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Acidos nucleicos. Replicación del ADN. Transcripción. Traducción. Código genético. Síntesis proteica. Splicing alternativo. Epigenética La composición química de los ácidos nucleicos presentes en las células es conocida desde hace mucho tiempo. Así como se sabe que los ácidos nucleicos son dos, el ADN (ácido desoxiribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico), ambos presentes en las células de la mayor parte de los organismos, también se sabe desde hace mucho tiempo que en algunos organismos del tipo viral está presente sólo uno de ellos, el ARN o el ADN. El ADN fue descubierto en el 1869 por el médico suizo F. Miescher, el cual, aún siendo estudiante se había interiorizado de la composición química de los tejidos de organismos vivientes. En ese tiempo Miescher, trabajando con glóbulos blancos extraídos de pus de la vendas de heridos de un hospital, pudo aislar un compuesto formado por azufre y fósforo en concentraciones variables, que llamó nucleína. También pudo obtener esa nucleína a partir de espermatozoides de salmón, que utilizó debido a la facilidad de obtención de los mismos como así también el hecho que en ese material el citoplasma es mínimo. El botánico Zacharías pudo posteriormente asegurar que la nucleína no solo estaba asociada a los núcleos de los organismos estudiados sino, más específicamente, a los cromosomas (1881). Más tarde, en el 1884, fue Hertwig quien, uniendo las investigaciones de Miescher sobre los espermatozoides de salmón y las observaciones de Zacharías y las propias sobre núcleos y cromosomas y sobre el proceso de fecundación de los huevos del erizo de mar, propone por primera vez una relación de la nucleína con la fecundación y sobre todo con la transmisión hereditaria de los caracteres, sobre la cual Miescher había mostrado, a pesar de algunas sugerencias, cierto escepticismo. La nucleína era por lo tanto una asociación ADN-proteína (nucleoproteína). Es decir, un compuesto formado por ácidos nucleicos (ácidos orgánicos encontrados predominantemente en el núcleo de la célula) y proteínas tales como histonas, protaminas o ambas. Sólo los ácidos nucleicos son portadores de la información genética. La función de los componentes proteínicos de los cromosomas, a partir de algunos experimentos con histonas sugieren que pueden ser agentes de represión génica. El ADN está formado por una parte idéntica para todas sus moléculas que constituye la estructura y por una parte variable representada por la bases. La estructura a doble espiral está formada por unidades de fósforo y azúcar en modo alternado, mientras que la parte variable está formada por cuatro bases nitrogenadas que se alternan en distinto modo. Las bases, que formarían los supuestos escalones de esa escalera a espiral, son las purinas y las pirimidinas. Las purinas son la Adenina y la Guanina. Las pirimidinas son la Timina, Citosina y Uracilo. El apareamiento puede ocurrir sólo entre una purina y una pirimidina y en particular entre la A (adenina) y la T (timina), como viceversa entre la T y la A,y entre la C (citosina) y la G (guanina), como así también entre la G y la C. Entre la T y la A hay dos puentes hidrógeno y entre la G y la C tres. La diferencia fundamental que justifica la especificidad de cada ADN es debido a la secuencia de las bases que lo componen. La asociación base-azúcar se denomina nucleósido, por lo que la base adenina formará la adenosina, la guanina el glucósido guanosina, la timina el nucleósido timidina, la base citosina la citidina y el uracilo la uridina. Cada nucleótido se transforma en nucleótido al agregársele el fósforo. Por ejemplo, el Adenosin-Trifosfato (ATP). El ADN es un compuesto de miles de pares de mucleótidos. La estructura que hoy conocemos del ADN se la debemos a Watson y Crick (1953) cuando describen su definitivo modelo estructural. Ellos precisaron que la estructura del ADN era representada por una molécula constituida por dos cadenas nucleotídicas arrolladas en hélice que presentan al exterior el ácido fosfórico y el azúcar que garantizan la continuidad y la estabilidad y en el interior las bases púricas y pirimídicas que se enfrentan unidas por uniones débiles de hidrógeno. Actualmente, se sabe que muchos tipos de ADN presentan en algún momento de su ciclo vital una estructura a superhélice, o sea una posterior helicoidización de la hélice original. La molécula de ADN es así un polímero largo, es decir, una macromolécula compuesta por un número de subunidades similares o idénticas, llamadas monómeros, vinculados covalentemente. En las siguientes e-direcciones se pueden encontrar esquemas de la doble hélice de ADN: http://www.pbs.org/faithandreason/media/dna-body.html http://www.counterbalance.net/media/dblhlx-body.html La otra clase de ácido nucleico, llamado ácido ribonucleico (ARN) es ligeramente diferente del ADN:
Su función primaria es intervenir en la síntesis proteica y es así que encontramos tres tipos de ARN:
En algunos virus de plantas, como el virus del mosaico del tabaco, no hay ADN y el ARN funciona como material genético, a partir del cual se sintetizan las proteínas, sin pasar por una molécula de ADN. Otros virus, como por ejemplo los leucovirus (producen leucemia en las ratas) o el rousvirus (que produce el sarcoma de Rous en pollos) o el VIH (virus de la inmunodeficiencia humana), poseen como material hereditario al ARN, pero para la síntesis de las proteínas primero sintetizan una molécula de ADN y luego proceden como veremos para la mayoría de los genes eucarióticos. Se los denomina retrovirus y no transfieren información de ARN a ARN directamente sino que deben pasar por el ADN. REPLICACION DEL ADN En el momento de la replicación ( o autoduplicación ) del ADN la dos bandas de la doble hélice se separan a lo largo de la línea que forman las bases al interior de la molécula debido a la fragilidad de las uniones puente- hidrógeno que las unían y entonces cada banda se convierte en molde para la formación de otra banda complementaria, atrayendo nucléotidos libres y enlazando los nucleótidos adyacentes bajo la dirección de la enzima ADN-polimerasa. Cada filamento de ADN tiene en una extremidad una polaridad 3' y en la otra 5' dependiendo de cual extremidad está libre, si la que está unida al C-5 o al C-3 del azúcar. La síntesis de la nueva cadena de ADN procede en dirección 5'-3'. O sea, los nucleótidos se agregan y la cadena crece en sentido 5'- 3'. Ahora bien, si las cadenas de la doble hélice de ADN son antiparalelas, aquella que usa como molde la que es 3'- 5' no tendrá problemas en ir formando la nueva cadena, pero, ¿qué ocurre con la cadena complementaria, pues el extremo libre será el 5' y como sabemos la cadena de molde debe tener el 3' libre y crecer en sentido 5'- 3'?. A diferencia de lo que ocurre en la otra cadena, en donde el crecimiento es continuo, en ésta el crecimiento es discontinuo y se realiza de a trozos, llamados, en honor a su descubridor, segmentos de Okazaki. La síntesis en esa cadena se realizará también en sentido 5'-3' de la nueva cadena y los fragmentos serán unidos por medio de una enzima ligasa. Las proteínas, que son el producto final de los genes, son una secuencia de aminoácidos, a diferencia de los ácidos nucleicos que son una secuencia de nucleótidos. Debemos tratar de entender entonces cómo puede la información dada en un lenguaje de cuatro letras (A,T,G y C) traducirse en un lenguaje correspondiente a 20 aminoácidos. Lo que deberemos interpretar es el modo en que se produce la transmisión del mensaje desde el ADN hasta la proteína. o sea, el producto génico. La estructura del ARNm es muy parecida a la del ADN como ya hemos dicho, en cuanto que se diferencia de una base, el uracilo y por su azúcar, la ribosa. La síntesis del ARN se lleva a cabo en el núcleo, mediada por la actividad de una enzima ARN-polimerasa - ADN-dependiente, la ARN- polimerasa II, la cual es responsable del ensamble de los nucleótidos que componen la cadena del ARN. El mensaje genético vendría entonces transcripto en el ARN basándose en el modelo del ADN. Para esta transcripción es necesario que la doble hélice de ADN se abra y entonces permitir la formación de la cadena de ARN. Para la formación del ARN maduro deben ocurrir una serie de pasos intermedios, que veremos a continuación, correspondientes a un gen eucariótico tipo. La cadena que se transcribirá será la de sentido 3'-5'. Una vez identificada la banda de ADN esta servirá de molde para la transcripción, mediada por la ARN-polimerasa II. Unos cuantos pares de bases antes del punto de inicio de la transcripción se encuentra la región del promotor, indispensable para que comience a actuar la ARN-polimerasa II. En esta zona se han identificado sub-regiones que variarán de acuerdo a los distintos organismos, pero en modo general las principales son:
La región del promotor es indispensable para la funcionalidad del gen pero no se transcribe.
