¿Cómo se denomina el mecanismo que permite la duplicación de la información genética? Explíquelo detalladamente.

El mecanismo que permite la duplicación de la información genética se denomina replicación. La replicación es el proceso mediante el cual las cadenas de la doble hélice del ADN se separan por la acción de la enzima helicasa, que rompe los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las bases nitrogenadas. La topoisomerasa elimina la tensión de las cadenas de ADN al desenrollarse. La proteína SSB estabiliza la cadena sencilla para que no vuelva a enrollarse. Se producen unas zonas donde el ADN queda separado, llamadas horquillas de replicación, que es donde comienza la síntesis, realizada por la ADN polimerasa III. En la horquilla de replicación hay una hebra que se sintetiza de forma continua en sentido 5’→3′, se llama hebra conductora o líder. La otra hebra se sintetiza en varios fragmentos, llamados fragmentos de Okazaki, esta hebra sintetiza en sentido 3’←5′ y es conocida como hebra retardada. La primasa (ARN polimerasa) sintetiza el cebador (ARN iniciador), ya que ella sí puede comenzar una cadena, a diferencia de la ADN polimerasa. La ADN polimerasa III alarga el cebador sintetizado por la primasa. El ARN cebador es eliminado y la ADN polimerasa I rellena el hueco dejado por el ARN cebador. La ligasa une los fragmentos de Okazaki. Al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de ADN, con una hebra antigua y otra nueva, por lo que se dice que la replicación es semiconservativa.

Esquema general de la expresión genética

La expresión genética se lleva a cabo a través de la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ADN. Este proceso se divide en dos etapas principales:

1. Transcripción: El ADN se transcribe a ARN.
2. Traducción: El ARN se traduce a proteína.

Transcripción

La transcripción consiste en la síntesis de una molécula de ARN complementaria a una de las hebras de ADN, que actúa como molde. Las ARN polimerasas se fijan a ciertas regiones promotoras del ADN. Desenrollan una vuelta de hélice y utilizan una cadena de ADN como molde para formar una cadena de ARN complementaria. Al avanzar, desenrollan otra vuelta de hélice y la anterior se vuelve a enrollar, hasta que llega al final del gen donde se desprende la ARN polimerasa.

Traducción

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas a partir de la información aportada por el ARN mensajero (ARNm). Consta de tres fases:

• Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma (30S en procariotas, 40S en eucariotas) se une a los dos primeros codones del ARNm, generalmente AUG (codón de iniciación). Luego, se une la subunidad grande del ribosoma (50S en procariotas, 60S en eucariotas), formándose el complejo de iniciación.
• Elongación: A su vez, consta de tres fases:
  • Fijación: El segundo codón del ARNm se une a su correspondiente anticodón del ARN de transferencia (ARNt) que transporta el aminoácido correspondiente.
  • Formación del enlace peptídico: La enzima peptidil transferasa cataliza la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos.
  • Translocación: El ribosoma se desplaza un triplete (codón) en dirección 5’→3′ a lo largo del ARNm.
• Terminación: Se produce cuando el ribosoma encuentra un codón de terminación (UAA, UAG o UGA) en el ARNm. Se libera la cadena polipeptídica y se separan las subunidades del ribosoma.

Definiciones: Replicación, Transcripción y Traducción

• Replicación: Es el proceso por el cual el ADN se duplica para poder ser transmitido a las células hijas durante la división celular.
• Transcripción: Es el proceso de copia de un gen o fragmento de ADN utilizando ribonucleótidos, originándose diferentes tipos de ARN.
• Traducción: Es el proceso de síntesis de proteínas llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la información aportada por el ARN mensajero que es, a su vez, una copia de un gen.

Localización en células procariotas y eucariotas

• Procariotas: La replicación, la transcripción y la traducción tienen lugar en el citoplasma.
• Eucariotas: La replicación y la transcripción tienen lugar en el núcleo, mientras que la traducción ocurre en el citoplasma, en los ribosomas libres o asociados al retículo endoplasmático rugoso.

