ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

Ácidos nucleicos. Nucleótidos. Estructura. Moléculas. Genética. Código genético

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INTRODUCCIÓN

La clave para resolver uno de los grandes misterios de la vida, el secreto de la herencia biológica, sería descubierta en el año de 1953 por dos científicos de la Universidad de Cambridge. A partir de indicios obtenidos de fuentes extraordinariamente diversas, estos investigadores lograron finalmente ensamblar la singular estructura molecular del ADN (ácido desoxirribonucleico), base fundamental de la herencia. Su hoy conocida modelo de doble Hélice (espiral) abrió el camino de las investigaciones del código genético complejo sistema químico por medio del cual el ADN controla y dirige el proceso de la síntesis proteínica.

La labor de Watson y Crick sería la culminación de largos años de exploración científica sobre la naturaleza de la herencia biológica. La senda que habría de conducir al descubrimiento de la doble hélice comenzó en un apartado monasterio, casi 100 años antes. Fue allí donde el fraile agustino y científico austriaco Gregor Mendel, el "padre de la genética" se sirvió por vez primera de las matemáticas y de pruebas sistemáticas para explicar la razón por la que determinadas características se transmiten del progenitor a su descendencia, pero lo más importante que Mendel demostró es que la herencia biológica se hallaba de hecho regulada por una serie bien definida de probabilidades matemáticas.

A comienzos de la década de los cuarenta, despúes de la realización de numerosas investigaciones sobre la función del ADN, al fin se llegó a determinación de que el ADN era en realidad un elemento crucial dentro del proceso genético.y con esto el ADN forma parte clave de la herencia, de los organismos

Una vez identificada la función del ADN, dio comienzo una febril investigación de su composición química. Se sabía ya que las moléculas del ADN constituyen largas cadenas de compuestos orgánicos denominados nucleótidos y que cada eslabón nucleótido contiene un azúcar, un fosfato, y una de estas cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), tiamina (T), guanina (G) o citosina (C),no obstante, faltaba todavía determinar cómo se combinaban estás substancias para crear una molécula de ADN, tarea que asumieron varios laboratorios europeos y estadounidenses. A comienzos de 1953 tanto en Londres como en Cambridge estaba claro que el ADN sería una doble hélice, como lo habían establecido Watson y Crick , los grupos fosfatos formarían, por su cara externa, la estructura de sostén y los nucleótidos mirarían hacia el centro. Aún faltaba por comprender cómo se unen los nucleótidos y determinan la especificidad biológica. Watson y Crick se esforzaron por enlazar los nucleótidos en el centro de la molécula. Se imaginaron primero cada nucleótido al frente de otro igual: adenina con adenina etc. Dado que las purinas tienen un doble anillo y las pirimidinas uno simple, algunos segmentos serían anchos y otros estrechos. Ello no coincidía con el suave contorno del ADN. Más aún, Chargaff había descubierto que siempre adenina y timina se encuentran en el núcleo celular en igual cantidad y lo mismo sucedía entre guanina y citosina. Al enlazar estos elementos en la molécula de ADN la explicación salta a la vista, al combinarse adenina con timina en ciertas posiciones la forma y las distancias son las mismas que al combinar guanina con citosina, lo que hace posible que ambas combinaciones existan sin tensiones al interior de la doble hélice. Sólo esas combinaciones existen: adenina con timina y guanina con citosina lo que lleva a concebir las cadenas como complementarias: una es la base de la otra. Ello permite imaginar de inmediato la multiplicación celular y la herencia.

LOS ACIDOS NUCLEICOS

Los Ácidos Nucleicos son, moléculas muy complejas que producen las células vivas y los virus. Reciben este nombre porque fueron aisladas por primera vez del núcleo de células vivas. Sin embargo, ciertos ácidos nucleicos no se encuentran en el núcleo de la célula, sino en el citoplasma celular. Los ácidos nucleicos tienen al menos dos funciones: transmitir las características hereditarias de una generación a la siguiente y dirigir la síntesis de proteínas específicas. El modo en que los ácidos nucleicos realizan estas funciones es el objetivo de algunas de las más prometedoras e intensas investigaciones actuales. Los ácidos nucleicos son las sustancias fundamentales de los seres vivos, y se cree que aparecieron hace unos 3.000 millones de años, cuando surgieron en la Tierra las formas de vida más elementales. Los investigadores han aceptado que el origen del código genético que portan estas moléculas es muy cercano en el tiempo al origen de la vida en la Tierra. Los bioquímicos han conseguido descifrarlo, es decir, determinar la forma en que la secuencia de los ácidos nucleicos dicta la estructura de las proteínas.

Las dos clases de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Tanto la molécula de ARN como la molécula de ADN tienen una estructura de forma helicoidal. Su peso molecular es del orden de millones. A las cadenas se les unen una gran cantidad de moléculas más pequeñas (grupos laterales) de cuatro tipos diferentes. La secuencia de estas moléculas a lo largo de la cadena determina el código de cada ácido nucleico particular. A su vez, este código indica a la célula cómo reproducir un duplicado de sí misma o las proteínas que necesita para su supervivencia.