En un primer paso se obtiene un producto primario de la transcripción, luego a este producto se le agrega un gorro o caperuza ( cap, en inglés) en el extremo 5' (del transcripto primario), y una cola de poli-adenina ( o poli-A ) al extremo 3' (del transcripto primario). Posteriormente se eliminan regiones que no se traducirán posteriormente, llamadas intrones, y se sueldan las otras regiones llamadas esones (o exones) que sí contienen toda la información necesaria para la posterior síntesis de la proteína. Todas las bases del gen se transcriben, incluyendo los intrones, para formar un ARN pre-mensajero o producto primario. Este producto luego sufre un "splicing", en donde se cortan y remueven las regiones intrónicas que no se traducirán. Por último se vuelven a unir las regiones que llevan a los exones. El producto es el ARN transcripto o ARN mensajero que será utilizado para la síntesis de la proteína correspondiente. Entonces, exón (o esón) es aquella porción de ADN transcripta y traducida. Por el contrario intrón será aquella porción de ADN, que se encuentra entre los exones, y que es transcripta en un primer momento, pero no será traducida. Clicar para ver un esquema de los procesos de la transcripción y traducción en el caso de un gen discontinuo. Ejemplo: Para el caso del gen de la ovoalbúmina, la secuencia original de ADN está formada por aproximadamente 7700 bases. El ARN transcripto tiene sólo 1872 nucleótidos, de los cuales deberemos restarles el sector del leader o guía (unos 64 nucleótidos) y el sector posterior a la señal de terminación (unas 650 bases) para llegar a los ll58 nucleótidos que codificarán para los 386 aminoácidos de la proteína del huevo. La traducción sería el proceso por el cual la célula interpreta un mensaje escrito en nucleótidos (ARNm) y lo transforma en un mensaje escrito en aminoácidos, el polipéptido. Tenemos la información genética en la molécula del ARNm que, a este punto, se ha movilizado del núcleo al citoplasma para ser traducida. ¿Cuál puede ser el código de interpretación de esa secuencia para que sea traducida? O sea, ¿cuántas bases codificarán para cada aminoácido cuando se realice la síntesis proteica ?. Es claro que esa relación no puede ser 1 ya que en este caso los aminoácidos que podríamos codificar serían sólo 4 (1 por cada nucleótido); no puede ser 2 porque serían codificados sólo 16 aminoácidos (combinaciones de 4 bases tomadas de a 2 = 42, o sea ,16); con 3 bases que codifican para un aminoácido se pueden tener 64 combinaciones, más que suficientes para explicar el sistema de decodificación. El código se dice, entonces, que es degenerado ya que para cada aminoácido hay más de una tripleta que lo codifica, como podemos ver en la tabla del código genético, donde se indican para cada tripleta el aminoácido que corresponde. Como podemos observar, existen tres tripletas que no codifican para ningún aminoácido. Por el contrario, esas tripletas, UAA, UAG y UGA son tripletas o codones sin sentido, indicadoras del final de la traducción, como veremos más adelante. El código es absolutamente linear y cada tripleta o codón (secuencia de tres bases) codifica para un solo aminoácido. ..... A U A A C C G G U U A A U G C ....... La adición de una base, por ejemplo una U, en la posición 7, cambiaría la lectura de todos los codones que se encuentran a la derecha de la base añadida. ..... A U A A C C U G G U U A A U G C ....... Lo mismo sucede con las pérdidas de nucleótidos en número de uno o dos. Cuando se pierde una tripleta entera, si bien se pierde la información para el agregado de un aminoácido, no se produce el corrimiento de lectura de toda la secuencia. El dogma central de la biología molecular, formulado por Francis Crick decía que la información genética va de ADN a ADN o de ADN a ARN. Actualmente, después del descubrimiento de los retrovirus, en donde el flujo de la información va en sentido inverso, o sea desde el ARN al ADN ese dogma se ha visto parcialmente modificado. El primer paso, como se ha visto, está representado por la transcripción del ADN. O sea, cuando la molécula del ADN sintetiza el ARN mensajero a partir de la secuencia de bases de una de sus hélices. El ARNm se moviliza desde el núcleo al citoplasma y se va a encontrar con los ribosomas. Estos inicialmente se encuentran