1. Introducción
Los ácidos nucleicos son componentes orgánicos macromoleculares de la materia viva y las moléculas biológicas más estudiadas en los últimos años, por ser responsable de las funciones biológicas de los seres vivos. Se localizan fundamentalmente en el núcleo de la célula, si bien pueden encontrarse asimismo en el citoplasma y en algunos orgánulos como ribosomas, plastos y mitocondrias.
Fueron identificadas inicialmente por Friedrich Miescher, quien en 1869, mientras descomponía las proteínas de las células con pepsina, descubrió que esta enzima no digería el núcleo celular. Por análisis posteriores descubrió en el núcleo una sustancia fosforada a la que denominó Nucleína, que luego fue rebautizada como ácido nucleico, en virtud de su reacción de tipo ácido.
Su función fue algo desconocido durante años. Al principio se pensaba que la información genética estaba en las proteínas del núcleo hasta que en 1944 se identifico el ADN como responsable de la transmisión de caracteres en la herencia.
2. Componentes de los ácidos nucleicos
Estas macromoléculas lineales, formadas por la polimerización de unos monómeros llamados nucleótidos.
Los nucleótidos son moléculas formadas por la unión de 3 componentes: una pentosa, una base nitrogenada y ácido ortofosfórico.
La PENTOSA puede ser la ribosa o la desoxirobosa, dependiendo del ácido nulceico ( ARN- Ribosa y ADN- desoxiribosa)
Las BASES NITROGENADAS son compuestos orgánicos cíclicos que contiene N y que presentan reacción básica, siendo derivados de la purina y de la pirimidina:
Púricas: derivan de la Purina, constituida por el núcleo de la Pirimidina y del Imidazo. En los ácidos nucleicos aparecen la Adenina y la Guanina.
Pirimidínicas: derivan del núcleo de la Pirimidina. En los ácidos nucleicos aparecen la Timina, el Uracilo y la Citosina.
Además de estas bases corrientes existen en los ácidos nucleicos pequeñas cantidades de otras muchas derivadas de las anteriores: 5- metilcitosina, 5- hidroximetilcitosina, 6- metiladenina, etc.
El ÁCIDO ORTOFOSFÓRICO une dos pentosas por unión éster fosfato. Enlaza el carbono 3´de una cola con el 5, de la siguiente.
La unión de la Base y el azúcar (pentosa) se llama Nucleósido, que pueden ser nucleósidos púrico o pirimidinicos, dependiendo de la base que participe.
BASE + PENTOSA = NUCLEÓSIDO
La unión entre la Base y la pentosa es por enlace N – glucosídico entre el carbono 1 de la pentosa y el Nitrógeno 1 de los pirimidinicas o el nitrógeno 9 de las púricas.
La unión del Nucleósido y ácido ortofosfórico se llama Nucleótido.
NUCLEÓSIDO + ÁCIDO = NUCLEÓTIDO
El enlace es éster fosfato. Enlaza el carbono – OH del carbono 5´o 3´de la pentosa con el –OH del ácido fosfórico.
2.1 Nucleótidos que no forman ácidos nucleicos
Hay algunos nucleótidos no forman ácidos nucleicos, pero tienen una función propia con gran importancia biológica.
Los nucleótidos con más de un grupo fosfato poseen una energía muy alta debida a los enlaces entre los grupos fosfatos. Esto significa que para formarse requieren un gran aporte energético , y que su hidrólisis libera gran cantidad de energía, utilizada en muchos procesos celulares. Se trata de moléculas acumuladoras de energía.
ATP <——> ADP+ P+7.3 Kcal/mol
AMP cíclico (AMPc), en este nucleótido el fosfato se une a los carbonos 5´y 3´ de la ribosa. Se le llama segundo mensajero por actuar de intercambio entre hormonas o neurotransmisores y la respuesta celular.
Coenzimas, como el FAD ( falvin adenín dinucleótidos) NAD+ (nicotín adenín dinucleótido) y NADP+ ( nicotín adenín dinucleótido fosfato)
2.2 Polímeros
La unión de nucleótidos se realizan entre un grupo –oh del fosfato del nucleótido y el –OH de la posición 3´ de la pentosa de otro nucleótidos, leberándose una molécula de agua.