Los organismos vivos son sistemas complejos. Cientos de miles de proteinas existen dentro de cada uno de nosotros para ayudarnos a desarrollar nuestras funciones cotidianas. Estas proteínas son producidas localmente, armadas pieza por pieza con especificaciones exactas. Se requiere una enorme cantidad de información para manejar correctamente este complejo sistema. Esta información, detallando la estructura específica de las proteínas dentro de nuestros cuerpos, está guardada en un conjunto de moléculas llamado ácidos nucleicos.

{ADN}
Estos ácidos nucleicos son moléculas muy grandes que tienen dos partes principales. La columna vertebral del ácido nucleico está formada de moléculas alternadas de azúcar y de fosfato que están unidas en una larga cadena, tal como está representada abajo:

LOS NUCLEÓTIDOS

Los eslabones estructurales de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, que son compuestos que derivan de la unión entre una base nitrogenada, una pentosa y el ácido fosfórico (fosfato).

Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos, según su origen:

La purina (bases púricas): Adenina (A) y Guanina (G).

La pirimidina (bases pirimidínicas): Citosina (C), Uracilo (U) y Timina (T).

{ADN}

{ADN}

Los nucleósidos se forman mediante la unión de una base con una pentosa (ribosa o desoxirribosa). El carbono 1 de la pentosa se une a un átomo de nitrógeno de la base nitrogenada por medio de un enlace N-glucosídico.

En función de la pentosa a la que se une la base nitrogenada, los nucleósidos se agruparán en: Ribonucleósidos (que contienen ribosa) y

Desoxirribonucleósidos (que tienen 2-desoxirribosa).

{ADN}

{ADN}
Los desoxirribonucleósidos monofosfato de adenina, guanina, citosina y timina forman parte del ADN.

Los ribonucleósidos monofosfato de adenina, guanina, citosina y uracilo forman parte del ARN.

Los nucleótidos que constituyen los ácidos nucleicos (ADN y ARN), se encuentran unidos formando

enlaces fosfodiéster entre el grupo 5' hidroxilo de un nucleótido y el grupo 3' hidroxilo del siguiente.

En un polinucleótido se distinguen:

{ADN}
Un esqueleto covalente fosfato-azúcar-fosfato-azúcar..., con un extremo 5' con el grupo

fosfato, y un extremo 3' hidroxilo.

Las bases nitrogenadas que salen de los carbonos 1' de las pentosas

Los nucleótidos, además de servir como precursores de la síntesis de los ácidos nucleicos, cumplen distintas funciones, entre las que se destacan:

Transportadores de energía: los nucleósidos-trifosfato son moléculas que contienen energía. Esta puede ser liberada al hidrolizarse los enlaces fosfodiéster (enlaces de alta energía). En la célula, numerosas reacciones de síntesis son posibles si se les suministra energía. Otras reacciones desprenden energía, la cual se conserva mediante la formación de estos enlaces, para que no se disipe en forma de calor. Posteriormente esta energía podrá ser utilizada para la síntesis o la realización de cualquier trabajo celular.

Mensajeros intracelulares: algunos ribonucleótido de adenina, con un fosfato que se une a los carbonos 3' y 5' de la ribosa, por lo que se forma un fosfodiéster cíclico.Interviene como mensajero químico intracelular

al desencadenar reacciones metabólicas, como respuesta a la llegada de ciertas señales (hormonas) a la membrana.

Coenzimas de oxido-reductasas: Presentan dos formas, oxidada y reducida. Las más comunes son las derivadas de nicotinamida y adenina (NAD y NADP), los derivados de la flavina (FAD y FMN) y el coenzima A (CoA)

EL ADN

Estructura del ADN

El ADN, definido como un Acidos Nucléicos,es una gran molécula formadas por la repetición de una molécula unidad que es el nucleótido. De acuerdo con el modelo de Watson y Crick, el ADN es una doble hélice, dextrógira, con las bases dirigidas hacia el centro, perpendiculares al eje de la molécula y un esqueleto exterior de azúcar-fosfato a lo largo de los lados de la hélice (que actúa protegiendo a las bases del medio ambiente).

Las hebras que la conforman son complementarias y antiparalelas, cada hebra esta hecha de un azúcar unido covalentemente a un fosfato que a su vez se une a otro azúcar y así sucesivamente, cada hebra de ADN puede contener miles o millones de estas uniones azúcar-fosfato.

{ADN}
Las hebras se dicen complementarias porque las bases de cada cadena se aparean de forma complementaria, Adenina con Timina (A-T) y Guanina con Citosina (C-G). Y antiparalelas porque una cadena está colocada en posición 5'- 3' y la complementaria en posición 3'- 5'.

Una molécula de ADN consiste en dos hebras que se encuentran arrolladas una alrededor de la otra formando una doble hélice. Las bases de las dos hebras se disponen en manera tal que cuando en una de ellas hay una adenina en la enfrentada hay timina y, cuando hay guanina en la otra hay citosina. Esto satisface la regla de Chargaff en manera tal que:
la cantidad de adenina = a la cantidad de timina (A = T)
la cantidad de guanina = a la cantidad de citosina (G = C)

Cada base púrica o pirimidinica establece puentes de hidrógeno con su complementaria, uniendo así las dos cadenas

La separación entre los pares de bases adyacentes es de 3,4 Å (0,34nm).