Descripción detallada de la transcripción

Las ARN polimerasas se fijan a regiones promotoras del ADN, ricas en timina y adenina. Desenrollan una vuelta de hélice y utilizan una cadena de ADN como molde para formar una cadena de ARN complementaria. Al avanzar, desenrollan otra vuelta de hélice y la anterior se vuelve a enrollar. Los ribonucleótidos se añaden en sentido 5’→3′. Cuando se han unido los primeros 30 ribonucleótidos, se añade al extremo 5′ una caperuza formada por 7-metilguanosina trifosfato. Esto permite que el ribosoma reconozca el comienzo del gen. La secuencia en el ADN (por ejemplo, TTATTT en procariotas) indica el final de la transcripción. A continuación, sobre el extremo 3′ del ARN recién sintetizado se añaden unos 200 ribonucleótidos de adenina (cola poli-A) por acción de la enzima poli-A polimerasa. Se transcriben todos los exones e intrones. El ARN mensajero no puede ser traducido directamente, necesita un proceso de maduración para eliminar los intrones. La maduración es realizada por las ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPpn). Las RNPpn están formadas por proteínas y ARN. El ARN es complementario a las secuencias iniciales y finales de los intrones, a los que se une, cortándolos. La ligasa une los exones y se obtiene el ARNm definitivo que se traduce en una proteína.

Relación entre aminoácidos, poros nucleares, ARNm, ARNt, ribosomas, código genético, ADN y proteínas

La clave de la traducción reside en el código genético, que establece la correspondencia entre los codones del ARNm y los aminoácidos que forman las proteínas. El ARNt transporta los aminoácidos hasta los ribosomas, donde son ensamblados en el orden indicado por el ARNm. El ARNm, formado a partir del ADN en el núcleo, sale a través de los poros nucleares de la membrana nuclear y llega al citoplasma, donde se adhiere a un ribosoma. En el ribosoma, la secuencia de codones del ARNm se traduce en una secuencia de aminoácidos, dando lugar a una proteína.

Diversidad de proteínas con un número limitado de aminoácidos

Una célula típica de nuestro cuerpo puede poseer unas 10.000 clases diferentes de proteínas, a pesar de que el número de aminoácidos distintos es solamente 20. Esto es posible porque los 20 aminoácidos pueden combinarse de múltiples formas, formando cadenas de diferentes longitudes y secuencias. Además, las proteínas pueden sufrir modificaciones postraduccionales que aumentan aún más su diversidad.

Definición, localización y descripción del proceso de traducción

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la información aportada por el ARN mensajero, que es, a su vez, una copia de un gen. La traducción tiene lugar en los ribosomas, tanto libres en el citoplasma como asociados al retículo endoplasmático rugoso.

Fases de la traducción

• Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma (30S) se coloca en los dos primeros codones del ARNm, el primero de los cuales es AUG, el codón de iniciación. El AUG codifica para el aminoácido formilmetionina (en procariotas) o metionina (en eucariotas). El ARNt iniciador, que lleva el anticodón UAC, se une al codón AUG. La formilmetionina es una metionina modificada para que el grupo formilo no pueda formar un enlace peptídico. Luego, se une la subunidad grande del ribosoma (50S). Varios factores de iniciación participan en este proceso, y se hidroliza una molécula de GTP.
• Elongación: A su vez, consta de tres fases:
  • Fijación: El segundo codón del ARNm se une a su correspondiente anticodón del ARNt que transporta el aminoácido correspondiente. Dos factores de elongación y la hidrólisis de GTP permiten la fijación.
  • Formación del enlace peptídico: La enzima peptidil transferasa, localizada en la subunidad grande del ribosoma (50S), cataliza la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos. Transfiere la energía del enlace éster del ARNt aminoacil para formar el enlace peptídico entre los aminoácidos.
  • Translocación: Para que ocurra la translocación, se requiere otro factor de elongación y la hidrólisis de GTP. El ribosoma se desplaza un triplete en dirección 5’→3′. El ARNt descargado sale del ribosoma. Hay dos sitios en el ribosoma: el sitio P (peptidil), que contiene el ARNt con el péptido en formación, y el sitio A (aminoacil), que es donde se coloca el aminoacil-ARNt entrante. El proceso se repite: una nueva fijación en el sitio A, la formación de un enlace peptídico y otra translocación.
• Terminación: La elongación continúa hasta que el ribosoma encuentra un codón de terminación (UGA, UAA o UAG) en el ARNm. Estos codones no codifican para ningún aminoácido y están bloqueados por un factor de terminación. La peptidil transferasa transfiere la energía del enlace éster al agua, ya que no hay un ARNt entrante. Se produce la hidrólisis del enlace éster, liberándose la cadena peptídica. Las subunidades del ribosoma se separan.

