INTRODUCCIÓN A LA GENÉTICA MOLECULAR
La información del ADN está codificada en la secuencia de sus bases nitrogenadas.
Esta información fluye y se transmite en dos sentidos diferentes:
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A partir del ADN, se obtienen nuevas moléculas de ADN por replicación. Este proceso tiene lugar durante la etapa S del ciclo celular y permite la transmisión de la información de célula a célula, mediante la mitosis, y de individuo a individuo, por medio de la reproducción.
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Por transcripción, se obtienen moléculas de ARNm que contienen información del ADN. Mediante la traducción del ARNm, esta información determina la síntesis de las proteínas.
El Dogma Central de la Biología Molecular
Fue publicado en 1970 por Francis Crick
Este dogma central ha sido ampliado posteriormente con dos puntos referentes a los virus:
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Transcripción inversa: Algunos virus, llamados retrovirus, pueden sintetizar ADN a partir del ARN vírico, mediante la enzima transcriptasa inversa. Este es el caso del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).
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La replicación del ARN vírico, que llevan a cabo las enzimas replicasas.
Flujo de Información a partir del ADN en la Célula Eucariota
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Dentro del núcleo celular se produce la replicación del ADN y la transcripción para obtener moléculas de ARNm a partir del ADN.
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La traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma. Una vez sintetizadas, las proteínas inician su actividad dentro de la célula.
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La replicación, la transcripción y la traducción están controladas por un conjunto de enzimas muy específicas que llevan a cabo una función extraordinariamente precisa.
¿Sabías que?
Rosalind Franklin: obtuvo imágenes del ADN mediante difracción de rayos X, sus interpretaciones fueron determinantes para la elaboración de la teoría de la estructura del ADN.
LA REPLICACIÓN DEL ADN
Se obtienen dos copias idénticas a partir de una doble cadena inicial de ADN.
Francis Crick y James Watson: propusieron un mecanismo para la replicación de esta molécula. Consideraron posible que las dos cadenas de la doble hélice se separasen y cada una sirviese de molde para la síntesis de otra complementaria.
En la replicación del ADN intervienen las siguientes enzimas:
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ADN polimerasas (ADN pol), enzimas con dos funciones distintas:
—Tienen actividad polimerasa; es decir, catalizan la unión de nucleótidos en la cadena de ADN.
—Tienen actividad exonucleasa; es decir, catalizan la rotura de los enlaces entre los nucleótidos cuando las moléculas tienen un extremo libre.
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ARN polimerasas (ARN pol): Enzimas que catalizan la formación de cadenas de ARN.
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Topoisomerasas y girasas: Enzimas que adaptan la estructura espacial de la doble hélice a las necesidades del proceso de síntesis.
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Ligasas: Sellan las uniones entre fragmentos de cadenas.
Replicación en procariotas
A partir del origen de replicación, se formará una horquilla de replicación en la que el ADN modifica su estructura espacial. En la formación de la horquilla intervienen:
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Las enzimas topoisomerasas como, por ejemplo, la girasa, que desespiralizan el ADN.
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Las helicasas, que separan las dos cadenas de la doble hélice.
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Un grupo de proteínas llamadas SSB (single strand-binding), que estabilizan cada una de las cadenas sencillas.
Se inicia la síntesis del nuevo ADN y la horquilla va progresando y se ensancha hacia los lados.
El proceso se desarrolla venciendo dos dificultades:
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Las ADN pol no pueden iniciar la síntesis de ADN sin un fragmento preexistente de cadena.
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Las ADN pol solo pueden incorporar nucleótidos a la cadena en sentido 5’ 3’, ya que la reacción necesita extremos 3’ libres.
La síntesis de las dos cadenas hijas se desarrollan de manera diferente:
Síntesis a partir de la cadena conductora
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Formación de un segmento de cadena que permita la actividad de la ADN pol.
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La ARN pol: capaz de catalizar la unión de ribonucleótidos sin necesidad de la existencia de cadenas ya iniciadas. Sintetiza un fragmento de molécula de ARN que lo conocemos como cebador.
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ADN pol III: alarga este fragmento inicial polimerizando la unión de desoxirribonucleótidos según la ley de complementariedad de bases: la adenina es complementaria de la timina, y la citosina, de la guanina.
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ADN pol I: actúa como exonucleasa en sentido 5’ 3’ y elimina el cebador, a la vez que actúa como polimerasa y llena el vacío con desoxirribonucleótidos.