La hélice completa una vuelta cada 10 pares de bases , es decir cada 34 Å (3,4nm)

El diámetro de la hélice es de 20 Å (2.0nm)

De acuerdo con el modelo descrito por Watson y Crick, el ADN parece ser una molécula con estructura fija, pero  no lo es, se modifica en

función con su composición de bases o con la interacción con proteínas.

La doble hélice es capaz de adoptar muchas formas y de interactuar de muchas maneras con otras moléculas presentes en la célula

Direccionalidad: la cadena de uniones azúcar-fosfato (la "columna vertebral" , backbone en inglés) está construída en manera tal que posee una polaridad, esto es, que el fosfato en el carbono 5' de la desoxirribosa se une al 3' de la siguiente desoxirribosa. En este caso se dice que tiene una dirección 5' a 3'.

Se han descrito tres formas estructurales del ADN:

El ADN B, dextrógira, que corresponde con el modelo de Watson y Crick.

{ADN}

{ADN}
El ADN A, en el que los pares de bases están desplazados hacia el exterior respecto al eje de la hélice

{ADN}

{ADN}
El ADN Z , levógira, que tiene un esqueleto más irregular con un solo surco que discurre en forma de Z. Está generada por ciertas secuencias alternantes de purinas y pirimidinas.

{ADN}

EL ADN COMO PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

La moderna ciencia de la Genética se originó cuando Gregor Mendel descubrió que las características hereditarias estaban determinadas por unidades hereditarias que se transmitían de una generación a la siguiente de manera uniforme y predecible. Se inició en este momento (finales s.XIX) una carrera científica cuyo objeto primordial era solucionar dos problemas, en principio muy distintos, pero, como se vio más tarde, muy relacionados entre sí.

El primer problema fue el de identificar exactamente el material genético, su localización y su naturaleza química. El desarrollo de esta línea de investigación ha dado lugar a una rama de la Genética denominada Genética Molecular.

El segundo problema consistía en descubrir el modo en que se transmiten y se heredan de generación en generación las manifestaciones de ese material hereditario, es decir, los caracteres biológicos. Se creó así otra rama de la Genética llamada en honor de Mendel Genética Mendeliana.

En cuanto al primer problema, un paso previo a iniciar la búsqueda e identificación del material genético consiste en establecer los requisitos que debe cumplir. Se establecen 4 requisitos generales que se espera que cumpla el material genético:

Que se replique exactamente antes de la duplicación celular.

Que su estructura sea lo suficientemente estable para que los cambios hereditarios (mutaciones) sólo se produzcan raramente.

Que pueda llevar cualquier tipo de información biológica necesaria.

Que transmita la información a la célula.

Por otra parte, eran ya conocidos los acontecimientos que ocurrían en las células durante la mitosis y la meiosis. Los protagonistas de ambos procesos son, sin duda alguna, los cromosomas y la atención de los científicos se dirigió hacia ellos por las siguientes razones:

Se duplican con precisión y se dividen con exactitud en la mitosis proporcionando a cada célula un juego completo de cromosomas.

Su comportamiento durante la meiosis concuerda con lo que se debe esperar de la herencia, que se debe a las contribuciones de ambos progenitores.

El entrecruzamiento que sufren durante la meiosis suministra una fuente importante para la variabilidad que se observa entre los individuos de una misma especie.

Además existen pruebas considerables de que las aberraciones cromosómicas pueden estar asociadas a la herencia de características específicas.

Parecía evidente, por tanto, que el material genético había que buscarlo en los cromosomas. A finales del s.XIX se consiguió aislar el compuesto que forma los cromosomas y resultó ser una sustancia desconocida hasta entonces que se llamó ADN. Las investigaciones sobre la estructura del ADN llegaron a su culminación en 1953 con la publicación del modelo de doble hélice de Watson y Crick. Con todos los datos que se tenían, el ADN parecía cumplir totalmente los requisitos para ser el material hereditario, sólo faltaba conseguir una prueba concluyente que identificara definitivamente el ADN con el material genético. Esta evidencia se tuvo a partir de las investigaciones de Avery, McLeod y McCarty sobre transformación bacteriana, al demostrar que extractos de ADN de un determinado tipo de bacterias patógenas, cuando se añadía a otro tipo de bacterias genéticamente distintas e inofensivas, provocaba su transformación, es decir, las bacterias que captaban los extractos de ADN adquirían características genéticas de las bacterias donantes y se volvían patógenas.

Otra prueba de que el ADN es el material genético se obtuvo a raíz de los experimentos de Hershey y Chase con virus bacteriófagos y la bacteria Escherichia coli. Marcaron con isótopos radiactivos los componentes del virus, las proteínas con 35S y el ADN con 32P. Después de la infección observaron que en el interior de la bacteria sólo aparecía fósforo marcado, pero no azufre, lo que demostraba que el material genético del virus era el ADN, mientras que las proteínas de la cápside carecían de información genética y ni siquiera penetraban en la bacteria.

