Departamento de Ciencia y Tecnología - Biología - 4º Medio. Profesor: Omar Jaque.

Fig. 1: Bases nitrogenadas.

Purinas (dos anillos).

Pirimidinas (un anillo). Uracilo en el ARN.

Guía N°1 Información Genética

La genética es la rama de la biología que estudia la transmisión de características heredables de los progenitores a la descendencia. Para entender la transmisión de características de una generación a otra, es necesario conocer los conceptos básicos acerca de la herencia de caracteres.

En las células eucariontes, dentro del núcleo se halla la cromatina, molécula formada por ADN (Ácido desoxirribonucleico) e Histonas. El ADN es el encargado de portar la información genética. Llamamos genes a las distintas porciones de esta macromolécula que se ocupan, cada una de ellas, de una característica hereditaria determinada, aunque la obtención de una característica es más compleja y depende de la interacción del material genético con el citoplasma celular, con el medio ambiente, y también de la interacción con otros genes.

El conjunto de genes heredados es lo que se denomina Genotipo. El genotipo provee la información necesaria para la producción de diversos rasgos; luego, éstos se ven influidos por el medio ambiente. De esta interacción con el medio ambiente resulta lo que llamamos Fenotipo, que corresponde a las características observables de cada individuo.

Teoría Cromosómica de la herencia

Durante el siglo XX, cuando las técnicas para el estudio de la célula ya estaban suficientemente desarrolladas, se pudo determinar que los genes estaban formados por ácido desoxirribonucleico (ADN) y que además se encontraban dentro de unas estructuras que aparecían en el citoplasma justo antes de cada proceso de división celular, los cromosomas. Además, se determinó que estos estaban repetidos en la célula formando un número determinado de parejas de cromosomas homólogos característico de cada especie, uno de los cuales se heredaba del padre y el otro de la madre.

En base a estos descubrimientos realizados por Theodor Boveri y Walter Sutton, y a los estudios realizados

por el zoólogo estadounidense Thomas H. Morgan sobre los cromosomas de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), se pudo elaborar la teoría cromosómica de la herencia (1902), donde se establecía de manera inequívoca la localización física de los genes en la célula, en los cromosomas. Gracias a esta teoría se pudo dar también una explicación definitiva a los casos en los que no se cumplían con exactitud las leyes de Mendel.

Los dos postulados de la teoría cromosómica de la herencia son:

• Los cromosomas contienen los genes.

• Los cromosomas se recombinan.

Estructura del ADN

Una molécula de ADN está formada por una doble hebra de nucleótidos que tiene una estructura helicoidal parecida a una escalera de caracol, en la que los escalones están formados por un par de bases nitrogenadas unidas entre sí por puentes de hidrógeno. Estas bases son cuatro distintas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T) (fig.1). Debido a sus formas y dimensiones particulares, cada base del par sólo puede hacer pareja con otra base específica para completar el escalón. Así tenemos que A se aparea solamente con T y G solamente con C, lo que da como resultado que las bases de un escalón sean siempre complementarias.

Al conjunto que forman una base, un azúcar y un fosfato se le llama nucleótido. Una secuencia definida de

pares de bases constituye lo que se llama un gen; la variabilidad en la secuencia de bases forma el código genético. En los genes de un organismo está la información precisa, que al ser descifrada permite construir las proteínas necesarias para que funcionen los diferentes procesos y maquinarias que en su conjunto forman una célula.

Departamento de Ciencia y Tecnología - Biología - 4º Medio. Profesor: Omar Jaque. En 1953 James Watson y Francis Crick diseñaron un modelo de la estructura del ADN que reunía todos los

requisitos de una molécula auto replicable. Este modelo es conocido como el modelo de la doble hélice.

Fig. 2: El ADN: la doble hélice. En las células eucariontes, el ADN no está en el citoplasma como en las bacterias, sino contenido por la

carioteca, la cual a su vez está contenida dentro de la célula y, por consiguiente, el núcleo es pequeño (unos 5 µm de diámetro). En este caso, la molécula de ADN de unos 2 metros de longitud por célula, lo cual es mayor que en las bacterias, tiene que compactarse en gran medida y esto se logra enrollándose sobre otras moléculas, que son las proteínas llamadas histonas. Dos vueltas del ADN al conjunto de 8 histonas (dos H3, dos H4, dos H2A y dos H2B) se conocen como nucleosoma, y quien cierra por fuera las vueltas en la histona H1. Estos nucleosomas seguirán enrollándose una y otra vez hasta formar así las estructuras conocidas como cromosomas, los cuales se mantienen en un número constante según su especie.