Estos polinucleótidos o ácidos nucleicos son largas cadenas lineales en los que hay un eje formado por pentosa –fosfato- pentosa-fosfato-… y de él queda colgantes de la base nitrogenada. Toda cadena de nucleótido, o polinucleótido, presenta dos extremos: el extremo 5´es el que lleva el grupo fosfato, el extremo 3´lleva un grupo hidroxilo (-OH) en la última pentosa. Dado que la pentosa de los nucleótidos pueden ser ribosa o desoxirobosa, tenemos 2 tipos de ácidos nucleicos:
ADN- todas las pentosas son desoxiribosa
ARN- en el que todas las pentosas son ribosas
3. El ADN (Ácido desoxirribonucleico)
3.1. Estructura del ADN.
Watson y Crick, en colaboración con Wilkins, y gracias a los estudios de difracción de rayos X sobre fibras de ADN obtenidos por Rosalind Franklin, establecieron el modelo de estructura del ADN en forma de doble hélice que sigue siendo aceptado actualmente. Con posterioridad se reconoció el importante papel que las proteínas nucleares, concretamente las Histonas, juegan en la estructura tridimensional del ADN. La estructura del ADN. En su estructura tridimensional se distinguen tres niveles.
ESTRUCTURA PRIMARIA: las cadenas de polinucleótidos se
forman por unión de desoxirribonucleótido – 5´-monofosfato mediante esterificación entre el ácido fosfórico en posición 5´de un nucleótido con el –OH en posición 3´del siguiente nucleótido. De esta manera, se produce una cadena polinucleotídica por el encadenamiento de nucleótidos en posición 5´—3´, y cada molécula de ácido fosfórico forma un puente fosfodiéster entre dos moléculas de desoxirribosa.
ESTRUCTURA SECUNDARIA: En los años 40, Chargaff demostró que el número de bases de adenina era igual al número de bases de timina, y el número de bases de adenina coincide con el de guanina. Lo que establece la relación A=T; C=G. o lo que es lo mismo “ el principio de equivalencia de bases”
A principios de la década de los 50, Wilkins y Franklin utilizaron métodos de difracción de rayos y para intentar averiguar la estructura del ADN. Se llegó a la conclusión de que la molécula de ADN debía ser muy larga y delgada y con estructura helicoidal.
Partiendo de estos datos Watson y Crik (1653) elaboraron el modelo preciso para la estructura tridimensional del ADN.
Modelo de la doble hélice:
1. El ADN consiste en dos cadenas de polinucleótidos enrolladas una sobre la otra (enrollamiento plectonímico) en forma de doble hélice.
2. El enrollamiento es dextrógiro( en sentido de las agujas del reloj visto desde arriba)
3. Las cadenas son antiparalelas, llevan sentidos opuestos, una desde el extremo 5´al 3´y la otra hebra del 3´al 5´.
4. Las bases están dirigidas hacia el interior de la doble hélice, con sus planos paralelos entre sí y casi perpendiculares al eje imaginario de la hélice.
5. Las dos cadenas polinucleótidicas se mantien unidas por puentes de hidrógeno entre las bases complementarias. La adenina siempre se une a la timina mediante dos puentes de hidrógeno, y la guanina a la citosina por tres puentes de hidrógeno. . De esta manera las dos cadenas no son iguales, sino complementarias.
6. En el modelo aparecen dos surcos de distinta anchura: el surco mayor ñy el surco menor. Esto se debe a que los enlaces glucosídicos entre los azúcares y las bases, en un determinado par de bases, no están directamente enfrentados.
7. Dimensiones: el diámetro de la hélice es de 2nm (20 amstrong). Las bases están apiladas a una distancia de 0.34 nm. Cada vuelta completa posee diex pares de nucleótidos, con una longitud de 3.4nm.
La doble hélice del DNA tal como fue descrita por Watson y Crick representa la estructura más común de esta macromolécula (la llamada FORMA B). Años más tarde se demostró que el DNA puede existir en al menos dos formas alternativas (la forma A y la forma Z) que difieren ligeramente de la estructura original.
FORMA A: Aparece cuando se produce una hidratación ( el contenido de agua aumenta hasta cerca del 75%), se caracteriza por poseer los pares de bases inclinado y el eje de la molécula no los atraviesa por el centro. No es funcional
FORMA Z: Es levógira, a diferencia de las anteriores, y presenta un aspecto en zigzag. Sólo aparece en regiones donde hay muchas G_C. Se piensa que constituyen señales para proteínas.
ESTRUCTURA TERCIARIA: Es la asociación de la doble hélice del ADN con proteínas nucleares, especialmente histonas, y también las protaminas. El empaquetamiento de esta estructura puede ser de dos tipos:
Nucleosoma: está compuesto por una estructura voluminosa, denominada core, seguida por un eslabón o “Linker”. El core está compuesto por un octámero de proteínas, Histonas, denominadas H2A, H2B, H3 y H4. Cada tipo de histona se presenta en número par. Esta estructura está rodeada por un tramo de ADN que da una vuelta y 3/4 en torno al octámero. El Linker está formado por un tramo de ADN que une un nucleosoma con otro y una histona H1. Da lugar a lo que denomina la estructura del “collar de perlas”, donde las perlas serían los nucleosomas, unidos por los linker.