Mutaciones: Perniciosas para el individuo, importantes para la evolución

Las mutaciones generalmente son perniciosas para el individuo que las sufre, ya que pueden alterar la función de las proteínas y causar enfermedades. Sin embargo, desde el punto de vista evolutivo, las mutaciones son muy importantes porque generan variabilidad genética. En un ambiente cambiante, algunas mutaciones pueden conferir una ventaja adaptativa a los individuos que las portan, permitiéndoles sobrevivir y reproducirse con mayor éxito. Con el tiempo, estas mutaciones beneficiosas pueden extenderse a toda la población y contribuir a la evolución de nuevas especies. Una colección de mutaciones en algún organismo podría representar una nueva especie.

Código genético no universal y la insulina de ratón en una bacteria

Si el código genético no fuese universal, al introducir el gen que codifica la insulina de ratón en una bacteria, la bacteria no podría producir insulina, o produciría una insulina no funcional. Esto se debe a que la maquinaria de traducción de la bacteria no reconocería los codones del gen de la insulina de ratón como correspondientes a los mismos aminoácidos que en el ratón. Si, por el contrario, se produjese la insulina en la bacteria, ésta no sería funcional.

Funciones de los distintos tipos de ARN en la síntesis de proteínas

• ARNm (ARN mensajero): Copia la información genética del ADN y la transporta a los ribosomas.
• ARNr (ARN ribosómico): Forma parte de los ribosomas y participa en la síntesis de proteínas, leyendo el código genético del ARNm.
• ARNt (ARN de transferencia): Transporta los aminoácidos hasta los ribosomas, donde son ensamblados en el orden indicado por el ARNm.

Regulación génica: Concepto, necesidad, genes estructurales y reguladores

La regulación génica es el conjunto de procesos que controlan la expresión de los genes, es decir, cuándo, dónde y en qué cantidad se sintetizan las proteínas codificadas por los genes. La regulación génica es necesaria para que las células puedan adaptarse a los cambios en su entorno, para controlar el desarrollo y la diferenciación celular, y para mantener la homeostasis. Los genes estructurales son aquellos que codifican para proteínas con función estructural o enzimática. Los genes reguladores codifican para proteínas que regulan la expresión de los genes estructurales, como por ejemplo, las proteínas represoras o activadoras.

Secuencia de aminoácidos de una proteína y secuencia de nucleótidos del ADN

Si se conociese la secuencia de aminoácidos de una proteína, no se podría determinar exactamente la secuencia de nucleótidos del ADN que la codifica. Esto se debe a dos razones principales: en primer lugar, el código genético es degenerado, lo que significa que varios codones diferentes pueden codificar para el mismo aminoácido. En segundo lugar, el ARNm sufre un proceso de maduración en el que se eliminan los intrones, por lo que la secuencia de nucleótidos del ARNm maduro no es idéntica a la secuencia de nucleótidos del ADN. El descubrimiento del código genético ha aportado una evidencia a favor de la teoría que considera que todos los seres vivos tienen un origen común. El hecho de que el código genético sea universal (con algunas pequeñas excepciones) sugiere que todos los organismos vivos comparten un ancestro común que utilizaba el mismo código genético.

Enzimas en el núcleo sin ribosomas

En el núcleo se han detectado muchas enzimas, aunque en él no existen ribosomas. Esto se debe a que las enzimas son sintetizadas en los ribosomas del citoplasma y luego son transportadas al núcleo. Algunas enzimas se asocian a la membrana nuclear durante la traducción y pasan al núcleo a través de un túnel. Estas enzimas son necesarias para procesos como la replicación del ADN, la transcripción del ARN, la maduración del ARN y la regulación de la expresión génica. La presencia de enzimas específicas en el núcleo permite que estos procesos se lleven a cabo de forma eficiente y controlada.