Fig. 3: Nucleosoma (a la izquierda) y estados de compactación del ADN (a la derecha).

cromatina

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Como ya se ha mencionado, el ADN es una doble hélice y sus características principales están determinadas por los azúcares (desoxirribosa) que se orientan en una dirección en una cadena y en la dirección opuesta en la otra. Debido a este arreglo inverso de los azúcares en cada cadena, el ADN gira una vuelta completa (es decir, 360 grados) cada 10 pares de bases.

Cada hebra está formada por nucleótidos unidos covalentemente a través del azúcar-fosfato por el enlace fosfodiéster. Las dos hebras están unidas entre sí por puentes de hidrógeno entre las bases adyacentes (A y T con 2, C y G con 3), y la conexión entre la base y la pentosa es por el enlace N-glucosídico.

Otra característica importante es que al esqueleto de azúcar-fosfato puede unirse cualquier base, púrica o

pirimídica, teniéndose teóricamente cualquier arreglo o secuencia de ellas. Pero las bases de una cadena deben complementarse con las bases de la otra cadena; así, G sólo se une con C y A sólo lo hace con T. De este modo, si nosotros sabemos la secuencia de bases en una cadena podremos deducir la secuencia de la cadena opuesta. Entonces, en una cadena doble de ADN el número de A es igual al número de T, y el número de G es igual al número de C. Por ejemplo, si sabemos que una secuencia de una determinada región de una cadena de ADN es ATTGC, podremos deducir que la cadena opuesta tendrá la secuencia TAACG para esa misma región. Y es así como están constituidos los genes: trozos de ADN cuya secuencia es determinada y distinta de otros genes.

Fig. 4: Nucleótido.

Fig. 5: Molécula de ADN.

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El Dogma Central de la Biología Molecular

Sabemos que la molécula de la herencia, el ADN, está formada por una secuencia de nucleótidos, y que cada uno de éstos contiene una base nitrogenada: adenina, guanina, timina o citosina. Es así como la información genética es precisamente la secuencia de estas bases nitrogenadas dentro de un segmento determinado. Se dice entonces que la información está codificada por su secuencia de bases. Cada tres bases tendremos un codón en el ARNm, que corresponde a su vez a uno de los 20 aminoácidos existentes.

De esta manera, la información contenida en el ADN tiene que ser transcrita a una molécula intermedia, el

ARN (Ácido ribonucleico), para sintetizar una proteína. De acuerdo con las reglas establecidas por el modelo de Watson y Crick: una A se aparea con una U (en el caso del ARN la timina es sustituida por el uracilo), y una G con una C. El resultado es la formación de una molécula conocida como ARN mensajero, que a su vez será traducida en una proteína por los ribosomas. Cada codón de ARN dirige la incorporación de un aminoácido particular para formar una proteína. Entonces, tenemos que la formación de proteínas a partir de ADN es un proceso de dos pasos: primero, a partir de una cadena de ADN se forma un ARN mensajero, es decir, el ADN es transcrito en ARN; segundo, este ARN mensajero es traducido para formar las proteínas. Dicho de otro modo, los genes codifican para proteínas. La vía molecular de esta síntesis fue designada por F. Crick como el “Dogma Central de La Biología Molecular”, el cual expresa los flujos de información genética y que posteriormente tuvo algunas modificaciones.

Fig. 6: Dogma Central de la Biología Molecular.

Replicación del ADN

La replicación o duplicación es el proceso mediante el cual se copia el ADN. Se realiza en la etapa S del

ciclo celular, pues toda célula que va a dividirse debe duplicar su material genético para repartirlo por igual entre las células hijas, por lo que de sus 2 cantidades de ADN en la etapa G1 pasará a tener 4C en la etapa G2, con lo cual ingresará a la mitosis.

Este proceso es semiconservativo y bidireccional. Funciona de manera similar tanto en procariontes como en eucarionte, salvo algunos cambios principalmente de las proteínas que participan. Fig. 7: Experimento de Meselson y Sthal para identificar el mecanismo de replicación del ADN.

Departamento de Ciencia y Tecnología - Biología - 4º Medio. Profesor: Omar Jaque. Iniciación: desenrollamiento y apertura de la doble hélice. Interviene un grupo de enzimas, cada una con una

función específica.

• Actúa la enzima helicasa, la que permite separar las dos hebras del ADN al romper los puentes de

hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

• También actúan el ADN topoisomerasas, en este caso la ADN topoisomerasa II o ADN girasa, la que elimina la tensión generada por el desenrollamiento cortando la doble hebra del ADN, corte que luego es sellado por la ADN ligasa a través del enlace fosfodiéster.