Estructura cristalina: El ADN debe encontrarse más compacto en el núcleo de los espermatozoides. En este caso, el ADN se une a proteínas de carácter más básico, denominadas Protaminas. El ADN se enrolla sobre estas proteínas, formando una estructura muy compacta, denominada estructura cristalina del ADN.
Armazón proteico:
Laemmli y colaboradores en 1977 consiguieron aislar cromosomas metafásicos desprovistos de histonas mediante un tratamiento con sulfato de dextrano y heparina. Estos cromosomas metafásicos desprovistos de histonas presentan una médula central densamente teñida que ha sido denominada “scaffold” (armazón). Este armazón proteico (“scaffold”) es resistente a la acción de la ADN asa, ARN asa y también a soluciones de ClNa 2M. Sin embargo, desaparece por tratamientos con urea 4M y dodecil sulfato sódico o por tratamiento con enzimas proteolíticas. Por tanto, se trata de un armazón proteíco. La observación a microscopía electrónica pone de manifiesto que de este armazón proteico (“scaffold”) salen y llegan lazos o fibras que pueden hacerse desaparecer mediante tratamiento con ADNasa. Por tanto, estos lazos o dominios que arrancan del armazón proteico son lazos de ADN. Uno de los principales componentes del armazón proteico es la enzima topoisomerasa II que produce cortes en el ADN dúplex a nivel de ambas hélices. La toposiomerasa II (girasa) interviene durante la replicación del ADN creando o relajando los superenrollamientos. La aparición de la topoisomerasa II (girasa) sólo en el armazón proteico sugiere que se encuentra en la base de los lazos o dominios de ADN, indicando que esta organización en dominios podría estar relacionada con la replicación y transcrpción. Otras enzimas como la topoisomerasa I que produce cortes en el ADN dúplex a nivel de una sola hélice y la HMG-17 se encuentran sólo en los lazos o dominios y no en el armazón proteico.
ESTRUCTURA CUATERNARIA: La cromatina en el núcleo tiene un grosor de 300Å. La fibra de cromatina de 100Å se empaqueta formando una fibra de cromatina de 300Å. El enrollamiento que sufre el conjunto de nucleosomas recibe el nombre de solenoide. Cada vuelta de esta estructura consta de 6 nucleosomas unidas entre sí mediante la H1, unidos a su vez por el espaciador. La compactación de la fibra de 300 Å para producir la de 2000Å que se observa en los cromosomas metafásicos , se puede explicar mediante la formación de una segunda estructura de tipo solenoide, resultado del enrrollamiento de 300 Å.
De acuerdo al grado de compactación, la cromatina se clasifica en eucromatina y heterocromatina. La eucromatina contiene la mayor parte de los genes y la heterocromatina está relacionada con secuencias como telómeros y centrómeros, así como también con secuencias donde se encuentran genes que no se expresan normalmente en cada tipo celular.
3.2 Estructura del cromosoma
3.2.1 Estructura externa del cromosoma: Forma, tamaño y número
a) Forma: El mejor momento para llevar a cabo el estudio de la forma suele ser aquel en el que los cromosomas han alcanzado su máximo grado de contracción y tienen sus bordes perfectamente definidos. Dicho momento suele ser la metafase mitótica.
En metafase mitótica los cromosomas ya han pasado por un periodo de síntesis de ADN y están constituidos por dos cromátidas idénticas en grosor y longitud. La forma de los cromosomas viene determinada por la posición del centrómero o constricción primaria, región por la que las cromátidas interaccionan con las fibras del huso acromático para separarse a polos distintos. El centrómero aparece menos teñido que el resto del cromosoma. La mayoría de los cromosoma de las especies eucarióticas tienen el centrómero localizado en una región concreta.
Algunos cromosomas eucarióticos, además de la constricción primaria o centrómero, poseen constricciones secundarias, la más importante es la Región Organizadora del Nucleolo (abreviadamente NOR), dicha zona contiene la información para producir el ARN-ribosómico y aparece menos teñida que el resto del cromosoma. Los cromosomas con NOR en muchos casos tienen después de la región NOR, entre está y el telómero un segmento más o menos grande que se denomina Satélite o Trabante (no confundir con el ADN satélite).
Los telómeros tienen una estructura especial (formación de ADN cuadruplexo) que protege al cromosoma de su degradación por los extremos y que además permite la replicación de los extremos cromosómicos mediante la actuación de encimas específicas como las telomerasas. Los telómeros poseen extremos 3′ monocatenarios (de una sola hélice) constituidos por una secuencia corta rica en Guanina que está repetida en tándem cientos de veces. La secuencia telomérica en el hombre es TTAGGG y está repetida de 250 a 1000 veces en los extremos del cromosoma. Es una secuencia altamente conservada que se encuentra en todos los vertebrados. Esta secuencia tiene la propiedad de aparearse consigo misma formando enlaces de hidrógeno entre guaninas (situación inusual). Este autoapareamiento suministra un extremo 3’ libre que permite la replicación de los extremos de las moléculas de ADN doble hélice lineal.
b) Tamaño: Los cromosomas sufren grandes variaciones en su tamaño a lo largo del ciclo celular, pasando de estar muy poco compactados (interfase) a estar muy compactados (metafase), por tal motivo, los estudios sobre el tamaño suelen realizarse en metafase mitótica. Además, es necesario tener en cuenta que los tratamientos para teñir los cromosomas y para obtener las metafase mitóticas influyen de manera muy importante en el tamaño de los cromosomas.
