El núcleo celular contiene cromatina, con aspecto granuloso cuando
la célula no se divide. Con la célula en división la
cromatina se condensa y forma una estructura que
son los cromosomas.
2) Expresión génica es el proceso por el cual se utiliza la
información de un gen en la síntesis de
un producto génico funcional. Estos productos son a menudo las
proteínas, pero en los genes que no codifican proteínas como
los genes rRNA o genes tRNA, el producto es un ARN funcional. El proceso de expresión de los genes es utilizada por toda
la vida conocida - eucariotas (incluidos los organismos multicelulares),
procariotas (bacterias y arqueas) y virus - para generar la maquinaria
macromoleculares para la vida.
El proceso se divide en dos, transcripción y traducción.
La transcripción del ADN es el primer
proceso de la expresión génica y trascurre en el
núcleo de la célula, mediante el cual se transfiere la
información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia
de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios. Durante la
transcripción genética, las secuencias de ADN son
copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa que
sintetiza un ARN mensajero que mantiene la
información de la secuencia del ADN. De esta manera, la
transcripción del ADN también
podría llamarse síntesis del ARN mensajero.
La traducción es el segundo proceso de la síntesis
proteica (parte del proceso general
dela expresión génica). La traducción ocurre tanto en
el citoplasma, donde se encuentran los ribosomas, como también
en el retículo endoplasmatico rugoso (RER). Los ribosomas estan formados por una subunidad
pequeña y una grande que rodean al ARNm. En la traducción,
el ARN mensajero se decodifica para producir un polipéptido específico
de acuerdo con las reglas especificadas por el código
genético. Es el proceso que convierte una secuencia de
ARNm en una cadena de aminoacidos para formar una proteína.
Es necesario que la traducción venga precedida de un
proceso de transcripción. El proceso de traducción tiene
cuatro fases: activación, iniciación, elongación y
terminación (entre todos describen el crecimiento de la cadena de
aminoacidos, o polipéptido, que es el producto de la
traducción).
3) Las secuencias de ADN (o ARN, en el caso de algunos virus) que
constituyen la unidad fundamental, física y funcional de la herencia se
denominan genes. Cada gen contiene la información necesaria para la
síntesis de una macromolécula con función celular
específica, habitualmente proteínas pero
también ARNm, ARNr y ARNt. Esta función puede
estar vinculada con el desarrollo o funcionamiento de una función
fisiológica. El gen es considerado la unidad de almacenamiento de
información genética y unidad de la herencia, pues transmite
esa información a la descendencia.
El conjunto de genes de una especie, y por tanto de los
cromosomas que los componen, se denomina genoma. Los
genesestan localizados en los cromosomas en el núcleo celular.
Los genes se ubican en posiciones determinadas en
los cromosomas. Se denomina cromosoma a cada uno de los
pequeños cuerpos en forma de bastoncillos en que se organiza
la cromatina del núcleo
celular durante las divisiones celulares (mitosis y meiosis).
La cromatina es el conjunto
de ADN, histonas y proteínas no
histónicas que se encuentra en el núcleo de
las células eucariotas y que constituye elcromosoma eucariótico.
El genotipo es la totalidad de la información genética
que posee un organismo en particular, en forma
de ADN. Junto con la variación ambiental que influye sobre el
individuo, codifica su fenotipo. De otro modo,
el genotipo puede definirse como
el conjunto de genes de un organismo y el fenotipo como el conjunto
de rasgos de un organismo.
4) Un ribonucleótido es un nucleótido formado
por la unión de una purina o una pirimidina y una
molécula de ribosa. Es un
nucleótido del ARN que esta formado por una
molécula de fosfato, un azúcar (la ribosa) y una base que
puede ser: uracilo, la adenina, la citosina o la guanina.
Los desoxirribonucleótidos son
los monómeros que constituyen el ADN. Y poseen la
misma estructura que los nucleótidos :
una base nitrogenada (un compuesto
cíclico con atomos de nitrógeno)
un grupo fosfato
una pentosa (monosacarido de cinco carbonos), en
este caso la desoxirribosa.