En el momento en que se identificó el material genético, era preciso definir las "unidades hereditarias" de las que habló Mendel desconociendo su naturaleza. Actualmente se denominan genes y se pueden definir como segmentos de ADN que contienen la información necesaria para, mediante transcripción y traducción, sintetizar una proteína. Son las unidades estructurales y funcionales de la herencia, transmitidas de padres a hijos a través de los gametos y regulan la manifestación de los caracteres heredables. Se dice que un gen se expresa cuando se descodifica, es decir, cuando se transcribe y se traduce y origina la proteína que codifica. Los genes de los procariotas son unidades continuas, o sea, que un segmento de ADN contiene toda la información necesaria para la síntesis de una proteína; sin embargo, los genes de los organismos eucariotas se encuentran fragmentados: cada gen consta de una serie de secuencias que codifican fragmentos de la proteína (exones) separadas por otras secuencias, más o menos largas, que no codifican ninguna cadena peptídica (intrones). Se calcula  que casi el 90% del total de ADN no codifica secuencia proteica alguna y formarían lo que algunos autores llaman "chatarra genética". Además, tanto en procariotas como en eucariotas, existen secuencias que no se transcriben, pero que desempeñan un papel fundamental en la regulación de la expresión génica, pues constituyen señales que indican el inicio o el final del gen que se va a transcribir. 

REPLICACIÓN DEL ADN

           La necesidad de que el material genético se autoduplique exactamente es la primera exigencia que debe cumplir. Ya en el modelo de Watson y Crick se planteaba la posibilidad de que las hebras de la doble hélice se separaran y cada una sirviera de matriz para formar la cadena complementaria. Este proceso recibió el nombre de replicación. Tal y como se había descrito hasta ese momento debía ser semiconservativo, es decir, cada doble hélice de ADN resultante sólo llevaba una de las dos hebras del ADN original, mientras que la complementaria era de nueva formación. Esto se demostró concluyentemente con los experimentos de Meselson y Stahl: cultivaron bacterias E.coli en un medio que contenía como única fuente de nitrógeno cloruro amónico marcado con 15N hasta que llegó un momento en que el ADN sólo presentaba en sus bases nitrogenadas 15N. Posteriormente cambiaron el medio de cultivo por otro con 14N normal. Las bacterias de la primera generación presentaban en su ADN 14N y 15N en igual cantidad.

El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariotas como en los eucariotas, pero es en los primeros donde más se conocen los detalles; en concreto la más estudiada es la replicación en E.coli.

Es un proceso complejo en el que intervienen más de 50 proteínas distintas agrupadas en complejos multienzimáticos. El enzima principal se denomina ADN -polimerasa y para que actúe es necesario que existan en el medio iones Mg2+ y una mezcla de 4 desoxirribonucleótidos-trifosfato (dATP, dGTP, dCTP y dTTP). Es suficiente con que falte uno de los cuatro para que no actúe la ADN -polimerasa. Básicamente este enzima realiza dos funciones:

Recorre las hebras del molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido-trifosfato que tenga la base complementaria (G-C, A-T). Una vez localizado, la ADN -polimerasa cataliza su hidrólisis separando un grupo pirofosfato (P-P) y uniendo el resto (desoxirribonucleótido-monofosfato) a la cadena de ADN que se está formando mediante un enlace fosfodiéster. La energía necesaria para esta unión se obtiene de la hidrólisis del grupo pirofosfato. Ésta es la función polimerizadora de la ADN -polimerasa.

La ADN -polimerasa es también autocorrectora ya que después de unir cada nucleótido comprueba si se han producido errores antes de incorporar el nucleótido siguiente. Si detecta un error, elimina el último nucleótido colocado y lo sustituye por el correcto.

     Sin embargo la ADN -polimerasa debe resolver dos problemas relacionados con su actividad catalítica:

La ADN -polimerasa es capaz de ir leyendo las hebras que actúan de molde en sentido 3'--5' y va sintetizando la nueva cadena en sentido 5'--3'. Esta última hebra recibe el nombre de hebra conductora. Sin embargo, la hebra molde complementaria discurre en sentido antiparalelo, es decir, 5'--3' y la ADN -polimerasa es incapaz de leerla en ese sentido. Para solucionar este problema, la ADN -polimerasa sintetiza pequeños fragmentos de ADN llamados fragmentos de Okazaki que crecen en sentido 5'--3' igual que la hebra conductora y más tarde se unen para formar la hebra completa, que en este caso se llama hebra retardada porque se sintetiza más lentamente.

Otro problema que plantea la actividad catalítica del ADN -polimerasa es que es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN y necesita un corto fragmento de ARN, llamado ARN-cebador, que actúe como iniciador de las réplicas y que se elimina posteriormente del ADN formado. 

 En resumen, el proceso completo de la replicación del ADN en E.coli es el siguiente:

El paso previo para que pueda actuar el ADN -polimerasa es el desenrrollamiento y apertura de la doble hélice de ADN. La separación de las cadenas comienza en puntos concretos llamados puntos de iniciación. A partir de ellos se van separando las dos hebras de ADN formando la llamada burbuja de replicación. Los dos extremos de la burbuja por donde continua la separación reciben el nombre de horquillas de replicación.