En las células somáticas, a medida que aumenta el número de divisiones disminuye de tamaña el telómero. En las células germinales y en los individuos unicelulares, no se acortan los telómeros. Al disminuir la longitud de los telómeros cuando se produce una nueva división de las células somáticas, se piensa que es el reloj que determina la pérdida de la capacidad proliferativa de las células y por lo tanto del envejecimiento celular.
Los cromosomas pueden clasificarse de acuerdo con su tamaño, la presencia de organizadores nucleolares y el tamaño relativo de sus brazos
c) Número: Las células somáticas de la mayoría de las especies eucarióticas tienen dos juegos de cromosomas, se trata de especies diploides, con un juego de cromosomas materno y otro paterno. El número de cromosomas se denomina número diploide y se representa como 2n. El número de cromosomas de un juego cromosómico y que se corresponde con el número de cromosomas de un gameto de la especie se le denomina número haploide y se representa como n. Todos los cromosomas de las células somáticas aparecen por parejas de cromosomas homólogos (uno procedente del padre y otro de la madre) existiendo por tanto n parejas de homólogos. Los dos cromosomas homólogos tienen información para los mismos tipos de genes, aunque no poseen idéntica secuencia de bases nitrogenadas, ya que en un posición determinada o locus puede encontrase la información que determina el color azul de ojos mientras que en el homólogo puede existir información para el color marrón
En algunas especies los pares cromosómicos no pueden diferenciarse claramente considerando sólo sus componentes distintivos en sentido longitudinal; en estos casos se debe recurrir a técnicas citológicas especiales para la tinción de los cromosomas, que evidencian “bandas” transversales (oscuras y claras) a lo largo de los mismos, y que corresponden a los distintos tipos de cromatina. En una especie dada, estas variantes de la cromatina presentan un tamaño y disposición constante. Las técnicas de bandeo cromosómico más usadas son:
Bandeo C : es relativamente sencilla, y se basa en el uso del colorante Giemsa que tiñe regiones con heterocromatina constitutiva, que en vegetales se halla localizada principalmente en regiones teloméricas, mientras que en animales, se encuentra en regiones centroméricas.
Bandas G: representan la heterocromatina intercalar, tampoco parece tener papel activo en la transcricción. Están formadas por grupos de cromómeros (contiene un número más o menos alto de genes) resultado de la compactación de otras menores.
Bandas R ( inversa): aparecen entre las G y representan eucromatina, que es la región de los genes estructurales que se transcriben. Su patrón claro – oscuro es opuesto al patrón de bandas G.
La estructura externa de los cromosomas, y las técnicas del bandeo permiten obtener el cariotipo y el idiograma de las especies.
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3.3. Tipos de ADN
Existen ADN lineales (células eucariotas y algunos virus) y circulares (en bacterias y en ciertos virus). Aunque en algunos virus la cadena de polinucleótidos es única (bacteriófago ФX174), habitualmente tanto la mayoría de los virus como en todas las células eucariotas y procariotas, el ADN es bicatenario. En condiciones de laboratorio ha sido posible obtener ADN triple, esta tercera cadena se encuentra insertada en el surco mayor de la doble hélice en una secuencia específica. Se cree que el estudio de este tipo de ADN triple puede ser de ayuda en el estudio terapéutico y para el genoma humano.
Muchos ADN bicatenarios de virus tiene los extremos cohesivos, y pueden formar círculos ya que los extremos son complementarios. Fago λ
4. El ARN
Es también una macromólecula, formada por la polimerización de ribonucleótidos en cadena lineal. Cada ARN, al igual que el ADN, se caracteriza por su secuencia de bases, aunque tiene unas diferencias químicas y estructurales.
· 
La diferencia es que en el caso del ARN el azúcar es una ribosa y en el caso del ADN una desoxiribosa. Esto hace que tenga un grupo –OH libre en posicion 2´, lo que lo hace más sensible a la hidrólisis
· Las bases nitrogenadas no son del todo las mismas: tienen la Adenina, Citosina y Guanina en común pero lo que es Timina en el ADN es Uracilo en el ARN
· Las moléculas de ARN son más cortas que las de ADN
· Las moléculas de ARN no forman dobles cadenas (salvo en reovirus) aunque puede presentar cortas zonas de apareamiento de bases.