La gran diferencia entre un ribonucleótido y un
desoxirribonucleótido seencuentra en la molécula de azúcar
(ribosa y desoxirribosa, respectivamente).
Esta imagen nos muestra la diferencia entre las
moléculas de azúcar. A la izquierda se encuentra
la ribosa, y señalado con una flecha, se encuentra el grupo
funcional hidroxilo (OH), que no se encuentra en la desoxirribosa
(derecha). Es justamente por este motivo que se le
llama Desoxi-ribosa, ya que no posee ese grupo hidroxilo, y por ende, a
los nucleótidos que incorporan esta azúcar a su estructura se les
denomina desoxirribonucleótidos.
Técnicamente, el carbono indicado con la flecha, es llamado
el Carbono 2' o 2'-C, debido a convenciones químicas de
prioridad atómica en moléculas cíclicas (o sea, anillos).
Cuatro son las base nitrogenadas presentes en los
desoxirribonucleótidos:
adenina, timina, guanina y citosina. El uracilo forma
parte de los ribonucleótidos y la timina esta presente
en los desoxirribonucleótidos, y en muy raras ocasiones se presenta el
caso contrario.
5) Un polinucleótido es una
molécula organica del polímero abarcada de los
monómeros del nucleótido covalente
enlazados en una cadena por puentes fosfato entre oxígenos en 5´y
en 3´. Los polinucleótidos tienen extremos
5´y 3´. El extremo 3´se localiza en el
nucleótido que utiliza sólo su oxígeno en 5´para
enlazarse a otro nucleótido. El
extremo 5´en el que sólo utiliza el oxígeno en 3´
para enlazarse a la cadena. Un
polinucleótido puede concebirse como
constituido por un esqueleto de grupos pentosay fosfato del que cuelgan las bases. Por ejemplo:
el ADN y el ARN.
6) El acido desoxirribonucleico ADN: es un acido
nucleído que contiene la información genéticas
utilizada en el desarrollo y funcionamiento de todos
los organismos vivos y algunos virus; es responsable de su
transmisión hereditaria. La principal función del
ADN es el almacenamiento a largo plazo de información
genética. El ADN contiene las instrucciones necesarias para construir
otros componentes de las células, como
las proteínas y las moléculas de ARN. Los genes son los
segmentos de ADN que llevan esta información genética, pero las
otras secuencias de ADN tienen propósitos estructurales o toman parte en
la regulación del uso de esta información
genética.
Químicamente, el ADN es un
polinucleótido (polímero de nucleótidos), es
decir que esta formado por nucleótidos y cada nucleótido,
a su vez, esta formado por un azúcar (la desoxirribosa
), una base nitrogenada, que puede ser purina (adenina→A
- timina→T) o pirimidina (citosina→C - guanina→G)
que se unen y se complementan, y por ultimo, un grupo fosfato que
actúa como unión de cada nucleótido con el
siguiente. Lo que distingue a un nucleótido
de otro es la base nitrogenada, y por ello la secuencia del ADN se especifica
nombrando sólo la secuencia de sus bases. La disposición
secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la
cadena es la que codifica la información genética. En los
organismos vivos, el ADN se presenta como unadoble cadena de
nucleótidos, en la que las dos hebras estan unidas entre
sí por puentes de hidrógeno.
Los organismos eucariotas (por ejemplo, animales, plantas,
y hongos) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo
celular y una mínima parte en elementos
celulares llamados mitocondrias, y en los plastos y los
centros organizadores
de microtúbulos o centríolos, en caso de tenerlos;
los organismos procariotas (bacterias y arqueas) lo
almacenan en elcitoplasma de la célula, y, por último,
los virus ADN lo hacen en el interior de
la capsida de naturaleza proteica.