Código genético: Codón, anticodón, codones sin sentido y características

El código genético es el conjunto de reglas que define cómo la secuencia de nucleótidos en el ARNm se traduce en la secuencia de aminoácidos de una proteína. Un codón es una secuencia de tres nucleótidos en el ARNm que codifica para un aminoácido específico o para una señal de terminación. Un anticodón es una secuencia de tres nucleótidos en el ARNt que es complementaria a un codón en el ARNm. Los codones sin sentido o de terminación (UAA, UAG y UGA) no codifican para ningún aminoácido y señalan el final de la síntesis de la proteína. Dos características importantes del código genético son que es universal (el mismo código se utiliza en la mayoría de los organismos) y degenerado (varios codones pueden codificar para el mismo aminoácido).

Toxina diftérica y la translocasa

La difteria está producida por la acción de la toxina de Corynebacterium diphtheriae. La toxina impide la acción de la translocasa, enzima que favorece el movimiento del ARN mensajero en el ribosoma. Al impedir la acción de la translocasa, se detiene la translocación del ribosoma a lo largo del ARNm. Esto impide que el segundo codón con el ARNt fijado en el ribosoma pase del sitio A al sitio P, lo que a su vez impide la formación de un nuevo aminoacil-ARNt. Como consecuencia, se detiene la síntesis de proteínas, lo que puede llevar a la muerte de la célula.

Afirmaciones sobre la replicación del ADN

• Las dos hebras de una molécula de ADN son antiparalelas. Verdadero. Una hebra va en sentido 5’→3′ y la otra en sentido 3’←5′. Esto es necesario para que las bases nitrogenadas de ambas hebras puedan unirse mediante puentes de hidrógeno.
• La replicación del ADN es semiconservativa. Verdadero. Cada molécula de ADN hija está formada por una hebra original (molde) y una hebra nueva, sintetizada de novo.
• La replicación del ADN es bidireccional. Verdadero. La replicación se produce en ambas direcciones a partir de un origen de replicación, formando una horquilla de replicación.
• Una de las cadenas del ADN se replica mediante fragmentos de Okazaki. Verdadero. La hebra retardada se replica de forma discontinua, en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki, debido a que la ADN polimerasa solo puede sintetizar ADN en dirección 5’→3′.

Estreptomicina y su efecto antibiótico

La estreptomicina es un antibiótico que impide que el primer ARN transferente se una al ribosoma bacteriano. Al impedir la unión del ARNt iniciador, se bloquea el inicio de la síntesis de proteínas en las bacterias. Esto detiene el crecimiento y la reproducción de las bacterias, lo que explica el efecto antibiótico de la estreptomicina.

Replicación del ADN: Finalidad, periodo del ciclo celular, cebador, fragmentos de Okazaki y proceso

La finalidad de la replicación del ADN es duplicar el material genético para que cada célula hija reciba una copia completa del genoma durante la división celular. La replicación tiene lugar durante la fase S (síntesis) del ciclo celular. Un cebador es una pequeña secuencia de ARN (sintetizada por la primasa) que proporciona un extremo 3′-OH libre al que la ADN polimerasa puede añadir nucleótidos. Un fragmento de Okazaki es un fragmento corto de ADN sintetizado de forma discontinua en la hebra retardada durante la replicación. Los cebadores son necesarios porque la ADN polimerasa no puede iniciar la síntesis de ADN de novo, sino que solo puede añadir nucleótidos a un extremo 3′-OH preexistente. Los fragmentos de Okazaki son necesarios porque la ADN polimerasa solo puede sintetizar ADN en dirección 5’→3′, y la hebra retardada se replica en dirección 3’←5′.

El proceso de replicación se ha explicado en la pregunta 1.

ADN en células de la piel y del hígado

El ADN de una célula de la piel de un individuo contiene la misma información genética que una célula del hígado del mismo individuo. Esto se debe a que todas las células somáticas de un organismo pluricelular provienen de una única célula original (el cigoto) y, por lo tanto, contienen el mismo genoma. Sin embargo, las células de la piel y del hígado no sintetizan las mismas proteínas. Esto se debe a que, aunque todas las células contienen los mismos genes, la expresión de estos genes está regulada de forma diferente en cada tipo celular. Las células de la piel expresan genes que codifican para proteínas específicas de la piel, como la queratina, mientras que las células del hígado expresan genes que codifican para proteínas específicas del hígado, como la albúmina.

Gen y genoma

Un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar una proteína o un ARN funcional. El genoma es el conjunto de todos los genes de un organismo.

