El Flujo de la Información Genética y el Dogma Central de la Biología Molecular

El dogma central de la biología molecular esquematiza el flujo que sigue la información genética: “La información genética del ADN pasa al ARNm en la transcripción; este ARNm sale del núcleo y lleva la información a los ribosomas, donde se produce la traducción o síntesis de proteínas; en la traducción también interviene el ARNt, que transporta los aminoácidos, y el ARNr que forma los ribosomas”. Tras el descubrimiento de la transcriptasa inversa se redefinió el dogma central de la biología molecular.

La Replicación del ADN

Es un proceso mediante el cual se sintetiza una nueva molécula de ADN a partir de otra ya preexistente que sirve como modelo. La replicación del ADN tiene lugar en la fase S de la interfase y la división de la célula se produce en un breve espacio de tiempo. El mecanismo general de la replicación, replicación semiconservativa, propone que la doble hélice del ADN se abre y las 2 cadenas de nucleótidos se separan; a partir de cada cadena se forma una nueva, que es complementaria de la que ha servido como molde. La replicación consta de 3 fases: iniciación, elongación y terminación.

Fase de Iniciación

Comienza en un lugar del cromosoma bacteriano llamado ori C, donde se abre la molécula de ADN, se desenrolla y se forma una estructura llamada burbuja de replicación. La burbuja de replicación se forma gracias a la acción de una enzima llamada helicasa que rompe los puentes de hidrógeno que unen ambas cadenas de ADN bacteriano llamado Ter. Para que la burbuja de replicación no se cierre, actúan 3 enzimas que son: topoisomerasa, girasa y proteínas SSB. La burbuja de replicación se va extendiendo en ambos sentidos, por eso se dice que la replicación es bidireccional.

Fase de Elongación

(Ver fotocopia replicación del ADN en procariotas)

Fase de Terminación

La replicación, que comenzó en el ori C y avanzó de forma bidireccional durante la fase de elongación, termina en un punto del cromosoma.

La Transcripción: Síntesis del ARN

La síntesis del ARN o transcripción necesita los siguientes elementos:

1. Una cadena de ADN que actúe como molde. Solo la de sentido 3’ —> 5’ (denominada molde) se transcribe, mientras que la otra (llamada informativa) no lo hace.
2. El proceso está catalizado por las enzimas ARN polimerasas, solo 1 en los procarióticos, que se encarga de la síntesis de todos los tipos de ARN, y 3 en los eucarióticos, las ARN polimerasas I, II y III.
3. Ribonucleótidos A, G, C y U

La transcripción consta de 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. Una vez formado el ARN se produce su maduración.

Etapa de Iniciación

Comienza cuando la ARN polimerasa reconoce una señal en el ADN que se va a transcribir. Esta señal, denominada promotor es una secuencia de bases nitrogenadas a la que se une la ARN polimerasa. En las células eucariotas es necesaria la presencia de unas proteínas llamadas factores de transcripción que se fijan al promotor para que comience la transcripción. El ARN polimerasa hace que la doble hélice de ADN se abra y se forme una burbuja de transcripción.

Etapa de Elongación

Se produce la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena molde de ADN “leyéndola” en sentido 3’–> 5’, mientras que el sentido de la síntesis del ARN es 5’–> 3’.

Etapa de Terminación

El ARN polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción: se cierra la burbuja de transcripción y la ARN polimerasa se separa del ARN transcrito.

La Maduración del ARN

En el ARNm transcrito hay unas secuencias llamadas exones que tienen información para la síntesis de proteínas y otras llamadas intrones que no tienen información para la síntesis de proteínas. Durante la maduración en el extremo 5’ del ARNm se añade la caperuza, formada por metilguanosina trifosfato. En el extremo 3’ del ARNm se añade una estructura llamada cola poli-A formada por 200 nucleótidos de adenina.

El Proceso de Traducción

En qué consiste el proceso

La traducción consiste en la síntesis de las proteínas mediante la unión de aminoácidos, siguiendo el orden establecido por la secuencia de nucleótidos del ARNm. Tiene lugar en los ribosomas y requiere aminoácidos, un ARNm, ARNt, enzimas y energía, que es aportada por nucleótidos trifosfatos, (ATP, GTP, CTP, TTP, UTP). Los ribosomas son orgánulos citoplasmáticos constituidos por 2 subunidades, 1 pequeña y otra grande, formadas por ARNr y proteínas. El ARNm se une a la unidad pequeña, mientras que los aminoácidos lo hacen a la grande para formar la cadena polipeptídica. Ambas subunidades se juntan cuando se van a sintetizar las proteínas. En el ribosoma se distinguen tres lugares: el sitio P (peptidil), el sitio A (aminoacil) y el sitio E. La síntesis de proteínas transcurre casi igual en procarióticos y eucarióticos, distinguiéndose varias fases: de activación y otra que transcurre en tres pasos bien diferenciados, iniciación, elongación de la cadena proteica y terminación.

