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Genética molecular Temas de la unidad 1. La información hereditaria 2. Manipulación del ADN: la ingeniería genética y sus aplicaciones Powered by CamScanner Figura 1. Los ácidos nucleicos están constituidos por nucleótidos. Un nucleótido está formado por tres partes básicas: un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada Sila base nitrogenada está compuesta por un anillo es una primidina, siestá formada por dos anillos es una purina El azúcar esla ribosa en el ARN y la desoxirribosa en el ADN. MANEJO CONOCIMIENTOS PROPIOS DE/LAS CIENCIAS NATURALES 1. La información hereditaria La información hereditaria es toda aquella que se requiere para “fabricar” un organismo. Para Gregorio Mendel, padre de la genética, la transmisión de la información de padres a hijos era evidente gracias a los rasgos paternos que se podían observar en las generaciones posteriores, como por ejemplo, el color de las semillas o el de las flores. La causa de estas características visibles era la existencia de lo que se denominó “factores hereditarios”. Hoy en día sabemos que estos “factores hereditarios” corresponden a los genes. Los genes son los constituyentes esenciales de los cromosomas presentes en las células y están formados por una molécula denominada ácido desoxirribonucleico o ADN que, junto con el ácido ribonucleico o ARN, conforma el grupo de los ácidos nucleicos. Estos son moléculas que, como verás, son decisivas en el proceso de la transmisión de la información hereditaria. 1.1 Los ácidos nucleicos La identidad de los “factores hereditarios” de Mendel comenzó a conocerse cuando en 1869, el biólogo suizo Johan Friedrich Miescher (1844-1895) aisló, del núcleo de los glóbulos blancos, unas moléculas a las que denominó nucleinas. Estas nucleinas esta- ban formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y gran cantidad de fósforo. Posteriormente, se encontró que este compuesto estaba formado por un componente de tipo proteico y otro de carácter ácido, por esto las nucleinas comenzaron a ser llamadas ácidos nucleicos. 1.1.1 Estructura de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son moléculas biológicas conformadas por la unión de una gran cantidad de unidades químicas denominadas nucleótidos. Un nucleótido es una unidad simple formada por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada (figura 1). El azúcar que conforma los ácidos nucleicos puede ser de dos tipos: ribosa en el caso del ARN y desoxirribosa, que está presente en el ADN. 30 Purina 2 8 Pirimidinas 5 nitrogenadas 1 om on 3 2 Grupo fosfato H ; 4) l pá E ¿0 Las bases nitrogenadas son moléculas en forma de anillo constituidas principalmente por nitrógeno e hidrógeno y se clasifican en dos grupos: purinas, cuando su estructura está formada por dos anillos, como la adenina (A) y la guanina (G), y pirimidinas, cuando su estructura está formada por un solo anillo, como ocurre con la timina (T), la citosina (C) y el uracilo (U) (figura 1). Cada uno de los ácidos nucleicos presenta únicamente cuatro bases nitrogenadas en su estructura: dos purinas y dos pirimidinas complementarias entre sí. La timina se encuentra exclusivamente en el ADN y el uracilo en el ARN; las demás bases se presentan en ambos tipos de ácidos. YA 10 | Acción de pensamiento: Reconozco la importancia del modelo de la doble hélice para la explicación del almacenamiento y trasmisión del material hereditario. Powered by CamScanner ña La información hereditaria (0 MISTERIO CIENTÍFICO En los seres vivos, el proceso normal para la producción de ADN ocurre a partir de otra Cadena de ADN ya existente, y las nuevas Ca- denas de ARN se forman a partir del ADN. Los retrovirus son capaces de producir ADN a par-. tir de una cadena de ARN, proceso que 0cu- re Únicamente cuando el virus ingresa en el organismo que parasita llamado hospedero. | Este nuevo ADN generado por el retrovirus es | capaz de unirse a la cadena de ADN del hos- pedero en donde actúa como un gen adicio- nal que, al expresarse, produce los síntomas dela enfermedad. Un ejemplo de este tipo de virus es el de la Inmunodeficiencia Adquirida- VIH causante del SIDA. - Cadena lineal de ARN ARNt 12 | osantilana * 1.1.2.2 ENácido ribonucleico o ARN El ácido ribonucleico o ARN es, en