Características Fundamentales del ADN
El ADN constituye los genes: contiene la información para controlar la síntesis de enzimas y proteínas de una célula u organismo. Es capaz de autocopiarse con gran fidelidad, tiene un nivel bajo de mutación y está localizado en los cromosomas.
Hitos Históricos en la Genética
Experimento de Griffith
Griffith trabajó con dos cepas distintas de una bacteria:
- Cepa R (Rugosa): Producía colonias rugosas sin cápsula de polisacáridos. No producían efectos patológicos en ratones, ya que eran fagocitadas por glóbulos blancos de la sangre de estos.
- Cepa S (Lisa): Producía colonias lisas y sus células tenían una cápsula de polisacáridos. Estas colonias provocaban una infección bacteriana mortal en los ratones, ya que no eran fagocitadas debido a que la cápsula de polisacáridos las protegía de los glóbulos blancos.
Griffith comprobó que:
- Las células de tipo S muertas y las células vivas de tipo R inyectadas en ratones no les causaban la muerte.
- Si se les inyectaba una mezcla del tipo R vivas con células de tipo S muertas, desarrollaban una bacteria idéntica a la causada por la inyección de células del tipo S vivas.
De esto se dedujo que había algo en las células S muertas que transformaba las bacterias de tipo R en células de tipo S.
Experimentos de Hershey y Chase: Marcaje de Fagos
Como los fagos solo constan de ácido nucleico rodeado de proteína, es fácil determinar si el material genético es la proteína o el ácido nucleico.
Hershey y Chase marcaron el ADN del virus con $^{32}P$ y la cápside proteica viral con $^{35}S$. Cuando se mezclaron los virus radiactivos con *E. coli*:
- Los virus inyectaron el ADN radiactivo en la célula huésped bacteriana.
- La mayor parte de la proteína permaneció en el exterior.
El Gen: Unidad de la Herencia
El gen es la unidad elemental de la herencia, la región física y funcional del cromosoma portadora de la información genética a la generación siguiente.
Estructura del Gen
En la actualidad, el gen tiene dos tipos de secuencias diferentes:
- La estructural.
- La reguladora de la expresión.
Dentro de la región estructural, existen regiones codificantes (exones) y no codificantes (intrones).
Diferencias entre Procariotas y Eucariotas
La estructura genética de los procariotas y los virus difiere sustancialmente de la de los eucariotas.
- Sistemas bacterianos y virales: La información codificadora contenida en un cistrón suele ser continua (aunque algunos genes bacterianos contienen intrones). En las células procariotas, prácticamente todo el ADN se emplea para la síntesis de proteínas y el gen codificador de una proteína se compone de una secuencia continua de nucleótidos.
- Organismos eucariotas: Muchos de los genes contienen información codificadora (exones) interrumpida periódicamente por secuencias no codificadoras (intrones). Parece existir un exceso de ADN, ya que solamente el 10% se emplea para la síntesis de proteínas y el resto no tiene funciones conocidas. Cuanto más compleja y reciente es una especie, más abundantes y largos son los intrones de su genoma, lo que parece constituir una ventaja evolutiva al favorecer la recombinación meiótica y aumentar la variabilidad genética.
Flujo de la Información Genética
El ARN sirve como molde para la síntesis de ADN. Todos los virus con ARN pueden producir una enzima (transcriptasa inversa o retrotranscriptasa) que sintetiza una cadena de ADN complementaria al ARN vírico.
El ARN puede actuar como molde para su propia replicación, proceso observado en un pequeño número de fagos. La transcriptasa inversa es especialmente importante porque está implicada en el proceso de infección de una célula normal en la transformación de esta en una célula cancerosa.
Replicación del ADN
Es el proceso mediante el cual, a partir de una molécula de ADN progenitora, se sintetizan dos moléculas hija con la misma secuencia que el ADN original.
Hipótesis sobre la Replicación del ADN
Semiconservativa
Las cadenas de ADN se separan y cada una sirve de molde para una nueva. Cada molécula hija tiene una cadena molde intacta y una cadena recién replicada.
Proteínas y Enzimas Clave en la Replicación Procariota
La replicación está controlada por enzimas y proteínas de naturaleza no enzimática:
- ADN-polimerasas: Son enzimas encargadas de catalizar la formación de los enlaces fosfodiéster en sentido $5′ \rightarrow 3’$. Se identifican como ADN-polimerasas I, II y III.
- La ADN-polimerasa I se utiliza principalmente en el relleno de pequeños segmentos de ADN durante los procesos de reparación y replicación.
- El papel exacto de la ADN-polimerasa II no está completamente claro, aunque puede servir como polimerasa de reparación alternativa si la ADN-polimerasa I resulta dañada.
- La ADN-polimerasa III es el principal enzima polimerasa activo durante la replicación del ADN.
- Helicasas: Son enzimas que rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias y, por tanto, son las encargadas de abrir la doble hélice.
- Primasa: Es una enzima que cataliza la formación de un fragmento de ARN, llamado cebador, que iniciará la replicación.
- Proteína SSB (Single-Strand Binding): Sirven para el mantenimiento de la separación de las cadenas.
- ADN-ligasa: Es una enzima que une dos fragmentos de una misma cadena mediante un enlace fosfodiéster.
Replicación Continua y Discontinua
La replicación se produce simultáneamente en las dos cadenas de ADN (es bidireccional). Comienza en un punto determinado del ADN, denominado origen de la replicación, y a partir de ese punto las dos cadenas se separan, avanzando la replicación y copiándose las 3 hebras a la vez.