4.1 Función del ARN
En los organismos celulares desempeña diversas funciones. Es la molécula que dirige las etapas intermedias de la síntesis proteica; el ADN no puede actuar solo, y se vale del ARN para transferir esta información vital durante la síntesis de proteínas (producción de las proteínas que necesita la célula para sus actividades y su desarrollo). Varios tipos de ARN regulan la expresión génica, mientras que otros tienen actividad catalítica. El ARN es, pues, mucho más versátil que el ADN.
4.2 Tipos de ARN
Existen cuatro tipos de ARN, relacionados de una forma u otra conla expresión de la información genética contenida en el ADN. Estos tipos son el ARN mensajero, ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN nucleolar.
El ARN mensajero (ARNm): Forma cadenas cortas y lineales que contienen sólo las cuatro bases principales. Se sintetizan en el núcleo durante el proceso de transcripción, en el que las enzimas ARN polimerasas utilizan como molde una hebra del ADN cromosómico. Así. El mensajero es una copia complementaria de un fragmento de ADN que servirá de pauta par la síntesis de una cadena polipeptídica. Una vez formado, el ARNm pasa al citoplasma, donde se asociará a los ribosomas, orgánulos que llevan a cabo el proceso de traducción.
El ARN ribosómico (ARN r): Es el más abundante, constituye los ribosomas, donde está asociado a proteínas básicas. Los ribosomas tiene dos subunidades, cada una de las cuales posee diversos tipos de ARNr que se diferencian en el tamaño. Las funciones biológicas están vinculadas a la estructura del ribosoma y al mecanismo de síntesis proteica. Tiene zonas plegadas en doble cadena.
ARN DE TRANSFERENCIA (ARN t): Está localizado en el citoplasma. Estas moléculas tiene entre 75 y 90 nucleótidos y actúan como transportadoras de aminoácidos durante la síntesis de proteica. Cada uno de los 20 aminoácidos proteicos posee al menos un ARNt específico, algunos poseen varios.
Además de las cuatro bases principales contiene hasta un 10% de bases poco frecuentes, y todos ellos presentan en el extremo 5´ un resto gaunílico terminal, y en el extremo 3´ acaban en la secuencia –C-C-A. A este extremo se une el aminoácido que a ser transportado hasta el ribosoma.
Las moléculas de ARNt poseen una estructura tridimensional en forma de L, en lo que se llama “estructura en bumerang”, donde aproximadamente un 70% de la secuencia está en forma de doble hélice con emparejamiento de bases. Esta conformación es esencial para su actividad biológica. Si esta estructura se dispone en un plano, todos presentan una forma llamada hoja de trébol. Esta forma tiene cuatro brazos; el brazo que contiene los extremos de la molécula se denomina brazo aceptor o brazo del aminoácido por la unión con este en el extremo 3´. El opuesto es el brazo del anticodon con su lóbulo o asa que posee el anticodon, secuencia de tres nucleótidos que determina el aminoácido que se unirá a la molécula. Sólo uno de los 64 posibles ARNt podrá mantenerse unido y permitirá que el aa que porta el extremo 3´se una a la cadena polipeptídica en formación. Así, los ARNt relacionan el mensaje del ARNm con la secuencia de aa constituyentes de las proteínas. De los otros dos brazos, el brazo T en laza con el ribosoma durante la traducción y el brazo D se une a las enzimas que catalizan la unión del aminoácido. Las moléculas más largas pueden tener un quinto brazo.
El ARN NUCLEOLAR (ARNn): Se forma en el núcleo a partir de ciertos segmentos del ADN llamados organizadores nucleolares. Se asocia a proteínas y forma el nucléolo. El nucleolo es el lugar de montaje de ribosomas.
4. Replicación del ADN
La autoduplicaicón del ADN es el mecanismo por el cual la célula asegura una repartición genéticamnete idéntica (desde el punto de vista teórico) de su ADN entre las células hijas. Esta replicación es de tipo semiconservativo, produciéndose una nueva cadena a partir de una antigua que actúa como un molde complementario, tanto en procariotas como en eucariotas, si bine el proceso es más complejo en eucariotas debido al tamaño de las moléculas de ADN.
Hasta que finalmente se pudo demostrar que la replicación es semiconservadora, se consideraron tres posibles modelos para el mecanismo de la replicación:
Semiconservadora (modelo correcto). En cada una de las moléculas hijas se conserva una de las cadenas originales.
Conservadora. Se sintetiza una molécula totalmente nueva, copia de la original.
Dispersora, o dispersante. Las cadenas hijas constan de fragmentos de la cadena antigua y fragmentos de la nueva.
El proceso tiene 3 fases bien diferenciadas: Iniciación, Elongación y Terminación.