Código genético con dipletes

Los 20 aminoácidos no podrían estar codificados por un código genético constituido por dipletes de las cuatro bases nitrogenadas. Con cuatro bases nitrogenadas (A, T, G y C), solo se pueden formar 16 dipletes diferentes (4² = 16). Esto no sería suficiente para codificar los 20 aminoácidos diferentes que se encuentran en las proteínas.

Cálculos sobre ARNm, anticodones y ADN molde

a) Si un polipéptido tiene 450 aminoácidos, el fragmento del ARNm que codifica esos aminoácidos tendrá 1350 ribonucleótidos (450 aminoácidos x 3 nucleótidos/aminoácido = 1350 nucleótidos). Además, hay que añadir los nucleótidos del codón de inicio y del codón de terminación, que no codifican para aminoácidos, pero son necesarios para la traducción. Por lo tanto, el ARNm tendrá al menos 1353 nucleótidos.

b) Los anticodones de los ARNt correspondientes a la molécula de ARNm 5′-GUU-UUC-GCA-UGG-3′ serán: 3′-CAA-5′, 3′-AAG-5′, 3′-CGU-5′, 3′-ACC-5′.

c) La secuencia de ADN que sirvió de molde para este mismo ARNm será: 3′-CAA-AAG-CGT-ACC-5′.

Individuo resultante de la transferencia nuclear

Si a un óvulo de una hembra A se le elimina su núcleo y se le introduce el núcleo de una célula somática de un individuo B, y posteriormente se implanta en el útero de una hembra C, el individuo resultante se parecerá genéticamente al individuo B. Esto se debe a que el material genético se encuentra en el núcleo, y el núcleo utilizado en este experimento proviene del individuo B. La hembra A solo aporta el citoplasma del óvulo, que no contiene el material genético nuclear, y la hembra C solo proporciona el útero para el desarrollo del embrión.

Afirmaciones sobre ARNm, replicación y código genético

• a) Si en un ARNm se introduce un uracilo en la posición donde debería colocarse una citosina se produce una mutación. Falso. Se produciría un cambio en la secuencia de nucleótidos del ARNm, lo que podría dar lugar a un cambio en la secuencia de aminoácidos de la proteína. Sin embargo, para que se considere una mutación, el cambio debe producirse en el ADN y ser heredable.
• b) En eucariotas el ARNm puede ser traducido nada más sintetizarse. Falso. En eucariotas, el ARNm transcrito primario (pre-ARNm) debe sufrir un proceso de maduración antes de ser traducido. Este proceso incluye la adición de la caperuza 5′, la cola poli-A y la eliminación de los intrones (splicing). En procariotas, la transcripción y la traducción están acopladas, y el ARNm puede ser traducido a medida que se va sintetizando.
• c) En una horquilla de replicación las dos hebras del ADN se replican en sentido 5’→3′. Verdadero. La ADN polimerasa solo puede sintetizar ADN en dirección 5’→3′. Una de las hebras (la hebra conductora) se replica de forma continua en dirección 5’→3′, mientras que la otra hebra (la hebra retardada) se replica de forma discontinua en fragmentos de Okazaki, también en dirección 5’→3′.
• d) Si dos genes tienen secuencias de tripletes diferentes codificarán siempre cadenas peptídicas diferentes. Falso. Debido a la degeneración del código genético, varios tripletes diferentes pueden codificar para el mismo aminoácido. Por lo tanto, dos genes con secuencias de tripletes diferentes podrían codificar para la misma cadena peptídica.

Proporción de bases en una molécula de ADN

Si una molécula de ADN de cadena doble presenta una proporción de Adenina del 30%, la proporción de las otras bases será:

• T: 30% (ya que la adenina se aparea con la timina)
• G: 20% (ya que el total de A+T+G+C debe ser 100%, y G+C = 100% – 30% – 30% = 40%, y G=C)
• C: 20% (ya que la guanina se aparea con la citosina)
• Bases púricas (A+G): 50% (30% + 20%)
• Bases pirimidínicas (T+C): 50% (30% + 20%)

Todas las moléculas de ADN de una misma célula presentan el mismo porcentaje de bases púricas y pirimidínicas (50% cada una). Sin embargo, el porcentaje de A, T, G y C puede variar entre diferentes moléculas de ADN de la misma célula, ya que la secuencia de bases es diferente en cada molécula de ADN.