La síntesis de las cadenas complementarias comienza con la síntesis del ARN cebador que es una corta cadena de ARN con una secuencia complementaria de una de las porciones de las hebras del ADN y frente a la cual se coloca. En la hebra que tiene el sentido 3'--5' la ADN -polimerasa va colocando nucleótido tras nucleótido a continuación del ARN cebador. Esta hebra complementaria que va creciendo en sentido 5'--3' es la hebra conductora. En la hebra opuesta del ADN original no se puede realizar el mismo proceso porque discurre en sentido 5'--3'. Por tanto, a continuación del ARN cebador se coloca un fragmento de Okazaki y, después de éste, un nuevo ARN cebador seguido de otro fragmento de Okazaki.

En este momento actúa una ribonucleasa que elimina el ARN cebador que está entre dos fragmentos de Okazaki. El hueco que queda es rellenado por la ADN-polimerasa. El proceso continuaría con la colocación de un nuevo ARN cebador, otro fragmento de Okazaki, eliminación del ARN cebador y llenado del hueco por la ADN -polimerasa. Y así sucesivamente. La hebra que se sintetiza de esta manera es la retardada y crece en sentido 3'--5'.

La replicación llevada a cabo por la ADN -polimerasa es un proceso muy exacto, sobre todo por su actividad autocorrectora. Sin embargo, aún así se produce un error de apareamiento de bases por cada 107 pares de bases. En una bacteria esto podría resultar suficiente debido a que su cromosoma sólo posee 3·103 pares de bases. Sin embargo en el ADN humano existen 3·109 pares de bases y durante el desarrollo embrionario, a partir del zigoto el ADN humano se duplica 1015 veces, por lo que la información genética pronto se perdería.

Para aumentar más todavía la perfección de la replicación del ADN existe un complejo enzimático que detecta el nucleótido mal emparejado, lo elimina y regenera la secuencia correcta. De este modo se logra alcanzar una perfección de un error cada 1010 pares de bases. Este proceso se conoce con el nombre de corrección postreplicativa. 

TRANSCRIPCIÓN

           Otra de las exigencias que debe cumplir el material genético es que sea capaz de transmitir la información que contiene al resto de la célula. Como el material genético es ADN y éste se encuentra en los cromosomas, dentro del núcleo, debe existir una molécula que transporte esta información desde el núcleo hasta el citoplasma atravesando la envoltura nuclear. Esta molécula es el ARNm. Además, a partir del ADN también deben sintetizarse los restantes tipos de ARN. El proceso de síntesis de ARN a partir del ADN se denomina transcripción genética. El enzima encargado de llevar a cabo este proceso la ARN-polimerasa que cataliza la unión de los ribonucleótidos-trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP) según una secuencia determinada; para ello utiliza como molde o patrón una de las dos cadenas del segmento de ADN (un gen) que se va a transcribir. La secuencia de ARN transcrito es complementaria de una de las dos cadenas del gen salvo por el hecho de que la base complementaria de la A es el U. La energía necesaria para la unión de los ribonucleótidos se obtiene de la hidrólisis de los ribonucleótidos-trifosfato que liberan un grupo pirofosfato. Es, por tanto, semejante a lo que ocurre en la duplicación del ADN.

La trascripción varía en algunos detalles en los organismos procariotas y eucariotas. 

a) TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS: Sólo existe un tipo de ARN-polimerasa que cataliza la síntesis de todos los ARN. En el caso del ARNm, su síntesis transcurre en 4 etapas:

           - Iniciación: En todos los genes hay una secuencia característica denominada promotor que indica dónde debe empezar la síntesis del ARNm y cuál de las dos hebras del ADN debe ser transcrita. 

           - Elongación: Después de unirse al promotor, la ARN-polimerasa se acopla a una de las cadenas del ADN y desenrolla aproximadamente una vuelta de hélice, con lo que queda al descubierto la hebra de ADN que actuar  como patrón. El enzima se desplaza por la hebra patrón de ADN en sentido 3'--5', mientras que la cadena de ARNm se va formando en sentido 5'--3' conforme se añaden nucleótidos. A medida que el enzima se desplaza, el ADN recupera su configuración inicial de doble hélice. 

           - Terminación: La ARN-polimerasa sigue añadiendo ribonucleótidos hasta que se encuentra con la señal de terminación, lo que marca el final de la síntesis del ARN, cuya cadena recién formada se libera en forma de una sola hebra, aunque en algunos casos, cuando presenta secuencias autocomplementarias, adopta estructura secundaria.

           - Maduración: En los procariotas los genes son continuos, no tienen intrones, por lo que las moléculas de ARNm no necesitan ningún tipo de transformación previa a la traducción por los ribosomas. Sin embargo, los ARNt y ARNr no se sintetizan como tales, sino que provienen de moléculas de ARN, llamado ARN trascrito primario, que precisan un proceso de maduración. 

b) TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS: Presenta dos diferencias fundamentales respecto a la de procariotas: (1) los genes están fragmentados, poseen intrones y exones, por lo que todos los ARN necesitan un proceso de maduración a partir del ARN transcrito primario, y (2) existen tres clases de ARN-polimerasa diferentes, cada una de las cuales cataliza la síntesis de un ARN distinto. La que sintetiza el ARNm es la ARN-polimerasa II. La síntesis de ARNm en eucariotas transcurre también en 4 fases:

           - Iniciación: El promotor está formado por una secuencia de T y A, llamada TATA box, que es reconocida por la ARN-polimerasa II.