Iniciación
Para iniciar la síntesis de las cadenas complementarias se requiere además del ADN molde un cebador o primer , que consiste en una pequeña cadena de ARN de unos diez nucleótidos de largo. La síntesis del cebador es catalizada por una enzima llamada ARN-primasa y. el cebador queda unido al ADN temporariamente. En eucariotas sucede en diversos lugares llamados horquillas de replicación.
La iniciación de la replicación del ADN comienza siempre en una secuencia específica de nucleótidos conocida como origen de replicación, en el que hay un gran contenido de adenina y timina. Requiere una serie de proteínas iniciadoras especiales (proteínas desestabilizadoras de la hélice) y enzimas conocidas como girasas que desenrollan la doble helice debido a unos cortes que puede realizar permitiendo asi la entrada del complejo enzimatico para que este encuentre el origen de la replicacion, helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno abriendo la hélice, formándose las horquillas de replicación, una a cada lado de la burbuja a que da lugar la separación de las ramas del ADN. Una vez abierta la cadena de ADN se unen otras proteínas adicionales (conocidas como proteínas de unión a cadena) denominadas SSB que no permiten que el ADN se vuelva a naturalizar o forme estructuras secundarias (también intervienen otras enzimas denominadas topoisomerasas) evitando que se retuerzan y formen superenrrollamientos cortando una o ambas hebras del ADN aliviando los superenrrollamientos.
Elongación
Durante la Inicicaión de la replicación, la doble hélice de ADN se abre por acción de una helicasa. A continuación, una molécula de ADN polimerasa se une a una de las hebras de ADN. SE mueve recorriendo la hebra usándola como molde para ir sintetizando la cadena líder, añadiendo nucleótidos y recomponiendo la doble hélice. Una segunda molécula de ADN polimerasa I se une a la otra hebra y recorre esta hebra sintetizando el ADN de la cadena retardada de forma discontinua en forma de fragmentos de Okazaki. Otra enzima, ADN ligasa , va uniendo los polinucleótidos de los fragmentos de Okazaki entre sí recomponiendo la integridad de la cadena retardada.
En el siguiente paso, las enzimas llamadas ADN polimerasas catalizan la síntesis real de las nuevas cadenas añadiendo nucleótidos sobre el molde. Esta síntesis se da bidireccionalmente desde cada una de las horquillas que se replican, en sentido opuesto dentro de cada burbuja. Cuando dos horquillas de replicación adyacentes se encuentran, es decir, cuando dos burbujas se tocan, se fusionan; y cuando todas se han fusionado todo el cromosoma ha quedado replicado longitudinalmente.
La ADN polimerasa sintetiza las nuevas cadenas, complementarias a cada una de las cadenas primitivas (de la célula madre), pero sólo es capaz de sintetizar nuevo ADN en sentido 5´ → 3´ partiendo de un ARN corto específico llamado ARN cebador -molécula formada por nucleótidos de ARN catalizados por ARN primasas¡- que determina el punto por donde la ADN polimerasa comienza a añadir nucleótidos, continuando por la cadena de ADN de molde en la dirección 5′ → 3′.
Durante la síntesis, en cada horquilla de replicación, se van formando dos copias nuevas, sobre cada una de las dos hebras de ADN que se separaron en la fase de iniciación. Uno de los extremos del cebador queda con el 5´ libre final, y la ADN polimerasa necesita partir con un 3´ libre; debido a esta unidireccionalidad de la ADN polimerasa, la replicación es continua en una de las ramas (cadena líder o adelantada), la que se sintetiza sobre el extremo 3´ libre; mientras que en su antiparalela (cadena retardada o retrasada) es discontinua, fragmentada (Fragmentos de Okazaki) (siempre5´ a 3´). Para iniciar la síntesis de cada fragmento de Okazaki se necesita el ARN cebador que deja un extremo 3´ libre, que es usado por la ADN polimerasa para añadir nuevos nucleótidos a continuación.
Terminación
Cuando una ADN polimerasa hace contacto con el extremo de otro fragmento de Okazaki contiguo el ARN cebador de este es eliminado y otra enzima, la ADN ligasa, conecta los dos fragmentos de Okazaki de ADN recién sintetizado, catalizando las reacciones de condensación que unen los grupos fosfato y azúcar de los nucleótidos contiguos y así, una vez unidos todos los fragmentos de Okazaki se completa la doble hélice de ADN.
El final de la replicación se produce cuando la ADN polimerasa III se encuentra con una secuencia de terminación (secuencia ter). Se produce entonces el desacople de todo el replisoma y la finalización de la replicación.
4.1 Replicación en procariotas
La replicación en procariotas es prácticamente igual que en eucariotas, sólo tiene dos diferencias fundamentales. Una que sólo hay un punto d einicio de la replicación y que en procariotas sólo participan tres polimerasas y en eucariotas cinco.