El acido ribonucleico (ARN o RNA) es un acido nucléico formado por una
cadena deribonucleótidos. Esta presente tanto en
las células procariotas como en
las eucariotas, y es el único material genético de ciertos
virus (virus ARN). El ARN celular es lineal y de hebra
sencilla, pero en el genoma de algunos virus es de doble hebra.
En los organismos celulares desempeña diversas
funciones. Es la molécula que dirige las etapas intermedias
de la síntesis proteica, el ADN utiliza ARN para
transferir esta información vital durante la
síntesis de proteínas (producción de las proteínas
que necesita la célula para sus actividades y su desarrollo). Varios tipos de ARN regulan la expresión génica,
mientras que otros tienen actividad catalítica. El ARN es mucho mas versatil que el ADN.
7) El modelo de Watson y Crick:
James Watson y Francis Crick se dedicaron a examinar y
constatar todos losdatos existentes acerca del DNA, y a unificarlos en una
síntesis significativa. Watson y Crick intentaron construir un modelo de DNA que concordara con los hechos conocidos y
explicara su papel biológico. Para llevar la gran cantidad de información genética, las
moléculas debían ser heterogéneas y variadas.
Reuniendo los diferentes datos, los dos científicos
fueron capaces de deducir que el DNA es una doble hélice, entrelazada y
sumamente larga. Si se tomase una escalera y se la torciera para formar
una hélice, manteniendo los peldaños perpendiculares, se
tendría un modelo de la molécula de DNA.
Los dos parantes o lados de la escalera estan
constituidos por moléculas de azúcar y fosfato alternadas.
Los peldaños perpendiculares de la escalera
estan formados por las bases nitrogenadas adenina, timina, guanina y
citosina. Cada peldaño esta formado por dos bases, y cada
base esta unida covalentemente a una unidad azúcar-fosfato. En la
doble hélice, las bases enfrentadas se aparean y permanecen unidas por
puentes de hidrógeno, esos puentes relativamente débiles que
Pauling había encontrado en sus estudios sobre la estructura de las
proteínas. De acuerdo con las mediciones efectuadas mediante rayos X,
las bases apareadas (los peldaños de la escalera) debían ser
siempre combinaciones de una purina con una pirimidina.
Cuando Watson y Crick analizaron los datos, armaron modelos
reales de las moléculas usando alambre y hojalata, ensayando
dónde podía encajar cadapieza en el rompecabezas tridimensional.
A medida que trabajaban con los modelos, advirtieron que los nucleótidos
situados en cualquiera de las cadenas de la doble hélice podían
acoplarse en cualquier orden o secuencia. Dado que una molécula de DNA
puede tener miles de nucleótidos de largo, es posible obtener una gran
variedad de secuencias de bases diferentes, y la variedad es uno de los
requisitos primarios del material genético.
Notaron también que la cadena tiene dirección: cada grupo fosfato
esta unido a un azúcar en la posición 5' -el quinto
carbono en el anillo de azúcar- y al otro azúcar en la
posición 3' -el tercer carbono en el anillo de azúcar-.
Así, la cadena tiene un extremo 5' y un extremo
3'.
Sin embargo, el descubrimiento mas grande ocurrió cuando Watson y
Crick comenzaron a construir la cadena complementaria. Encontraron
otra restricción interesante e importante. No solamente las
purinas no podrían aparearse con purinas, ni las pirimidinas con
pirimidinas, sino que, a causa de las estructuras particulares de las bases, la
adenina sólo podía aparearse con la timina, formando dos puentes
de hidrógeno (A=T) y la guanina solamente con la citosina, formando tres
puentes de hidrógeno (G=C). Las bases apareadas eran
complementarias.
Las dos cadenas corren en direcciones opuestas, es decir, la dirección
desde el extremo 5' al 3' de cada cadena es opuesta y se dice que las cadenas
son antiparalelas. Aunque los nucleótidos dispuestos a
lo largode una cadena de la doble hélice pueden presentarse en
cualquier orden, su secuencia determina el orden de los nucleótidos en
la otra cadena. Esto es necesariamente así, porque las bases son
complementarias (G con C y A con T).