           - Elongación: La diferencia con los procariotas es que, cuando se han trascrito unas 30 bases del gen, al ARNm se le añade en el extremo 5' una caperuza formada por una guanosín-trifosfato metilada (metil-GTP). Mientras tanto, la cadena de ARNm continua creciendo (en sentido 5'--3') a unos 30 nucleótidos por segundo, transcribiéndose tanto los exones como los intrones.

           - Terminación: Cuando la ARN-polimerasa II transcribe la secuencia de finalización, la trascripción termina y actúa otro enzima que añade en el extremo 3' del ARNm una cola de poli-A formada por unos 150-200 ribonucleótidos de A.

           - Maduración: Los ARNm transcritos primarios contienen secuencias intercaladas (las que corresponden a los intrones) que no codifican ningún péptido, por lo que deben ser eliminadas. Esto se realiza mediante cortes entre los intrones y los exones: los primeros se enrollan en lazos y se eliminan, mientras que los segundos se empalman y forman una molécula de ARNm que contiene los nucleótidos necesarios para sintetizar la proteína.   

EL CÓDIGO GENÉTICO

            El moderno concepto de información genética establece que un gen es un fragmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. Dado que la información genética está contenida en secuencias de bases nitrogenadas, es preciso transformar esta información en cadenas de aminoácidos para formar las proteínas.

Los ácidos nucleicos están formados por 4 clases de nucleótidos mientras que las proteínas están formadas por 20 aminoácidos. Es necesario establecer una correlación entre las bases y los aminoácidos para averiguar de qué modo la información contenida en el ADN es capaz de ordenar la síntesis de una determinada proteína.

Si a cada aminoácido correspondiese un solo nucleótido entonces sólo se podrían codificar 4 aminoácidos. Si fuesen dos nucleótidos los que codifican un aminoácido, las posibles combinaciones serían 42=16 y tampoco serían suficientes. Las combinaciones de 3 nucleótidos son 43=64 con lo que es posible codificar los 20 aminoácidos y sobrarían códigos. Se puede imaginar según esto el ADN formado por una sucesión de grupos de 3 nucleótidos, llamados tripletes, correspondiente cada uno a un aminoácido.

Este planteamiento teórico ha sido demostrado experimentalmente y, efectivamente, el código de cada aminoácido está contenido en un triplete o en varios de nucleótidos del ADN. Este código que asocia a cada aminoácido un grupo de 3 nucleótidos se denomina código genético. Se considera que es degenerado porque existen más tripletes que aminoácidos hay para codificar, y universal ya que sin apenas variaciones es utilizado por todos los seres vivos, aunque con la excepción de las mitocondrias, que utilizan un código genético ligeramente diferente para traducir la información contenida en sus pequeños cromosomas circulares.

En este punto de las investigaciones, el siguiente problema era establecer qué triplete correspondía a cada aminoácido. Esto se logró gracias a un enzima descubierto en 1955 por Severo Ochoa, la polinucleótido-fosforilasa, que cataliza la síntesis de polinucleótidos. Esta síntesis se puede realizar en presencia de cualquiera de los nucleótidos-fosfato que forman los ácidos nucleicos. Si en el medio de la reacción sólo existen, por ejemplo, nucleótidos de U, el enzima sintetiza un ácido nucleico con U como única base nitrogenada (poli-U). Con este enzima y la bacteria E.coli Niremberg consiguió empezar a descifrar el código genético; usando poli-U como ARNm la bacteria sintetizaba proteínas formadas únicamente por el aminoácido fenilalanina (Phe), por lo que su código debía ser forzosamente UUU. Del mismo modo se estableció que el código de la Pro era CCC, el de la Lys AAA y el de la Gly GGG. Para tripletes con bases nitrogenadas distintas el proceso es mucho más complicado, pero finalmente se ha llegado a establecer el código genético completo, sabiéndose actualmente el significado de los 64 tripletes. 

TRADUCCIÓN GENÉTICA

           Es el proceso mediante el cual se sintetiza una proteína a partir de un ARNm que, previamente, se ha transcrito en un gen del ADN. Tiene lugar en los ribosomas, por tanto en el seno del citoplasma.

Para que la información contenida en la secuencia de bases del ARNm sea traducida a una secuencia de aminoácidos de una proteína debe existir una molécula intermediaria que solucione dos problemas: (1) para que cada aminoácido se coloque en su triplete correspondiente del ARNm es preciso que dicho triplete sea descodificado, y (2) el tamaño molecular de un triplete de nucleótidos es mucho mayor que el de un aminoácido.