• Las SSBP (proteínas de unión a la hebra simple) se unen a las hebras molde separadas por la helicasa para que no vuelvan a unirse por complementariedad de bases.

Elongación: Síntesis de dos nuevas hebras de ADN.

• Como la ADN polimerasa es incapaz de iniciar la síntesis por sí sola, necesita un cebador o primer, que es una secuencia de ARN de unos 10 nucleótidos sintetizado por una ARN polimerasa llamada primasa. Este cebador será eliminado posteriormente.

• Luego actúa la ADN polimerasa (ADN pol) para sintetizar las nuevas hebras en sentido 5´- 3´, ya que la lectura se hace en el sentido 3´- 5´.

• En procariontes, la ADN polimerasas III es la encargada de la replicación, la ADN pol I elimina el cebador y completa con nucleótidos de ADN y la ADN pol II corrige los errores de la replicación. En eucariontes una ADN pol con varias subunidades realiza todas las actividades.

• La cadena 3´- 5´ es leída por la ADN polimerasa sin ningún tipo de problemas, por lo que la hebra sintetizada de manera continua se llama hebra líder o conductora. La cadena 5´- 3´ no puede ser leída directamente, por lo que se lee por trozos desde 3´- 5´, en la medida que avanza la horquilla de replicación, formándose entonces la hebra retardada o rezagada en base a los fragmentos de Okazaki (de unos 100 nucleótidos), que se sintetizan en el sentido 5´- 3´ y que luego serán unidos.

Terminación: corrección de errores y finalización de la copia.

• La ADN polimerasa tiene actividad exonucleásica, con lo que corrige los errores cometidos durante la replicación. Luego de la replicación, en la etapa G2 del ciclo celular la ADN pol vuelve a revisar el ADN corrigendo los errores que aún estén (se sintetizan ~6 x 10^9 nucleótidos y se cometen en promedio 1 error por cada 10^9 nucleótidos).

• La ADN pol elimina los primers y completa con ADN ese segmento.

• La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki a través del enlace fosfodiéster.

• La telomerasa sintetiza segmentos repetitivos al final de cada cromosoma (TTAGGG), los telómeros, para

prevenir que se pierda ADN codificante en cada replicación. Esta enzima se encuentra activa en células de la línea germinal y en células troncales. Fig. 8: Burbuja de replicación. Fig. 9: Horquilla de replicación.

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Fig. 10: Fragmentos de Okazaki.

Transcripción

En la transcripción, un gen del ADN es copiado como ARN, cuyos nucleótidos poseen ribosa en vez de

desoxirribosa, y la base nitrogenada timina no está presente, en su reemplazo existe uracilo. Hay diversos tipos de ARN en la célula:

• ARN ribosomal (ARNr): junto con proteínas asociadas constituyen los ribosomas, los que se encargan de la síntesis proteica.

• ARN mensajero (ARNm): su secuencia de nucleótidos determina la cadena polipeptídica (proteína) que se

sintetizará en los ribosomas.

• ARN de transferencia (ARNt): transportan los diferentes aminoácidos hacia los ribosomas en la síntesis proteica.

Fig. 11: ARNm (a la izquierda) y ARNt (a la derecha).

Iniciación.

• En eucariontes, factores de transcripción se unen a la secuencia promotora para facilitar la unión de la ARN polimerasa (ARN pol). Las secuencias promotoras son sitios específicos en el ADN que indican la proximidad de un gen. Por ejemplo: CAAT (cat box) está 75 bases nitrogenadas antes del gen y TATA (tata box) 25 bases nitrogenadas antes del gen.

• La ARN polimerasa se une al ADN en una secuencia promotora y desde allí comienza a separar las

hebras rompiendo los puentes de hidrógeno.

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Elongación: síntesis de ARN.

• La transcripción es realizada por la misma enzima ARN polimerasa, quien comienza a copiar cuando encuentra la secuencia de inicio TAC, leyendo el gen desde 3´-5´, por lo que sintetiza el ARN de 5´-3´. La ARN pol no posee actividad exonucleásica.

• Luego de copiar unos 30 nucleótidos, cuando es ARNm se añade un nucleótido trifosfato en el extremo 5´ llamado CAP o casquete 5´, el cual sirve para que la subunidad ribosómica menor reconozca el ARNm y, además, evita que se degrade en el citoplasma el ARNm recién sintetizado.