La estructura de doble hélice del
DNA, como fue
presentada en 1953 por Watson y Crick.
El armazón de la hélice esta compuesto
por las unidades azúcar-fosfato de los nucleótidos. Los
peldaños estan formados por las cuatro bases nitrogenadas,
adenina y guanina (purinas) -cada una de ellas con un
anillo doble en su estructura- y timina y citosina (pirimidinas), mas
pequeñas, cada una con un sólo anillo. Cada
peldaño esta formado por dos bases. El
conocimiento de las distancias entre los atomos fue crucial para
establecer la estructura de la molécula de DNA. Las distancias
fueron determinadas con fotografías de difracción de rayos X del
DNA, tomadas por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.
La estructura de doble cadena de una porción de una molécula de
DNA.
En el modelo de Watson y Crick, cada nucleótido consiste en un azúcar desoxirribosa, un grupo fosfato y una base
púrica o pirimídica. Nótese la secuencia
repetida azúcar-fosfato-azúcar-fosfato que forma el esqueleto de
la molécula. Cada grupo fosfato esta unido al carbono 5'
de una subunidad de azúcar y al carbono 3' de la subunidad de
azúcar del
nucleótido contiguo. Así, la cadena de DNA tiene un extremo 5' y
un extremo 3' determinados por estos carbonos 5' y 3'. Lasecuencia de bases
varía de una molécula de DNA a otra.Las
cadenas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno (representados
aquí por guiones) entre las bases. Nótese que
la adenina y la timina pueden formar dos puentes de hidrógeno, mientras
que la guanina y la citosina pueden formar tres. Dados estos
requerimientos de enlace, la adenina puede aparearse sólo con la timina
y la guanina sólo con la citosina. Así, el orden de las bases en
una cadena -TTCAG- determina el orden de las bases en la otra cadena -AAGTC. Las cadenas son antiparalelas, es decir, la dirección desde
el extremo 5' a 3' de una es opuesta a la de la otra.
8) La transmisión de información implica que el ADN es capaz de
duplicarse de manera de obtener dos moléculas iguales a partir de la
molécula inicial. Este proceso se
llama replicación. De esta manera de una molécula de
ADN única, se obtienen dos o mas 'clones' de la
primera.
Semiconservación: Luego del
descubrimiento de la estructura del ADN, en 1957, dos biólogos moleculares
americanos, Matthew Stanley Meselson y Frank Stahl demostraron que este
se replica de una manera semiconservativa, es decir que la nueva
cadena se sintetiza utilizando una de las hebras preexistentes como molde. Las moléculas de ADN
“hijas” estan formadas por una cadena nueva y una original
que sirve como
molde. Con nitrógeno 15 (un isótopo radiactivo), ya que el
nitrógeno es necesario para la síntesis de las bases que componen
el ADN, y usando sucesivasgeneraciones de bacterias Escherichia coli, estos
científicos mostraron que cuando el ADN se duplica, cada una de sus
cadenas pasa a las células hijas sin cambiar y actúan de molde o
patrón para formar una segunda hebra y completar así las dos
doble cadenas.
El origen de replicación: La cantidad de ADN que
se puede sintetizar a partir de un único origen de replicación se
denomina replicón o unidad funcional de replicación.
El genoma bacteriano es un replicón
único circular. En organismos eucarióticos, la
replicación del ADN se inicia en múltiples orígenes a la vez , es decir, hay varios replicones.
Secuencialidad: Desde los orígenes la replicación avanza de
forma secuencial. Esto fue descubierto por
Sueoka y Yoshikawa (1963) que realizaron estudios
genéticos de complementación de mutaciones que les permitió
deducir que la replicación sigue un orden (es
secuencial).