algunos virus, el único mate genético existente. En cambio, en las células eucariotas y PIOCario, coexisten tanto el ADN como el ARN. A diferencia del ADN, el ARy se encuentra en su mayoría en el citoplasma celular y dentro de algy nos organelos celulares, El ARN presente en el núcleo, a diferencia dy ADN, es una cadena lineal debido a la presencia de un oxígeno de my, en las moléculas de ribosa, que es el azúcar que posee y del cual recip, su nombre. El ARN presenta cuatro tipos de bases nitrogenadas en sy nucleótidos: adenina, guanina, citosina y uracilo. El ARN se encuentra involucrado en el proceso de la síntesis de pro. teínas también conocido como traducción. Mediante este Mecanismy a partir del ADN presente en el núcleo celular, se pueden formar laz Proteínas necesarias para todas las funciones de un ser vivo. Existen diferentes tipos de ARN y los más conocidos son: el ARN riboso. mal (ARNr), que es el principal constituyente de los ribosomas; el ARN mensajero (ARNm) el cual copia la información genética que proviene del ADN y que es necesaria para'que puedan construirse los diferentes tipos de proteínas; y el ARN de transferencia (ARNt) encargado de transportar los aminoácidos hacia los ribosomas en el momento de la síntesis de las proteínas. El ARNt es capaz de plegarse formando una es. tructura particular gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los nucleótidos de la cadena (figura 4). + Además de los tres tipos de ARN que intervienen en la síntesis de las proteínas, existen otras clases de ARN cuya función puede ser: E Regular la expresión génica, es decir, el proceso de manifestación de la información contenida en los ácidos nucleicos en proteínas, en cuyo caso se denominan ARN reguladores. El Realizar actividad catalítica, es decir que algunos ARN son capaces de transformar su estructura a través de la eliminación de nucleótidos y Otros son capaces de modificar la estructura de los nucleótidos provenientes de otros ARN. Puentes de hidrógeno Anticodon Ánticodon ARNt ARNt Figura 4. Aunque el ARN está formado por una cadena lineal, puede plegarse dando lugar a estructuras Características como la del ARN de transferencia, el cual se pliega formando diferentes puntos de unión. Powered by CamScanner Componente: Procesos biológicos 1.2 Las proteinas y el código genético Las proteínas son moléculas muy importantes en la transmisión dela información genética y son, en realidad, el resultado de este proceso. Por esta razón profundizaremos en aspectos relacionados con sus estructuras y sus funciones. 1.2.1 Estructura de las proteinas Las proteínas son moléculas de gran tamaño formadas por la unión de varios aminoá- 1 cidos, pequeñas moléculas formadas por la unión de sustancias nitrogenadas conocidas como grupos amino (-NH,) y por cadenas de átomos de carbono unidos a átomos de oxígeno e hidrógeno, conocidos como grupos carboxilo (-COOH). La unión de muchos aminoácidos recibe el nombre de polipéptido y cuando el número de aminoácidos supera los 50 se forman las proteínas. Estas están formadas por la combinación de 20 tipos de aminoácidos, y son el resultado de la expresión de la información genética que, como ya sabes, se encuentra en el ADN. Los aminoácidos que conforman las proteínas se unen entre sí mediante enlaces peptidi- cos los cuales se forman entre el grupo carboxilo (-COOH) y el grupo amino (-NH,) del aminoácido siguiente. Estos enlaces le confieren a la proteína una estructura tridimensio- nal (figura 5). Las proteínas están presentes desde las membranas de las células y el citoplasma, hasta nuestros músculos, nuestra piel y nuestro pelo. Son además la base de los procesos celula- res, sistémicos y organísmicos que ocurren en todos los seres vivos. La estructura de una proteína específica es lo que hace que esta tenga una función particular, por esta razón si esta estructura es alterada, la molécula pierde su actividad biológica. A este fenómeno se le conoce como desnaturalización de una proteína y generalmente ocurre cuando las condiciones de pH o de temperatura varían. 