• En eucariontes hay tres ARN polimerasas:

• ARN pol I: sintetiza la mayor parte de los ARNr.

• ARN pol II: sintetiza ARNm.

• ARN pol III: sintetiza ARNt y una pequeña parte de ARNr. Terminación: maduración del ARNm.

• La ARN pol deja de transcribir al encontrar una secuencia específica de término: ATT, ACT o ATT.

• Luego, la enzima poli-A polimerasa añade en el extremo 3´ cerca de 200 nucleótidos de adenina, formando

la llamada cola de poli A, la que permite la exportación del ARNm al citoplasma y contribuye a su estabilidad.

• En eucariontes el ARNm transcrito es muy largo, tiene unos 8.000 nucleótidos (llegando hasta 20.000) y contiene segmentos llamados exones, los que se traducirán como aminoácidos, y segmentos no codificantes llamados intrones, los que son eliminados antes de salir del núcleo en un proceso conocido como splicing o maduración del ARNm, que es llevado a cabo por un conjunto enzimático denominado spliceosoma. De esta forma, el splicing se define como el corte de intrones y empalme de exones.

Fig. 12: Transcripción.

Departamento de Ciencia y Tecnología - Biología - 4º Medio. Profesor: Omar Jaque. Traducción

Corresponde a la síntesis proteica a partir de la lectura del ARNm. Iniciación.

• El ARNm transcrito a partir de un gen sale del núcleo y se une en el citoplasma a la subunidad menor de un ribosoma, en su extremo 5´.

• El ARNt que lleva el primer aminoácido reconoce el codón de inicio del ARNm y se une a él a través de su anticodón.

• La subunidad mayor del ribosoma encaja en el complejo subunidad menor, ARNm y ARNt. Esta subunidad contiene los sitios A, P y E. El primer ARNt ocupa el sitio P. Elongación.

• El segundo ARNt reconoce al segundo codón y se une a éste con su antiodón, ocupando el sitio A de la subunidad mayor.

• La enzima peptidil-transferasa une el primer y segundo aminoácido a través del enlace peptídico.

• Comienza a avanzar el ribosoma a lo largo del ARNm, y el ARNt que ocupaba el sitio P sale del ribosoma pasando por el sitio E, al mismo tiempo que el segundo ARNt, que contiene en el extremo los dos aminoácidos unidos se mueve hacia el sitio P. Ahora el sitio A está libre para el siguiente ARNt.

• Este proceso se repite hasta que el ribosoma se encuentra con el codón de término en el ARNm. Terminación.

• El factor de liberación se une al codón de término, lo cual permite separar las subunidades ribosomales y el

ARNm es liberado al igual que el polipéptido sintetizado.

Fig. 13: Traducción.

Terminación

Departamento de Ciencia y Tecnología - Biología - 4º Medio. Profesor: Omar Jaque. El Código Genético

El código genético es como un diccionario que establece una equivalencia entre las bases nitrogenadas del

ARNm y el lenguaje de las proteínas, formado por los aminoácidos.

Fig. 14: Tabla del Código Genético. Los 20 aminoácidos están representados en el código genético por la agrupación de tres de las cuatro letras

posibles en el ARN. Estas 3 bases se conocen como codón o triplete. Así, en la tabla podemos observar que existen 64 codones diferentes, donde se indica además el aminoácido que codifican, pero los codones UAA, UAG y UGA representan señales de paro o término, por lo que no codifican aminoácidos. El codón AUG, con el cuál comienzan todos los ARNm, es el de inicio y codifica para metionina.

Características del Código genético:

• Es universal, pues lo utilizan todos los seres vivos. Sólo existen algunas excepciones en tripletes de bacterias.

• Es redundante o está degenerado, pues hay varios tripletes para un mismo aminoácido, es decir hay codones sinónimos.

• No es ambiguo, pues cada triplete tiene un significado.

• Carece de solapamiento, es decir, los tripletes no comparten bases nitrogenadas.

• Es unidireccional, pues los tripletes se leen en el sentido 5´-3´. • Todos los tripletes tienen sentido, bien codifican un aminoácido o bien indican terminación de lectura.

ANEXOS

Fig. 15: Experimento de Frederick Griffith con

Streptococcus pneumoniae (1928).

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Fig. 16: Experimento de Oswald Avery, C. McLeod y M. McCartey (1944).

Fig. 17: Experimento de Alfred Hershey y Martha Chase con Bacteriófagos (1952).

Fig. 18: Experimento de pulso y caza.

Uridina tritiada (nucleósido radiactivo).