La replicación avanza en forma de horquilla: Debido a que en
la célula ambas cadenas de la doble hélice
de ADN se duplican al mismo tiempo, éstas deben separarse para
que cada una de ellas sirva de molde para la
síntesis de una nueva cadena. Por eso, la
replicación avanza con una estructura en forma de
horquilla formandose una burbuja u ojo de
replicación que avanza en dirección a la región de
ADN no duplicado dejando atras los dos moldes de ADN de cadena simple
donde se esta produciendo la replicación.
Bidireccionalidad
El movimiento de la horquilla es bidireccional, esto quiere decir que
apartir de un punto se sintetizan las dos cadenas en
ambos sentidos. Esto ocurre en la mayoría de los organismos,
pero se dan excepciones en algunos procariontes debido a que los
mecanismos de replicación que tienen lugar dependen de la propia
estructura de su material hereditario.
La evidencia experimental del crecimiento bidireccional de
la hebra de ADN viene dada por una técnica basada en el
marcaje radiactivo del ADN usando timidina marcada
con tritio. Primero se añade timidina marcada y
luego sin marcar, y siguiendo el rastro de tritio se observa hacia dónde
se ha replicado la molécula de ADN. También
se puede, mediante el recuento de copias de genes marcadores, determinar
si la replicación es unidireccional o bidireccional. Otras
técnicas se basan en medir la distancia desde los ojos de
replicación hasta los extremos de un ADN lineal
(o circular convertido en lineal mediante enzimas de restricción).
Semidiscontinuidad: La replicación siempre se produce en sentido 5' →
3', siendo el extremo 3'-OH libre el punto a partir del cual se produce la
elongación del ADN. Esto plantea un
problema, y es que las cadenas tienen que crecer simultaneamente a pesar
de que son antiparalelas, es decir, que cada cadena tiene el extremo 5'
enfrentado con el extremo 3' de la otra cadena. Por ello, una
de las cadenas debería ser sintetizada en dirección 3' →
5'.
Este problema lo resolvieron los científicos japoneses Reiji
Okazaki y Tsuneko Okazaki en la década de1960, al
descubrir que una de las nuevas cadenas de ADN se sintetiza en forma de trozos
cortos que, en su honor, se denominan fragmentos de Okazaki.
La cadena que se sintetiza en el mismo sentido que avanza la horquilla de
replicación se denomina hebra adelantada y se sintetiza de forma
continua por la ADN polimerasa, mientras que la que se sintetiza en
sentido contrario al avance se denomina hebra rezagada o retrasada, cuya
síntesis se realiza de forma discontinua teniendo que esperar a que la
horquilla de replicación avance para disponer de una cierta longitud de
ADN molde.
9) El flujo de información genética:
El flujo de información dentro de la célula:
El 'dogma central de la biología', definido en 1957 por
Francis Crick, establece que la información
genética fluye en el siguiente sentido: DNA → RNA→
proteínas. Esto es verdad en la mayoría de los casos; sin
embargo, el material genético de algunos virus esta
formado por RNA que luego es usado como molde para
producir DNA.
El código genético
El código genético consiste en la asignación de tripletes
de nucleótidos (codones) en el RNA mensajero (mRNA) a cada uno
de los aminoacidos que formaran una cadena
polipeptídica.
Existen 64 combinaciones posibles de codones. El código es redundante, porque los 20 aminoacidos
usualmente presentes en los seres vivos son codificados por 61 de estas
combinaciones. Los tres codones restantes actúan como señales
de terminación de la traducción. El
códigogenético es el mismo en casi todos los seres vivos.
La transcripción: del DNA al RNA
La transcripción es el proceso de síntesis de RNA a
partir de DNA. Sigue el mismo principio de apareamiento de bases que la
replicación del
DNA, pero se reemplaza la timina por el uracilo. En cada
transcripción, sólo una de las cadenas del DNA se
transcribe. La RNA polimerasa cataliza la adición de
ribonucleótidos al extremo 3´ de la cadena de RNA, de modo que
esta última es antiparalela a la cadena molde de DNA.
La RNA polimerasa no necesita un cebador para iniciar
la síntesis. Se une al DNA en una secuencia específica, el
promotor, que define el punto de inicio de la transcripción y su
dirección.