En procariontes al existir un único punto de origen se forma sólo un ojal de replicación. Aquí actúan tres ADN-polimerasas:
ADN-polimerasa I, es la que elimina el cebador y reemplaza los ribonucleótidos de éste por desoxirribonucleótidos, rellenando los huecos dejados por la ADN-polimerasa II. Adiciona 10 nucleótidos/seg. ADN-polimerasa II, tiene actividad de nucleasa, es decir que retira nucleótidos de la cadena de ADN en los sitios donde se produjeron errores o desemparejamientos.ADN-polimerasa III, es la enzima responsable de alargar las cadenas en el proceso de replicación. Adiciona 500 nucleótidos/seg.
5. Transcripción
La transcripción del ADN es el primer proceso de la expresión génica, mediante el cuál se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios. Durante la transcripción genética, las secuencias de ADN son copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa que sintetiza un ARN mensajero que mantiene la información de la secuencia del ADN. De esta manera, la transcripción del ADN también podría llamarse síntesis del ARN mensajero.
Debemos tener en cuenta antes de sumergirnos en el proceso de transcripción:
A) Los precursores en la síntesis de ARN (unidades estructurales) son cuatro ribonucleótidos trifosfatados: rATP; rCTP; rGTP; rUTP
B) La secuencia de bases, del ARN a polimerizar, esta determinada por medio de la secuencia de bases de la molécula de ADN utilizada como molde para su síntesis. He ahí que se la denomine Cadena Molde de ADN.
C) La cadena de ARN crece en dirección 5’ – 3’. Esta dirección coincide con la síntesis de ADN.
D) La ARN polimerasa, a diferencia de la ADN polimerasa, es capaz de iniciar su síntesis sin la presencia de ningún tipo de molécula cebadora.
5.1 Transcripción en procariotas
El Promotor Procariota: la señal de inicio
La ARN polimerasa se une a un sitio específico del ADN denominado Promotor. La enzima es capaz de reconocer este sitio del ADN y, convenientemente, abrir localmente las cadenas de ADN para poder leer la cadenamolde.
La secuencia de consenso más importante y mejor estudiada, comprende seis bases y su centro está ubicado a diez bases a la izquierda del punto de inicio (-10). La secuencia de consenso es TATAAT y se la denomina “TATA box o Caja Pribnox”. Esta caja es responsable de orientar a la ARN polimerasa en la dirección de síntesis de ARN y es la región en la cual la doble hélice se abre para formar el Complejo Promotor Abierto. El hecho de que la TATA box contenga las bases A-T no es mera casualidad, ya que estasse unen con sus complementarias por medio de dos enlaces del tipo Puente de Hidrógeno, lo cual implica un menor gasto de energía para la apertura del ADN.
INICIACIÓN de la síntesis del ARN mensajero
La iniciación se produce mediante la unión de la ARN polimerasa (Holoenzima) al ADN de doble cadena. Para que la cadena molde esté disponible para el apareamiento de bases con los ribonucleótidos, las dos cadenas de ADN deben separarse. El desenrollamiento es local y se produce cuando la Holoenzima contacta con la TATA Box.
Una vez que el complejo promotor se encuentra abierto, la ARN pol. Comienza la síntesis. La fase de iniciación no se completa hasta que se hallan polimerizado los primeros seis ribonucleótidos.
ELONGACIÓN de la cadena:
Después que se han colocado los primeros seis ribonucleótidos, la ARN polimerasa sufre un cambio en su conformación, perdiendo la sub σ unidad . Se continúa la síntesis en el estado de Core.
El Core se mueve a lo largo del ADN colocando los ribonucleótidos complementarios a
La cadena de ADN molde, abriendo la hélice a medida que se desplaza. Los ribonucleótidos se unen al extremo 3’ de la cadena de ARN en crecimiento, formándose un Híbrido ARN-ADN en la región desenrollada, el cual se mantiene estabilizado mediante enlaces puente de Hidrógeno. El híbrido tiene una longitud aproximada de 12pb y el nuevo ARN es liberado de estas uniones cuando el ADN recupera su estado de doble hélice por desplazamiento del Core.
TERNINACIÓN y LIBERACIÓN del ARN sintetizado
La terminación ocurre en una secuencia determinada del ADN, denominada Secuencia Ternimadora. En este punto, la enzima deja de añadir los ribonucleótidos a la cadena de ARN en crecimiento, liberando el producto terminado y disociándose del ADN.
La terminación requiere que todos los enlaces Puente de Hidrógeno, que mantenían al Híbrido ARN – ADN, se rompan volviéndose a reconstituir el ADN dúplex.
Las secuencias terminadoras muestran las siguientes similitudes:
a) Todas contienen secuencias Palindrómicas justo antes del punto de terminación. El palíndromo está caracterizado por poseer repeticiones inversas conteniendo un segmento central no repetido (ej. ATCATCGACTA).
b) La secuencia palindrómica continúa con una secuencia de pares A-T, las cuales producen en el ARN mensajero una secuencia de 6 a 8 Uracilos en el extremo transcripto.
