalgarno. En eucariontes no se han detectado estas secuencias en el
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ARN-r 18S y la traducción comienza siempre por el triplete AUG más cercano al
extremo 5' del ARN-m. Se ha propuesto que el ribosoma se une al ARN-m por su
extremo 5' con el capuchón o cap y se movería hacia el extremo 3' hasta encontrar el
primer AUG.
La señal de iniciación entonces es el codón AUG que , cuando está al comienzo de una
cadena codifica la incorporación de formilmetionina . El ribosoma tiene la capacidad de
reconocer cuando el codón AUG está al comienzo de un mensaje.
En las células procariontes el primer complejo Aa-ARNt , por lo tanto , es la formil
metionina , y entonces el primer aminoácido de toda cadena proteica recién formada es
la formil metionina que luego es eliminada , ya que las proteínas no comienzan todas
por ese aminoácido..
Cuando el codón AUG está , no en el comienzo , sino dentro de la secuencia de bases ,
el ribosoma lo reconoce de otra manera y el aminoácido que se incorpora es la
metionina .
En las eucariontes es la metionina y no la formil-metionina el primer aminoácido.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA INICIACION:
SON UNA SERIE DE PROTEÍNAS llamadas IF QUE ACTÚAN EN LA
INICIACION DE LA TRADUCCIÓN.
2- ELONGACIÓN :
Es el agregado a la cadena de los Aa que corresponden a cada codón.
Una vez formado el complejo de iniciación se puede comenzar la elongación del
polipéptido. La elongación o crecimiento de la cadena polipeptídica tiene lugar en
esencia mediante la formación de enlaces péptídicos entre los aminoácidos sucesivos.
Intervienen en este proceso, el peptidil-ARN-t, los aminoacil-ARN-t, ribosomas, ARNm, enzimas, factores proteicos de elongación EF-Tu, EF-Ts y EF-G y fuentes de energía
como GTP. Se pueden distinguir cuatro fases esenciales en el proceso de elongación:

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
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Fase 1: El aminoacil-ARN-t correspondiente al siguiente triplete del ARN-m
entra en el sitio A del ribosoma gracias a la intervención del factor EF-Tu.
Fase 2: La transferencia de la cadena peptídica del peptidil-ARN-t que está en la
Sede P al aminoacil-ARN-t nuevo que ha entrado en la sede A. Esta reacción
está catalizada por un enzima que es la peptidil-transferassa.
FASE 3 :Después el ribosoma avanza un codón sobre el ARN-m en la dirección
5'→3' (se transloca).
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FASE 4 : se libera el ARN-t descargado que estaba en la sede P y al moverse el
ribosoma el péptidil-ARN- t recién formado que estaba en la sede A pasa a
ocupar la sede P.
Estas 4 fases del proceso de elongación se repiten tantas veces como aminoácidos posea
el polipétido sintetizado
FACTORES DE LA ELONGACIÓN:
Son una serie de proteínas llamadas EF
3- TERMINACION :
La terminación de la cadena polipeptídica en bacterias tiene lugar cuando los ribosomas
en su avance a lo largo del ARN-m se encuentran con cualquiera de los siguientes
tripletes de terminación o codones de fin: UAA, UAG y UGA. Además, durante la
terminación intervienen los factores proteicos de terminación RF1, RF2 y RF3. No hay
ningún ARN-t que reconozca a los tripletes de terminación, son los factores de
terminación o liberación los que se encargan de reconocer los codones de STOP. El
factor RF1 reconooce los codone UAA y UAG y el factor RF2 identifica a los codones
UAA y UGA. El factor RF3 también colabora en la reacción de terminación. Cuando el
peptidil-ARN-t está en la sede P los factores de terminación en respuesta a la existencia
de un codón de terminación en el ARN-m entran en la sede A. Como consecuencia el
polipéptido se libera de la sede P, se disocian las dos subunidades del ribosoma y se
libera el ARN-t que estaba en la sede P. Esta reacción de terminación se lleva a cabo
mediante la hidrólisis de GTP.
FACTORES DE LA TERMINACION :
Son proteínas llamadas RF
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