1 Clases de proteínas Según su estructura y función, las proteínas pueden ser de tipo estructural, como el colágeno presente en la piel y la quitina, que hace parte de los exoesqueletos de algunos insectos; de tipo regulador, como la insulina producida por el páncreas para regular los niveles de azúcar en la sangre, o la hormona del crecimiento; o transportadoras, así como la hemoglobina, que transporta gases en la sangre. Otras pueden intervenir en procesos como la defensa del organismo en el caso de los anticuerpos; la realización de Figuras. Las proteínas procesos metabólicos y la producción de otras moléculas como lo hacen las enzimas; o sos Eco: en el movimiento, como la actina y la miosina, las cuales hacen parte de la estructura primaria, secundaria, de nuestros músculos y de los cilios y los flagelos de organismos unicelulares. terciaria y cuaternaria. «Secuencias == D deaminoácidos (E, Puentes Enlaces Unión dehidrógeno covalentes de varias Cadenas á de aminoácidos Estructura Estructura terciarla Estructura cuaternaria J Estructura primaria secundaria (hélice) (péptido Individual doblado) OSantilana | 13 Powered by CamScanner E) AED Componente: Procesos biológicos ¿ey e 1.3 De los genes a las proteinas Durante el ciclo celular y previo a la división el ADN se duplica de forma tal que las dos células resultantes del proceso de división, po- sean una copia idéntica de ADN. Si bien el ADN contlene la infor- mación necesaria para la formación de las proteínas, deben ocurrir tres procesos antes de obtener estas moléculas. Estos se denominan duplicación o replicación, transcripción y traducción los cuales estu- diaremos a continuación (figura 7). 1.3.1 La replicación: producción de nuevas cadenas de ADN La replicación del ADN, también conocida como duplicación, es un evento que ocurre antes de la división celular para que las dos células resultantes posean una copia completa de ADN. Se caracte- riza por ser semiconservativa, lo cual significa que una hebra de la cadena existente de ADN sirve de molde para la formación de una nueva hebra complementaria, por lo cual, la nueva cadena de ADN estará formada por una hebra antigua y una hebra complementaria nueva. Es decir, se mantiene una hebra antigua y se fabrica una nueva que la complementa. Para que el proceso de replicación se lleve a cabo es necesario que en el medio se encuentren presentes ciertas enzimas, entre las cua- les la más importante es la ADN-polimerasa, cuyas funciones son permitir que los nucleótidos que conformarán la nueva cadena se unan entre sí a través de puentes de hidrógeno para formar un po- límero y corregir los errores que puedan existir durante el proceso. El proceso se inicia cuando las dos hebras de ADN de la cadena original se separan, dado que los puentes de hidrógeno formados entre los nucleótidos complementarios de ambas hebras se rompen, formando así la horquilla de replicación (figura 8). Una vez abierta la cadena, cada una de las hebras servirá como molde para la formación de una nueva hebra de ADN cemple- mentaria. En este momento la ADN-polimerasa inicia su labor, los nucleótidos complementarios a aquellos presentes en la hebra que sirve como molde van integrándose y, uno a uno, van formando los enlaces entre los grupos fosfato de un nucleótido y el carbono 5' del nucleótido contiguo. “La replicación sobre cada uno de los dos moldes se produce en el sentido 5-3” En las células procariotas existe un único punto de ini- cio de la replicación, denominado origen de replicación en tanto que en las células eucariotas se presentan varios orígenes de replica- ción, es decir que varios genes pueden copiarse de forma simultánea. El proceso puede llevar 40 minutos en organismos procariotes como Escherichia coli y en un eucariote es de entre 1 y 4 horas en el caso de una levadura y hasta 100 o 200 horas en algunas células. Una vez termina el proceso de replicación, un conjunto de enzimas que recibe el nombre de sistema de reparación, se encarga de re- visar el ADN duplicado y detecta los errores que no haya detectado la ADN-polimerasa. Proteína Citoplasma Figura 7. A través del proceso de duplicación o replicación es posible que el ADN genere nuevas cadenas de ADN; la transcripción permite que se formen cadenas de ARN a partir de un molde de ADN y. finalmente, la traducción de una cadena de ARN dará lugar a la síntesis de una nueva pretel”. » ADN-pol Horquilla Li de replicación Cadenas complementarias Figura 8. Matthew Meselson y Franklin Stahl fueron los científicos