Esta molécula intermediaria es el ARNt y su funcionamiento durante la traducción se debe fundamentalmente a su estructura secundaria en forma de hoja de trébol. Se presenta doblado dispuesto en 4 brazos formados por dobles cadenas de ARN enfrentadas y unidas por sus bases por puentes de Hidrógeno, y tres bucles en los extremos de estos brazos que no tienen sus nucleótidos apareados. El brazo que no tiene bucle presenta en su cadena más larga (extremo 3') siempre el triplete CCA que es el que sujeta al aminoácido precisamente por la A. El bucle del brazo opuesto posee un triplete de anclaje que es complementario de un triplete del ARNm. Estos dos tipos de tripletes reciben distintos nombres: el del ARNm se llama codon y el correspondiente del ARNt anticodon. Cada molécula de ARNt es específica de cada aminoácido, de tal manera, que según el anticodon de anclaje que posea, sujeta por el triplete CCA a uno u otro aminoácido de los que existen libres en el citoplasma de la célula. La fijación de un aminoácido al triplete CCA del ARNt exige una previa activación de dicho aminoácido por una molécula de ATP que libera un grupo pirofosfato y se precisa la intervención de un enzima, la aminoacil-ARNt-sintetasa, específico de cada aminoácido. El complejo aminoácido-ARNt unidos recibe el nombre de complejo de transferencia y constituye la forma en que los aminoácidos son transportados y unidos para formar las cadenas de proteínas.

Ejemplo: el triplete que codifica el aminoácido Metionina (Met) es AUG. Cuando en una posición determinada de una proteína debe colocarse una Met, en el ARNm aparece el triplete (codon) AUG. Sobre este codon sólo podrá colocarse aquel ARNt que posea un triplete (anticodon) complementario, es decir UAC.

Dicho ARNt llevar  en el otro extremo de su molécula, unido al triplete CCA el aminoácido Met que habrá  sido unido por el enzima Metionil-ARNt-sintetasa formando un complejo de transferencia con Met (representado por ARNtMet).

Tanto en los procariotas como en los eucariotas, el mecanismo de la síntesis de proteínas se puede considerar dividido en tres etapas sucesivas: iniciación, elongación y terminación.

           - Iniciación de la síntesis de proteínas: Hacen falta dos señales de iniciación para que comience la síntesis de proteínas: el triplete iniciador AUG, que codifica la Metionina, y la caperuza de metil-GTP del ARNm, de tal manera que la traducción comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza. Con la energía que produce la hidrólisis del metil-GTP la subunidad menor del ribosoma se une al ARNm en la zona próxima a la caperuza (extremo 5'), formando el complejo de iniciación, y se coloca el ARNt iniciador, que está cargado con el aminoácido Metionina y posee el anticodon complementario al AUG (por ello, todas las proteínas recién sintetizadas poseen metionina en su extremo N-terminal; después, en muchos casos, esta Met se elimina). Al final de esta etapa de iniciación la subunidad mayor del ribosoma se acopla con el complejo de iniciación para formar un ribosoma completo dotado de dos hendiduras o sitios de fijación: el sitio P, que queda ocupado por el ARNtMet, y el sitio A, que está libre para recibir a un segundo ARNt cargado con su correspondiente aminoácido.

           - Elongación de la cadena polipeptídica: consiste en la unión de sucesivos aminoácidos que se van añadiendo a la cadena polipeptídica en el seno de los ribosomas. Puede considerarse como la repetición de ciclos de elongación, cada uno de los cuales consiste en añadir un nuevo aminoácido. Cada ciclo de elongación consta de tres fases:

                         Primera fase: el sitio P está ocupado inicialmente por el ARNtMet y en el sitio A, que está vacío, se introduce el ARNt cargado con su correspondiente aminoácido, cuyo anticodon es complementario al triplete siguiente al AUG (en el esquema ACU); se aloja por tanto el ARNt con el anticodon UGA, que lleva la Treonina (ARNtThr).

                         Segunda fase: la Metionina, que está unida por su grupo carboxilo al ARNt, rompe este enlace y se une, mediante enlace peptídico, al grupo amino de la Treonina, que, a su vez, está enlazada a su ARNt. El resultado es la formación de un dipéptido (Met-Thr) unido al ARNt de la Treonina y alojado en el sitio A.

                         Tercera fase: El ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm exactamente 3 nucleótidos en sentido 5'--3'. Esto provoca la expulsión del ARNt de la Met del sitio P, mientras que el ARNt de la Treonina, junto con el dipéptido que lleva unido, pasan del sitio A al sitio P, dejando vacío el primero, con lo que se vuelve a la primera fase y se inicia otro ciclo de elongación que, en el esquema corresponde a la Fenilalanina (Phe).

           - Terminación de la síntesis de proteínas: La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando aparece, durante la tercera fase de un ciclo de elongación, en el sitio A uno de los tres codones de terminación en el ARNm (UAA, UAG o UGA). En este momento un factor proteico de terminación (RF) se une al codon de terminación e impide que algún complejo de transferencia se aloje en el sitio A, con lo que al desplazarse el ribosoma queda libre el extremo C-terminal de la proteína, y por tanto la proteína misma, habiendo terminado su síntesis. 

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

           La supervivencia en ambientes a menudo hostiles y cambiantes ha obligado a los seres vivos a adoptar un conjunto de estrategias encaminadas a regular con la máxima eficacia la expresión de sus genes. Por ello, para aprovechar adecuadamente las fuentes energéticas de que disponen, que no siempre son abundantes, y evitar el despilfarro de energía, las células procarióticas y eucarióticas sintetizan en cada momento sólo aquellas proteínas que necesitan.