Fase Previa o de Activación de los Aminoácidos

Los aminoácidos necesarios para la síntesis de las proteínas se encuentran en el citoplasma celular y los transportan hasta los ribosomas el ARNt. La activación consiste en la unión de 1 aminoácido con el ARNt que le corresponde. El aminoácido se une al extremo 3’ del ARNt y se forma 1 aminoacil-ARNt que no es más que el aminoácido unido al ARNt que lo transporta.

La Síntesis de las Proteínas: Fase de Iniciación

La iniciación presenta ligeras diferencias entre procarióticos y eucarióticos. En los procarióticos, el ARNm no está sometido a maduración, como si ocurre en los eucarióticos.

1. La síntesis comienza cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto cercano al codón AUG, que es el codón iniciador y marca el comienzo de la proteína. Después, en el sitio P del ribosoma, entra un primer aminoacil-ARNt, aquel cuyo anticodón está formado por tres bases (UAC) complementarias a las del codón iniciador.
2. Este primer ARNt lleva unido el aminoácido N-formil-metionina (f-Met) en los procarióticos, mientras que en los eucarióticos el aminoácido que se une al primer ARNt es la metionina (Met). Todas las proteínas inician su síntesis con uno de estos aminoácidos.
3. A la subunidad pequeña del ribosoma, al ARNm y al primer aminoacil-ARNt se les une la subunidad grande del ribosoma, con lo que queda completo el complejo de iniciación.

La Síntesis de las Proteínas: Fase de Elongación

La elongación consiste en el alargamiento de la cadena proteica, la secuencia de nucleótidos del ARNm se lee en sentido 5’→3′, mientras que los aminoácidos que forman la proteína se van uniendo desde el extremo amino terminal hasta el extremo carboxilo terminal. Entre los aminoácidos que van formando la proteína, se forma un enlace peptídico gracias a la acción de una proteína llamada peptidiltransferasa.

La Síntesis de las Proteínas: Fase de Terminación

La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando aparece en uno de los tres codones de terminación del ARNm (UAA, UGA o UAG). A medida que se van sintetizando, las proteínas adquieren la estructura secundaria y terciaria que les corresponde mediante interacciones entre los aminoácidos, como puentes de hidrógeno y enlaces disulfuro. Tanto en procarióticos como en eucarióticos, si el ARNm que se tiene que traducir es lo suficientemente largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez, formando un polirribosoma o polisoma.

Código Genético

Es la correspondencia entre los codones de ARNm y el aminoácido que codifica. Codón: Conjunto de 3 nucleótidos (bases nitrogenadas). Los 64 codones identifican a los 20 aminoácidos proteicos y a las señales de iniciación (AUG) y de terminación. (UAA, UAG y UGA) de la síntesis proteica.

Características

1. UNIVERSALIDAD CASI TOTAL: el código es compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo los virus. Así el codón UUG codifica para el aminoácido leucina, tanto en procariotas como en eucariotas.
2. ES DEGENERADO: significa que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina (Met) y triptófano (Trp), están codificados por más de 1 codón. Los distintos codones que codifican un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos; esto supone una ventaja, si no se producen cambios en algún nucleótido (mutaciones) no se tiene por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman una proteína.
3. NO ES AMBIGUO: cada codón codifica solo a 1 aminoácido.
4. CARECE DE SOLAPAMIENTO: los tripletes de bases se hallan dispuestos de manera lineal y continua, sin que entre ellos existan comas ni espacios y sin que compartan ninguna base nitrogenada.

Fenómenos de la Mutación: Cambios Hereditarios

El término mutación se emplea para designar los cambios que se producen en la secuencia o en el número de nucleótidos en el ADN de una célula o en el ADN o ARN de un virus. Esta alteración se manifiesta durante la traducción en un cambio en la secuencia de aminoácidos de una proteína y afecta a la supervivencia del organismo portador de la mutación.

Mutaciones Génicas

Según el Grado de Afectación

• Perjudiciales: causan daños en el organismo, pudiendo llegar a ser letales y provocar la muerte del portador.
• Beneficiosas: aumentan la probabilidad de supervivencia del organismo.
• Neutras: no producen beneficios ni perjuicios.

Según las Células Afectadas

• Somáticas: las sufren las células somáticas y afectan al individuo pudiendo causar enfermedades graves (tumor), pero no son heredables, por lo que no juegan un papel importante en la evolución.
• Germinales: son las que están en nuestras gónadas y afectan a los gametos o las células madre que los originan. Estas mutaciones pueden transmitirse a la descendencia. El nuevo organismo llevará mutaciones en todas las células, tanto en las somáticas como en las germinales.

Según la Extensión del Material Genético Afectado

• Génicas: son las mutaciones en el sentido más estricto. Provocan cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen concreto.
• Cromosómicas: afectan a la disposición de los genes de 1 cromosoma.
• Genómicas: alteran (aumentando o disminuyendo) el número de cromosomas característico de la especie.