Esto plantea un problema, ya que las dos cadenas de la doble hélice de ADN discurren en direcciones opuestas. Una de las nuevas cadenas deberá sintetizarse en dirección $5′ \rightarrow 3’$ y la otra $3′ \rightarrow 5’$. Sin embargo, todos los enzimas polimerasas conocidos añaden nucleótidos solamente en sentido $5′ \rightarrow 3’$:
- La replicación continua es posible en la cadena molde $3′ \rightarrow 5’$ (cadena adelantada).
- En la cadena complementaria, la replicación se produce de forma discontinua, sintetizando pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki) (cadena retrasada).
En el molde de la cadena adelantada, la ADN-polimerasa III tiene gran procesividad; una vez que se une, no abandona el molde hasta que se ha replicado la cadena complementaria.
Polimerasas y Exonucleasas
Las tres polimerasas procariotas, además de añadir nucleótidos nuevos, pueden quitar nucleótidos en sentido opuesto a la cadena, actuando como exonucleasas. Esta eliminación tiene lugar cuando el nucleótido incorporado por la actividad polimerasa es erróneo (no aparea correctamente con el presente en la hebra molde de ADN); se denomina actividad correctora de pruebas.
Pasos de la Replicación Discontinua
- Síntesis del Cebador y Elongación: Para que la replicación comience, es necesario un fragmento de doble cadena formado por un molde y un oligonucleótido (cebador). Para sintetizar cada fragmento de Okazaki, se debe generar un cebador (frecuentemente por la primasa). La enzima ADN-polimerasa III continúa hasta que alcanza el ARN cebador del fragmento de Okazaki sintetizado previamente.
- Eliminación del Cebador y Relleno del Hueco: La enzima ADN-polimerasa I actúa como polimerasa (añade nucleótidos) y como exonucleasa (quita nucleótidos). Para completar un fragmento de Okazaki, la ADN-polimerasa I utiliza ambas capacidades: completa el fragmento mediante la eliminación del ARN cebador anterior y lo sustituye con nucleótidos de ADN.
- Ligazón: La ADN-polimerasa no puede enlazar los fragmentos de Okazaki al ADN sintetizado previamente. La enzima ADN-ligasa une los fragmentos mediante un enlace fosfodiéster final en una reacción que consume energía.
A pesar de los mecanismos correctores de errores, la fidelidad en la replicación no es absoluta. Los errores (mutaciones) se convierten en fuentes de variación genética imprescindibles para la evolución, siempre que no tengan consecuencias negativas para la viabilidad celular.
Replicación en Eucariotas
Es muy parecida a la de las procariotas, pero tiene particularidades derivadas de la mayor complejidad del material genético:
- Los cromosomas eucariotas contienen moléculas de ADN muy largas. Para abreviar el proceso, la replicación se inicia en varios tramos llamados replicones.
- Hay 5 tipos de ADN-polimerasas que se reparten las tareas de elongación y corrección de errores.
- El ADN se encuentra asociado a histonas (proteínas básicas ausentes en procariotas), las cuales se duplican durante la replicación.
- El proceso de replicación se completa hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero. Al eliminarse el último ARN cebador, la hebra retardada queda incompleta, ya que la ADN-polimerasa no puede rellenar el hueco (incapaz de sintetizar en dirección $3′ \rightarrow 5’$). Este hecho provoca que el telómero se acorte con cada división celular, fenómeno asociado al envejecimiento y la muerte celular.
Mecanismos Generales de la Replicación
Inicio de la Replicación
La replicación comienza en ciertas zonas donde hay una secuencia de nucleótidos específica: el origen de la replicación.
Separación y Mantenimiento de las Cadenas
- Separación: Intervienen las helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno y abren la doble hélice.
- Mantenimiento: Una vez separadas, las dos cadenas se mantienen abiertas gracias a las proteínas SSB.
Formación de Nuevas Hebras
La síntesis real es catalizada por las ADN-polimerasas, que añaden nucleótidos uno a uno. La zona de replicación se observa al microscopio electrónico como un ojo o burbuja de replicación. En los extremos de la burbuja, las cadenas forman una estructura en forma de Y, conocida como horquilla de replicación.
El proceso es bidireccional y siempre se produce en sentido $5′ \rightarrow 3’$. Como las dos cadenas son antiparalelas, la otra cadena se forma de manera discontinua mediante los fragmentos de Okazaki.
Terminación
La ADN-ligasa conecta los fragmentos de Okazaki recién formados con la cadena de ADN retardada en crecimiento.
Transcripción: Del ADN al ARNm
La síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas, y el ADN permanece en el núcleo, por lo que es necesario un intermediario: el ARNm.
La transcripción es el proceso por el cual se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen (ADN) a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias pertenecientes al ARNm. Con esta información se puede sintetizar una cadena polipeptídica durante la traducción.
La transcripción se lleva a cabo en el interior del núcleo y requiere:
- Una cadena de ADN que actúe como molde: Las cadenas de ARN que se forman son complementarias de solo una de las dos cadenas del ADN.
- Las enzimas: El proceso está controlado por las ARN-polimerasas. En procariotas es una sola ARN-polimerasa, mientras que en eucariotas hay tres (ADN polimerasas I, II, III, aunque el texto parece confundir aquí los nombres, refiriéndose a las ARN polimerasas eucariotas).
- Los ribonucleótidos trifosfato de A, G, C, U.
La enzima ARN-polimerasa une nucleótidos trifosfato en sentido $5′ \rightarrow 3’$ mediante enlaces fosfodiéster. La cadena de ARN es complementaria a la de ADN; en ella no aparece la base Timina (T), que es sustituida por Uracilo (U).