bajo formas de unidades simples en el citoplasma pero cuando toman contacto con el mensajero forman largas cadenas llamadas poliribosomas. Los ribosomas están constituidos por proteína (ribosomal) y ARN (ribosomal). Este ARNr es sintetizado en el nucleolo de la célula por medio de la enzima ARN-polimerasa I en los organismos eucarióticos. Hay también genes que codifican para otro tipo de ARN llamado de transferencia ( ARNt ) o transfer. Este tiene características diferentes al mensajero y al ribosomal: está formado por 70-80 nucleótidos, o sea es un ARN pequeño, y además es más estable que los otros. En su síntesis interviene la enzima ARN-polimerasa III. Su mayor estabilidad es debida al hecho que, si bien tiene una estructura linear como los otros, tiene las bases unidas en modo de formar una doble hélice en algunas regiones. Debido a enrollamientos varios se arriba a una forma característica: las bases están dispuestas en modo de poderse unir, pero en los trozos donde no hay complementariedad entre las bases se forman anillos. Existen 64 tipos de ARNt, cada uno correspondiente a una tripleta del código genético. Tienen dos zonas características, una es donde se encuentra el anticodón, la otra zona será donde se unirá el aminoácido. A este punto se inicia, en los ribosomas, la síntesis proteica: los ARN de transporte o transferencia (ARNt), cargados con los aminoácidos, se van a unir a los codones del ARN mensajero (ARNm). En los ribosomas existen dos sitios, el sitio A donde el ARNt hace contacto con el ARNm y el sitio P donde se producirá la unión del nuevo aminoácido con la cadena polipeptídica en formación.
Actualmente se utiliza el término cistrón como sinónimo de gen. Entonces después de lo que hemos visto un cistrón sería una porción de ADN que posee toda la información para la síntesis de una proteína o bien para algún tipo de ARN. En procariotas, la situación es un poco distinta a lo que hemos visto para los organismos eucarióticos. En primer lugar existe una sola enzima polimerasa que sintetiza todos los tipos de ARN. Además, a diferencia de los genes fragmentados eucarióticos, los genes procarióticos son unidades continuas de ADN, por lo tanto no existe el mecanismo del "splicing" ni la preparación mediante el agregado del CAP y de la cola poli-A. Hasta hace muy poco se consideraba que a un gen le correspondía una proteína. O sea, que un gen tenía la información para producir solamente una proteína. A partir del descubrimiento de este mecanismo, se sabe que a partir de una misma secuencia de ADN se pueden obtener diversas proteínas. En síntesis, el splicing alternativo, consiste en la obtención de varios ARN maduros a partir de un solo ARN transcripto primario, y por ende varias proteínas. EpigenéticaLa epigenética, hace referencia a la regulación, expresión génica heredable, pero no ligada a cambios en los nucleótidos del ADN. Fue utilizada por primera vez por Conrad H. Waddington en 1953 para referirse a las interacciones entre genes y ambiente. La expresión de un mismo genoma en distintos fenotipos, debido a influencias ambientales, podría explicarse mediante la herencia epigenónima y al ser las modificaciones heredables, permitiría un análisis genético a través de las generaciones. En los mecanismos de regulación epigenética, estarían directamente involucradas la cromatina y las histonas (ver cap. 1). Algunos genes podrían ser “silenciados“, si en el momento de la transcripción no se encontraran completamente disponibles, por ejemplo, debido a un alto grado de condensación de la cromatina. Los principales tipos de mecanismos de información epigenética serían: la metilación de la citosina del ADN, la impronta genética (forma de manifestarse que tiene un gen dependiendo de su proveniencia parental) y la modificación de las histonas. En contraste (o en forma complementaria) al genoma se presenta el epigenoma. O sea, el conjunto de información epigenética de un organismo. Muchas de las variaciones epigenéticas explicarían las variaciones entre gemelos idénticos ya que la constitución cromosómica de ambos es la misma.
Notas relacionadas http://www.conicet.gov.ar/NOTICIAS/2005/agosto/003.php http://www.universia.com.ar/portada/actualidad/noticia_actualidad.jsp?noticia=8547
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