Según el Origen que Tengan las Mutaciones

• Espontáneas: se producen por causas naturales como los errores cometidos en la replicación.
• Inducidas: originadas por factores externos físicos o químicos que reciben el nombre de agentes mutagénicos.

Mutaciones Génicas

Alteran la secuencia de nucleótidos de un solo gen. También se llaman puntuales porque afectan a 1 único par de bases de un gen. Hay 2 tipos: sustituciones de bases (transiciones y transversiones) y las mutaciones por pérdida o inserción de nucleótidos (inserciones y deleciones).

Mutaciones por Sustitución de Bases

Cambio de una base del ADN por otra. Pueden ser de 2 clases:

1. Transiciones: se sustituye una base púrica por otra púrica, o una pirimidínica por otra pirimidínica. + común de las mutaciones génicas.
2. Transversiones: se sustituye una base púrica por otra pirimidínica o viceversa. Estas mutaciones afectan a uno solo de los nucleótidos y solo un triplete de bases se ve alterado.

Mutaciones por Pérdida o Inserción de Nucleótidos

Se llaman deleciones o inserciones porque consisten en la pérdida o la adición de algún nucleótido en la molécula de ADN. Donde ocurre la deleción o la inserción, varían todos los tripletes de bases por ello, estas mutaciones provocan un corrimiento de la pauta de lectura. Cuando el gen afectado se traduce, se produce una proteína diferente.

Mutaciones Cromosómicas

Mutaciones Cromosómicas Numéricas

También llamadas genómicas, son variaciones en el número de cromosomas. Estas mutaciones son frecuentes en vegetales. En los animales, la ganancia o la pérdida de 1 cromosoma o de parte de él tiene consecuencias laterales o conduce a un fenotipo normal. Se clasifican en 2 grupos: euploidías y aneuploidías.

Euploidías

Alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas de una especie. Tipos:

• Monoploidía o haploidía: (los zánganos son monoploides porque proceden de huevos no fecundados). Existe 1 solo cromosoma de cada par (n). La monoploidía es un estado normal en los hongos y en los animales machos de las especies con determinación sexual por haplodiploidía.
• Poliploidía: (trigo, algodón). Son poliploides los organismos que contienen más de 1 juego completo de cromosomas, pudiendo ser triploides (3n), tetraploides (4n) y poliploides. Autoploidía: todos los juegos cromosómicos proceden de la misma especie. Alopoliploidía: proceden de 2 especies distintas. En los vegetales, los poliploides suelen tener mayor tamaño. Esto es interesante desde el punto de vista de la alimentación.

Aneuploidías

Se caracterizan porque los individuos afectados presentan algún cromosoma de más o de menos con respecto a su dotación normal.

• Monosomías: los individuos carecen de 1 cromosoma de 1 pareja de homólogos.
• Trisomías: los portadores poseen 1 cromosoma de +. Las trisomías afectan tanto a los autosomas como a los cromosomas sexuales. En ambos casos provocan desequilibrios genéticos. La trisomía más conocida es la que causa el Síndrome de Down. Estas personas tienen 47 cromosomas en el ADN de sus células. Esto se debe a una trisomía en el par 21 de cromosomas homólogos, donde hay 3 cromosomas en vez de 2.

Agentes Mutagénicos y Reparación del ADN

Agentes Mutagénicos

Agentes mutagénicos o mutágenos son aquellos agentes físicos o químicos que aumentan la tasa de mutación espontánea de una especie. Todos actúan dañando o alterando la estructura del ADN.

Agentes Mutágenos Físicos

1. Radiaciones ionizantes: son radiaciones electromagnéticas con un alto poder energético como los rayos X, los rayos Y y las partículas de tipo α y β. Pueden causar rotura de los cromosomas o modificar las bases nitrogenadas.
2. Radiaciones no ionizantes: en este grupo destacan los rayos ultravioletas (UV).

Agentes Mutagénicos Químicos

Provocan mutaciones génicas. Ej: benzopireno (en el humo del tabaco), ácido nitroso (HNO2) y agentes alquilantes.

Biodiversidad

Biodiversidad desde el Punto de Vista Evolutivo

Desde el punto de vista evolutivo, la biodiversidad puede considerarse como el resultado final de los procesos evolutivos. Los principales procesos evolutivos responsables de la biodiversidad están relacionados con los 3 niveles de diversidad:

Variabilidad Genética

Si todos los individuos de una población o especie fuesen genéticamente iguales y tuviesen una descendencia idéntica a ellos, no habría cambio evolutivo y la diversidad sería nula. La evolución solo es posible si existe variabilidad genética, por tanto, la biodiversidad como resultado de la evolución depende de esta en primera instancia. El origen de la variabilidad a este nivel se halla en la mutación y la recombinación.