           Las bacterias están obligadas a responder continuamente a los cambios producidos en el ambiente externo y, por tanto, utilizan en cada momento solamente aquella fracción de información genética que resulta realmente necesaria para dar respuesta a la variación de factores ambientales (nutrientes, temperatura, etc.). A principios de los años sesenta, Jacob y Monod propusieron un modelo denominado operón para la regulación de la expresión génica en las bacterias. Un operón es un conjunto de genes que codifican proteínas diferentes implicadas en procesos bioquímicos muy relacionados (por ejemplo los enzimas que intervienen en una misma ruta metabólica); todos estos genes se localizan en el cromosoma unos cerca de otros, con el fin de que la regulación de su expresión se realice de forma coordinada. En cada operón se diferencian las siguientes partes:

           a) Los genes estructurales (GE1, GE2, GE3, ......) que codifican la síntesis de las proteínas enzimáticas (E1, E2, E3, .....) que participan en un determinado proceso bioquímico.

           b) El gen regulador (R) que codifica la síntesis de una proteína represora y es el agente que controla materialmente la expresión.

           c) El promotor (P) que está próximo a los genes estructurales y que es la zona donde se une la RNA-polimerasa y decide el inicio de la transcripción.

           d) El operador (O) que es una región intercalada entre el promotor y los genes estructurales y que posee una secuencia característica que cuando es reconocida por la proteína represora, bloquea el operador impidiendo el avance de la RNA-polimerasa con lo que la transcripción se interrumpe y se produce una represión génica (los genes no se expresan). 
 

           Ejemplo de regulación de la expresión génica: operón lactosa: el proceso seguido es el siguiente: el gen regulador se transcribe y se sintetiza la proteína represora que bloquea el operador e impide la síntesis de los enzimas E1, E2, E3, .....encargados de metabolizar la lactosa y transformarla en los productos 1, 2, 3 .... y P (producto final). La lactosa aportada por la dieta es capaz de unirse a la proteína represora y provocarle un cambio que la vuelve inactiva, por lo que, al alcanzar la lactosa un nivel determinado de concentración, se inactiva toda la proteína represora y el operador se desbloquea; los genes estructurales se expresan (se transcriben y traducen) y los enzimas E1, E2, E3,.... catalizan la transformación de la lactosa en el producto P; a medida que descienden los niveles de lactosa, la proteína represora vuelve a activarse, se bloquea el operador y la expresión de los genes estructurales vuelve a reprimirse. 

           En los seres pluricelulares existe también una especialización de las células que responde a determinados factores del ambiente interno. Esta especialización lleva consigo la diferenciación de tejidos en el organismo pluricelular. Aunque todas las células de un mismo organismo poseen el mismo ADN, los mismos genes, éstos no se expresan en todas por igual; por ejemplo, los genes de la hemoglobina sólo se expresan en los eritrocitos. Los mecanismos que regulan la expresión génica constituyen, por tanto, el fundamento molecular de la diferenciación celular, proceso por el cual, ya durante el desarrollo embrionario, determinados genes se reprimen y otros se expresan en diferentes tipos celulares para dar lugar más tarde a los distintos tejidos de un organismo.

           El mecanismo más importante y generalizado de regulación de la expresión génica, tanto en bacterias como en eucariotas, es el control sobre la transcripción. En los tejidos de los organismos pluricelulares la mayoría de las decisiones encaminadas a producir unas proteínas y no otras se realiza mediante la activación de la transcripción de unos genes y la represión de otros.

           La activación de la transcripción se lleva a cabo frecuentemente por medio de una descondensación de la cromatina. Frente a señales reguladoras del medio interno, generalmente de naturaleza hormonal, la cromatina de una región determinada se descondensa durante un período de tiempo corto pero suficiente para que se transcriban los genes localizados en esa zona.

           En las plantas se da un caso especial de regulación de la expresión génica en el que es la luz la que ejerce una función activadora de determinados genes vegetales. La luz, además de ser fuente de energía para la fotosíntesis, controla el desarrollo de la planta mediante un proceso llamado fotomorfogénesis que decide el tamaño que debe alcanzar la planta, el número de hojas, cuándo debe florecer y fructificar y, por último, el tiempo que debe durar hasta que envejece y muere. 
 


 

Cada uno de los grupos de azúcar en la columna vertebral está unido (a través de la unión roja) a un tercer tipo de molécula llamada base nucleótica. Mientras que hay sólo cuatro diferentes bases nucleotídicas que pueden estar en un ácido nucleico, cada ácido nucleico contiene millones de bases unidas a él. El orden en el cual estas bases nucleótidas aparece en el ácido nucleico, codifica la información contenida en la molécula.  En otras palabras, las bases nucleótidas sirven como una suerte de alfabeto genético donde está codificada la estructura de cada proteína de nuestros cuerpos. 

base nucleótida

base nucleótida

Pirimidinas

Purinas

Ribosa

Desoxirribosa

Pentosa

Los nucleótidos son ésteres fosfóricos de los nucleósidos. El ácido fosfórico se une a alguno de los hidroxilos libres de la pentosa,

normalmente el 5': Nucleótido = nucleósido + fosfato. Los nucleótidos pueden tener una, dos o tres moléculas de fosfato unidas entre sí,

según se trate de nucleósidos monofosfato, difosfato o trifosfato.