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Ligasa: sella la unión entre los dos fragmentos de ADN.
Síntesis a partir de la cadena retardada
Paralelamente al proceso anterior, la cadena retardada sirve de molde para la síntesis de su complementaria.
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Primasa: sintetiza diversos cebadores.
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ADN pol III: alarga los fragmentos de cebador incorporando nucleótidos en sentido 5’ 3’.
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ADN pol I: sustituye los cebadores por desoxirribonucleótidos.
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Ligasa: sella las uniones entre los fragmentos independientes para constituir una cadena sin discontinuidades.
LA TRANSCRIPCIÓN
Proceso por el que se sintetizan moléculas de ARN complementarias a una de las dos cadenas de una doble hélice de ADN.
La transcripción de ADN a ARN es una reacción de síntesis:
(NMP)n + NTP (NMP)n + 1 + PPi
La principal enzima responsable de la transcripción es la ARN polimerasa (ARN pol), que participa en dos procesos diferentes:
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La separación de las dos cadenas de la doble hélice.
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La incorporación de ribonucleótidos en sentido 5’ 3’. Como ya hemos visto, a diferencia de la ADN pol, esta enzima cataliza la unión de los ribonucleótidos sin necesidad de cebador.
Transcripción en Procariotas
1. Inicio
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En la cadena de ADN hay unas secuencias especiales que reciben el nombre de secuencias promotoras o promotores.
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Estas secuencias se sitúan antes del primer nucleótido que debe ser transcrito y que identificaremos como nucleótido +1.
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Las secuencias promotoras suelen situarse, aproximadamente, centradas en la posición –35 y –10, anteriores al nucleótido +1.
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La ARN pol se asocia a una subunidad proteica conocida como subunidad sigma y reconoce la secuencia –35, a la que se une.
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Esta unión facilita la posterior unión del enzima a la secuencia –10, mucho más próxima al inicio de la transcripción.
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Se desprende la subunidad sigma. En ese momento, la ARN pol se encuentra en la posición correcta para separar las dos cadenas de ADN e iniciar la transcripción a partir del nucleótido +1.
2. Elongación
ARN pol: inicia la síntesis con la incorporación del primer ribonucleótido, según la norma de complementariedad de bases.
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La síntesis progresa en sentido 5’ 3’ y el ARN se mantiene unido al ADN en un pequeño fragmento de unos veinte a treinta nucleótidos a partir del extremo en crecimiento.
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El resto de la cadena en crecimiento se disocia tanto de la enzima como del ADN.
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Suelen transcribirse entre veinte y cincuenta nucleótidos cada segundo.
3. Terminación
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Algunos de estos mecanismos se relacionan con la formación de bucles en la molécula de ARN que impiden el progreso de la ARN pol y provocan el desprendimiento del ADN.
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Es el caso de las secuencias de terminación formadas por dos fragmentos de ADN próximos, que contienen secuencias complementarias entre ellas.
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Al transcribirse estas secuencias, se produce complementariedad interna en la molécula de ARN en formación y, por tanto, aparecen bucles que obligarían a finalizar la síntesis de ARN.
Transcripción en Eucariotas
1. Inicio
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Las secuencias promotoras o promotores se sitúan, aproximadamente, en la posición –25, o sea, a unos veinticinco nucleótidos del lugar de inicio de la síntesis de ARN.
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Las proteínas llamadas factores de transcripción (TF, del inglés transcription factors) identifican las cajas TATA y se unen a ellas para facilitar la ubicación correcta de la ARN pol sobre la cadena de ADN. A continuación, se inicia la síntesis de ARN a partir del nucleótido +1.
2. Elongación
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La ARN pol II va recorriendo la doble hélice y utiliza como molde una de las dos cadenas.
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Esta cadena se va leyendo desde el extremo 3’ hacia el 5’.
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Al mismo tiempo, se van uniendo los ribonucleótidos, uno tras otro, y la cadena va creciendo en sentido 5’ 3’.
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Los ribonucleótidos se sitúan según la ley de complementariedad de bases, teniendo en cuenta que el ribonucleótido complementario de la adenina del ADN es el uracilo en el ARN.
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A medida que se va desprendiendo la cadena de ARNm precursor acabada de sintetizar, el ADN recupera su estructura espacial normal.
3. Terminación
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Al ARNm precursor resultante la llamamos transcrito primario.