que se encargaron de probar que el proceso de replicación es semiconservativo. La enzima llamaría topolsomerasa se encarga de romper la cadena de ADN para que se forme la horquil'a de replicación, La enzhna llamada helicasa mantien« ablertas las dos hebras de ADN de una cadena y, finalmente, la ADN-polirer. encarga de unirlos nucleótidos que formarán la n: hebra de ADN. OSantillana | 15 Powered by CamScanner 1 AZ =3 IS Fl Información hereditaria - pl s o 1.3.2 La transcripción: del ADN al ARN | La transcripción es el proceso mediante el cual, con ayuda de la enzima ARN polimerasa, ] se transfiere la información genética contenida en el ADN a diversas cadenas de ARN que se comportan como intermediarias entre el ADN y la formación de los diferentes tipos de proteínas. Aunque el proceso de transcripción es similar tanto en procariotes como en eucariotes, en estos últimos existen tres tipos de ARN polimerasa encargadas de sintetizar los diferentes tipos de ARN: ARNm, ARNt y ARNr (figura 9). IÑ | Como en el caso de la replicación, en la transcripción son necesarias enzimas para realizar (1 el proceso. La ARN-polimerasa es una enzima soluble en agua y de gran tamaño que une | los nucleótidos que conformarán la nueva cadena de ARN. Además de intervenir en el proceso de polimerización, esta enzima es capaz de reconocer el inicio de un gen y unirse ' a la secuencia promotora, un conjunto particular de nucleótidos que se encuentra al inicio de dicho gen y que indica el punto en el cual este puede comenzar a transcribirse. | IN l . Este proceso requiere también un conjunto de proteínas denominadas factores de trans- cripción. Algunas de estas proteínas reciben las señales celulares que generan el inicio El de la transcripción; por ejemplo, si ocurre un daño en las proteínas que hacen parte de la | membrana, el núcleo celular recibe una señal que le indica que debe producir estas proteí- | | nas. En este momento se activa el proceso de transcripción del gen correspondiente, que ll comienza con la identificación de la secuencia promotora a cargo de otro de los factores Í de transcripción. Pi Al ser identificada la secuencia promotora, la enzima ARN-polimerasa se adhiere al gen, ] ' se abre la doble hélice de ADN y comienza la transcripción del gen correspondiente. La ' ARN-polimerasa se encarga de la formación de enlaces covalentes entre un grupo hi- M droxilo (-OH) de un nucleótido y un grupo fosfato (-PO,) del siguiente para así formar el l polímero correspondiente. El proceso termina cuando aparece la secuencia de termina- ción del gen que, al igual que el promotor, es una secuencia característica de nucleótidos ubicada al final del mismo. La cadena de ARN que se obtiene una vez terminó el proceso de la transcripción se de- nomina transcrito primario y debe pasar por un proceso de maduración que incluye la Pérdida de algunos nucleótidos y culmina en la obtención de los diferentes tipos de ARN ARN polimerasa, que existen. o O. > : Secuencia promotora en, N O ARN o transcrito primario Q Secuencia de terminación O Flgura 9. A partir de un molde de ADN, es decir, de una de las hebras que conforman la cadena, es posible obtener una cadena de ARN cuya secuencia de nucleótidos será complementaria al molde de ADN. ARN polimerasa Powered by CamScanner La información hereditaria ción Subunidad pequeña lola del ribosoma o” ARNm Codon de inicio | Complejo aminácido ARNt iniciador Meta. Aminoácido inicial Se desplaza el ARNt y se unen los dos primeros aminoácidos 1.3.3 El proceso de traducción: obtención de proteínas La traducción es el proceso a través del cual se forman las proteínas requeridas por la célula o el organismo a partir de un ARNm. A dife- rencia de la replicación y la transcripción, la traducción ocurre en el citoplasma. Para ello, en el citoplasma se encuentran: a) El ARN ribosomal (ARNr) contenido en las subunidades grande y pequeña que conforman un ribosoma. b) El ARN mensajero (ARNm), a partir del cual se sintetiza la proteína que se requiere; es en este ARN en donde se encuentra la informa- ción de los aminoácidos que conforman la proteína en formación. c) El ARN de transferencia (ARNt) que se encargará de recoger los aminoácidos que formarán el nuevo polipéptido. d) Los 20 tipos de aminoácidos esenciales para la formación