En los procariontes, el proceso de transcripción
continúa hasta que la polimerasa encuentra una secuencia que constituye
la señal de terminación. En los
eucariontes, el proceso termina cuando el RNA es cortado en una secuencia
específica. Al finalizar la
transcripción, la RNA polimerasa se detiene y libera la cadena molde de
DNA y el mRNA sintetizado.
En los eucariontes, los transcritos primarios sufren diversas modificaciones durante la transcripción. Entre ellas
se encuentran la adición del
CAP, la poliadenilación y el splicing. Este
último proceso consiste en el corte y la eliminación de ciertas
secuencias, los intrones, y el posterior empalme de las secuencias restantes,
los exones. Sólo los exones forman parte del mRNA maduro. Un mismo transcrito primario puede serprocesado
por splicing de distintas maneras. Este empalme
alternativo permite que una molécula de mRNA inmadura pueda
originar diferentes moléculas de mRNA maduro.
En el ciliado de agua dulce Tetrahymena,
el intrón inmaduro actúa comocatalizador de la
escisión, produciendo un empalme
autocatalítico. A este RNA con función
de enzima se lo llama ribozima.
La traducción: del
RNA al polipéptido
La traducción es la conversión de la secuencia de
nucleótidos del
RNA en la secuencia de aminoacidos de un polipéptido. En este
proceso participan los mRNA, los RNA ribosómicos (rRNA) y los RNA
de transferencia(tRNA).
Los ribosomas estan formados por rRNA y
proteínas. Cada uno esta formado por dos
subunidades de diferente tamaño que, ademas, en los procariontes
son mas pequeñas que en los eucariontes.
El mRNA y el tRNA iniciador se unen a la subunidad
ribosómica menor. Luego se les une la subunidad
mayor y cataliza la unión peptídica entre aminoacidos.
En la subunidad mayor existen tres sitios a los que se une el tRNA: el sitio A (aminoacílico), el sitio P (peptidílico) y
el sitio E (de salida).
Los tRNA son moléculas pequeñas, con una estructura secundaria
semejante a la hoja de un trébol, que presentan
dos sitios de unión. Uno de ellos es el anticodón, que se
aparea con el codón del mRNA. El otro sitio, ubicado
en el extremo 3´, se acopla a un
aminoacido particular en forma muy específica. Así, los
tRNA permiten la alineación de los aminoacidos de acuerdo con
lasecuencia de nucleótidos del mRNA.
El grupo de enzimas aminoacil-tRNA sintetasas catalizan la
unión entre el aminoacido y el tRNA y forman el complejo
aminoacil-tRNA. Este complejo se une a la molécula de mRNA,
apareando el anticodón con el codón del mRNA en forma
antiparalela. Así, el tRNA coloca al aminoacido
específico en su lugar. El enlace entre el aminoacido y el
tRNA se rompe cuando se forma el enlace entre el aminoacido
recién llegado y el último de la cadena polipeptídica en
crecimiento.
En los procariontes, el proceso de traducción comienza antes de que haya
finalizado el de transcripción. En los eucariontes, ambos procesos
estan separados en el tiempo y en el espacio: la transcripción
ocurre en elnúcleo y la traducción, en el citoplasma.
Tanto en procariontes como en eucariontes, la
síntesis de polipéptidos ocurre en tres etapas:
iniciación, elongación y terminación.
Hacia el final del
mRNA hay un codón que actúa como
señal de terminación. No existe ningún tRNA que tenga un anticodón que se aparee con este codón.
Existen, en cambio, factores de liberación que se unen al codón
de terminación y provocan la separación del
polipéptido y el tRNA. Finalmente, las dos subunidades
ribosómicas también se separan.
Las proteínas 'chaperonas' ayudan a las
cadenas polipeptídicas a plegarse. Finalizado este
proceso, las nuevas proteínas viajan al medio extracelular o a los
distintos compartimientos celulares, según el tipo de señales que
posean.