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El proceso de síntesis de los otros ARN también se lleva a cabo de un modo parecido.
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No obstante, el transcrito primario sufre una serie de modificaciones que describimos a continuación.
LA TRADUCCIÓN
Es el proceso mediante el cual a partir del ARNm se sintetiza una proteína.
El proceso se inicia a partir de:
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Un ARNm procedente de la maduración del transcrito primario.
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Ribosomas libres en el citoplasma con su configuración correcta.
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ARNt unidos a los diferentes aminoácidos.
El mensaje, contenido en el ARNm a partir de una copia del ADN, se traduce en una secuencia de aminoácidos.
Código Genético
- Correspondencia que se establece entre cada grupo de tres nucleótidos consecutivos de la cadena de ARNm y un aminoácido.
- A estos grupos de tres nucleótidos o tripletes, los llamamos codones.
- El código genético es universal; es decir, en todos los seres vivos, cada triplete codifica para el mismo aminoácido.
Además, se dice que está degenerado, ya que existen 64 posibles tripletes y solo 20 aminoácidos diferentes, es decir, hay aminoácidos que están codificados por más de un triplete. Existen unos tripletes especiales:
• AUG, que codifica para metionina y corresponde al inicio de la síntesis.
• UAA, UGA y UAG, que determinan el fin de la síntesis.
Fases del proceso de traducción y síntesis de una proteína
Unión de los aminoácidos a los ARNt
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Está catalizada por un conjunto de enzimas que reciben el nombre de aminoacil-ARNt sintetasas.
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Existe una enzima aminoacil-ARNt sintetasa para cada aminoácido; son, por lo tanto, enzimas con una función muy especializada, ya que reconocen cada aminoácido y lo unen específicamente al extremo 3’ del ARNt que contiene el anticodón correspondiente.
Ensamblaje del complejo de iniciación
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El ARNt que transporta el aminoácido metionina se une a la subunidad pequeña del ribosoma.
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El extremo 5’ del ARNm que contiene el codón correspondiente a metionina (AUG) se une también a la subunidad pequeña del ribosoma. El ARNm se «leerá» en sentido 5’ 3’
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En esta posición quedan enfrentados el anticodón del aminoacil-ARNt y el codón del ARNm. Para que el proceso se inicie correctamente, los dos tripletes tienen que ser complementarios: UAC en el anticodón del ARNt y AUG en el codón del ARNm.
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Al complejo recién formado se une la subunidad grande del ribosoma. En ese momento queda constituido el complejo de iniciación.
Elongación de la cadena de aminoácidos
Se distinguen en el ribosoma dos sitios activos:
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El sitio P, o sitio de unión del peptidil-ARNt (el ARNt unido al péptido en crecimiento).
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El sitio A, o sitio de unión del aminoacil-ARNt.
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Al inicio de la síntesis, el sitio P (sitio peptidil) está ocupado por el primer aminoacil-ARNt y el primer codón del ARNm; aquí se produce la unión entre las bases complementarias de ambas moléculas.
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E sitio A se sitúa el siguiente aminoacil-ARNt y, en esta posición, su anticodón queda situado delante del segundo codón del ARNm
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Se produce el enlace peptídico entre el primer y el segundo aminoácido.
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Una vez unidos los dos aminoácidos, el ribosoma se desplaza al codón siguiente.
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Se desprende el ARNt que transportaba metionina y el primer codón del ARNm queda fuera del ribosoma. Prohibida su reproducción
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El complejo ARNt-ARNm que estaba en el sitio A ahora quedará situado en el sitio P.
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En el sitio A (sitio aminoacil) queda el tercer codón del ARNm accesible al aminoacil-ARNt que presenta el anticodón complementario al siguiente codón de ARNm.
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Se produce el enlace peptídico entre el segundo y el tercer aminoácido, y se repite todo el proceso.
Terminación de la síntesis
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Cuando el sitio A del ribosoma se sitúa frente a un codón de terminación (UAA, UGA, UAG), no se encuentra ningún ARNt específico para este codón.
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En este momento se produce la unión de proteínas específicas que favorecen la disociación del complejo de iniciación:
—La proteína recién sintetizada se separa del último ARNt.
—El ARNm se desprende del ribosoma. —Las dos subunidades del ribosoma se separan.
VIDEO DEL PROCESO DETALLADO DE LA REPLICACIÓNDE ADN