de cual- quier proteína, además de las enzimas y demás proteínas encargadas de facilitar los diferentes procesos químicos que ocurren como parte de la traducción. La traducción se inicia con la formación del complejo ribosomal, una estructura conformada por las dos subunidades del ribosoma y el ARNm que será traducido, el cual contiene el codón de inicio AUG. En este complejo se pueden distinguir dos sitios denominados A y P. En el sitio A se lee un codón del ARNm, siempre en la dirección 5-3, y es a este sitio al que llega el ARNt con el aminoácido correspondiente. Una vez el aminoácido se une a la cadena de ARNm, el ribosoma se mueve y el nuevo aminoácido queda ubicado en la posición P en donde se formará un enlace peptídico. Algunas proteínas especiales denominadas factores de iniciación son las encargadas de identificar la secuencia de nucleótidos presente en el ARNm. Para que la síntesis ocurra se produce la activación del ARNt, evento que consiste en la unión del aminoácido correcto a este ARN, que lo transporta hasta el ribosoma. La elongación de la cadena ocurre por el ingreso de los aminoácidos correspondientes y la formación de los enlaces peptídicos necesarios. La traducción culmina cuando apa- rece un codón de terminación, UAA, UAG o UGA. En este momento el péptido es liberado, las subunidades del ribosoma se separan y el ARNm queda disponible en el citoplasma. Terminación Figura 11. La información que se requiere para formar una proteína se encuentra contenida en una cadena de ARNm transcrita a partir de un gen determinado. Los ribosomas son los lugares en los cuales ocurre el proceso de traducción y el ARNt es el vehículo a través del cual son transportados los aminoscidos requeridos desde el citoplasma hacia el ribosoma a medida que la cadena de ARNm se va leyendo. Powered by CamScanner cn! NS Componente: Procesos biológicos > 1.3.3.1 Maduración de las proteinas Una vez las proteínas son sintetizadas en los ribosomas (figura 12) deben ser sometidas a un proceso de madura- ción que ocurre dentro del retículo endoplasmático (RE) o bien, en el aparato de Golgi (AG). Al final de este proceso estarán listas para cumplir la función para la cual fueron producidas. El RE y el AG, como recordarás, son organelos de las cé- lulas eucariotas que hacen parte del sistema de membrana interno, El RE se deriva de la membrana nuclear y se ubica de manera concéntrica alrededor de esta; puede ser rugoso cuando sobre este se encuentran ribosomas ensamblados en proceso de síntesis de proteínas, o liso, cuando carece de ribosomas. El RE tiene a su alrededor un conjunto de sacos conocidos como dictiosomas que conforman el AG. Los dictiosomas tienen dos lados, una cara de formación ale- daña al retículo endoplasmático y una cara de maduración cóncava desde la cual salen vesículas de secreción hacia el citoplasma o bien hacia la membrana celular (figura 12). Dado que los ribosomas se encuentran en el RE, es allí donde ocurre la traducción en las células eucariotas. Además de ser sintetizadas, las proteínas adquieren en el RE su forma espacial y de allí son transportadas al AG, lugar en el cual son empaquetadas en vesículas que les permiten movilizarse dentro o fuera de la célula (figura 13). Algunas proteínas como las que constituyen las membranas celulares deben ser reconocidas por esta, para que puedan integrarse a ella y cumplir su función. Para que esto sea posible, es necesario que a estas proteínas se adhiera una cadena adicional de 15-25 aminoácidos hidrofóbicos, que son aquellos que no se mezclan con el agua. Esta cadena adicional es identificada por la membrana y el enlace pep- tídico que la une a la proteína es roto para, de esta forma, permitir que la proteína se integre a la membrana y la cadena adicional se libere. 1.3.3.2 Regulación de la síntesis de proteinas La síntesis de proteínas no es un proceso continuo dentro de la célula, además, es muy costoso a nivel energético, por lo que su ejecución depende de la función y las necesidades de la célula y del organismo al cual esta pertenece, Para regular este proceso existen diferentes mecanismos: 1. Complejos de proteínas libres en el citoplasma que compiten con los ribosomas por los ARNm, Estos “se- cuestran” el ARNm e impiden su traducción modifi- cando su estructura, 2, Pequeñas cadenas de ARN capaces de unirse al ARNm eimpedir su traducción. 3. Mecanismos de modificación de las moléculas que , intervienen durante las tres fases de la traducción. Figura 12. £n las células eucariotas los procesos de replicación, transcripción y traducción ocurren en diferentes compartimentos. En las células procariotas, debido a la inexistencia de nucleo, los procesos se dan de forma simultánea La estructura de una célula eucariota varía de acuerdo con su función De esta manera, una célula cuya función sea la producción activa de proteínas tendrá una mayor cantidad de ribosomas y RE, así como una importante producción de vesículas secretoras por parte del aparato de Golgi Proteínas estabilizadoras ANO: Figura 13, Un único ARNm puede ser traducido simultáncamente por varios ribosomas formando lo que se denomina polirribosama o polisoma (a) Esquema explicativo. (b) Fotografía electrónica. OSantillana | 19 Powered by CamScanner Componente: Procesos biológicos e 4 1.3.4.2 Consecuencias de las mutaciones Las mutaciones pueden clasificarse como: letales, deletéreas y morfológi- cas. Las mutaciones letales causan la muerte del organismo antes de que este alcance la etapa reproductiva; las deletéreas afectan la capacidad de supervivencia o reproducción del organismo y las morfológicas causan cambios en el aspecto externo de alguna parte del organismo, por ejemplo, el color de la piel. Algunas mutaciones moleculares pueden dar origen a en- Jermedades moleculares hereditarias, a enfermedades moleculares somáticas y a enfermedades exógenas. Las enfermedades moleculares hereditarias son aquellas que se transmi- ten de padres a hijos como ocurre con la anemia falciforme, enfermedad que se caracteriza porque los glóbulos rojos tienen forma de hoz, por lo cual, la.hemoglobina que estos transportan se denomina hemoglobina'S. Esta variación ocasiona problemas para transportar el oxígeno (figura 15). La causa de esta enfermedad es el cambio de uno de los aminoácidos que conforman a la proteína, ácido glutámico por valina. Delos 300.000 niños que nacen anualmente con esta enfermedad, 200.000 son africanos. Esta enfermedad, sin embargo, trae consigo una ventaja y es que quienes la padecen, presentan una mayor probabilidad de superviven- cia ante el ataque del paludismo, enfermedad transmitida por el mosquito Anopheles y muy frecuente en las zonas tropicales en donde la presencia de la anemia falciforme es también mucho más frecuente. La anemia falci- forme se transmite de padres a hijos a través de un alelo con dominancia incompleta s; el mecanismo de transmisión y sus consecuencias se mues- tran en la tabla. - Combinación alelos $ ss Normal Individuo normal El individuo sobrevive Ss sy normal y esresistente a la malaria NS ss 5 individuo muere_) Tabla 2. La anemia falcuforme se hereda siguiendo un patrón de codominancia de forma similar a coro ocurre con la herencia de los grupos sanguíneos. Alelo s > codifica para formación de hemoglobina $ Alelo S —» codifica para formación de hemoglobina normal Delas enfermedades somáticas moleculares la más importante es el cáncer. Esta es una enfermedad que se caracteriza por el crecimiento no controlado de las células y la formación de tumores. El desarrollo de esta enfermedad implica mutaciones ocurridas en el ADN de células somáticas cuyo efecto puede hacerse evidente luego de un tiempo de incubación hasta 30 años. Aunque en la actualidad es una de las enfermedades más estudiadas, aún no se conocen todos los mecanismos moleculares de su desarrollo. Las enfermedades exógenas moleculares son aquellas producidas por cambios en el ADN inducidos a través de toxinas y virus presentes en el am- biente. El virus de la hepatitis B o el del papiloma humano pueden ocasionar cambios en el ADN de las células del hospedero, dando lugar al desarrollo de diferentes tipos de enfermedades como, por ejemplo, el 80% de los tipos de cáncer hepático. pS 1 Figura 15. La incidencia de la anemia falciforme es común en la población afio3mericana, particularmente en aquellos cuyos ancestros provienen del África subsahariana, las áreas de habla española de América Latina y el Caribe, Arabia Saudita, la India y palses del Mediterráneo como Turquía, Grecia e Italia PSantillana | 2" Powered by CamScanner 