La secuencia de Uracilos suministra la señal que permite a la ARN polimerasa disociarse del ADN molde.
– Estructura del ARN mensajero de procariotas
Un ARNm que codifica para una cadena polipeptídica simple se denomina ARNm Monocistrónico. En células Procariotas es común hallar ARNm que codifican para varias cadenas polipeptídicas diferentes, en este caso esta molécula se denomina ARNm Policistrónico.
Todo ARNm contiene dos tipos de regiones, una codificante y otra no codificante. La primera, comprende una serie de codones que determinan la serie de aminoácidos de la proteína. Esta región se extiende desde un codón de inicio (usualmente AUG) hasta un codón sin sentido. Los ARNm Policistrónicos presentan secuencias de longitud variable que separan las regiones codificantes o Cistrones, estas se denominan regiones espaciadoras, usualmente de 10 pb. de longitud. Cada Cistrón posee un codón de inicio y uno sin sentido.
Por lo general las proteínas codificadas por un ARNm Policistrónico, participan en una misma vía metabólica.
El ARNm en procariota dura muy poco tiempo, en E.coli por ejemplo dura 2 min, ya que la transcripción esta acoplada a la síntesis de proteínas.
5.2 Transcripción en eucariotas.
La estructura de los ARNm y el proceso de transcripción en las células eucariotas, es similar a lo expresado anteriormente para las células procariotas. Sin embargo, debemos considerar las siguientes diferencias:
a) Las células eucariotas poseen tres clases de ARN polimerasas (I, II y III), las cuales se utilizan para sintetizar los distintos tipos de ARN existentes.
b) Los extremos 3’ y 5´ de los ARNm están modificados. En el caso del extremo 5’ encontraremos una estructura denominada CAP y, en el correspondiente extremo 3’, se encuentra adherido una larga secuencia de nucleótidos cuya base nitrogenada es la Adenina (Cola Poly A)
c) Las moléculas de ARNm, luego de ser sintetizas, son modificadas. Los “transcriptos primarios” eucariotas sufren un proceso por el cual determinadas secuencias (Intrones) son eliminadas.
d) Los ARNm eucariotas son Monocistrónicos.
El Promotor Eucariota para la ARN Polimerasa II
Los promotores de la ARN Polimerasa II muestran una mayor variación en secuencia y la enzima es incapaz de iniciar la transcripción sola, sino que requiere de una serie de factores de transcripción, los cuales son los encargados del reconocimiento de un promotor particular. Recordemos que, en las células Procariotas, el factor sigma es el que le confiere a la ARN Polimerasa la capacidad de seleccionar a cada uno de los promotores.
En Eucariotas, al igual que en los Procariotas, las homologías en las regiones próximas
al punto de inicio están restringidas a secuencias relativamente cortas.
La mayoría de los promotores tienen una secuencia denominada TATA box o Caja Hogness, centrada a –25 Pb del punto de inicio. Esta TATA box es idéntica a lamencionada en la Transcripción de las células Procariotas, variando solamente en su localización Los promotores Eucariotas no trabajan solos para asegurar una transcripción eficaz. En algunos genes o tipos celulares, la actividad de un promotor está aumentada por la presencia de otra secuencia conocida como Exaltador o Enhacer.
El ARN mensajero en Eucariotas:
Si bien la síntesis y estructura de los ARN mensajeros en Eucariotas es similar a las
Procariotas, deben mencionarse las siguientes diferencias:
a) Ambos extremos están modificados, el 5’ presenta una estructura denominada CAP (caperuza) y el 3’ contiene una secuencia de Ácido Poliadenílico denominada Cola Poly A.
b) La molécula que sirve de molde para la síntesis de proteína (ARNm maduro) es más corta que el ARN mensajero recién sintetizado (Pre – ARN mensajero). Esto se debe a que los últimos sufren un proceso de eliminación de secuencias no codificantes. Dicho proceso se denomina Splicing.
Modificaciones de los extremos del ARN mensajero Eucariota:
El extremo 5’ contiene dos nucleótidos conectados que siempre están metilados (-CH3).
La reacción de la incorporación del CAP ocurre inmediatamente después de iniciada la transcripción y siempre precede a cualquier modificación que se le realice al ARN precursor. El CAP tendría la función de proteger al ARNm de la degradación, con lo cual aumenta su vida media.
En el extremo 3’, según se mencionó antes, los ARNm Eucariotas contienen una secuencia de 20 a 200 nucleótidos que poseen como base nitrogenada a la Adenina. La secuencia Poly A no está codificada en el ADN, sino que es añadida al ARN después de finalizada la transcripción. La función de la Cola Poly A es la de aumentar la estabilidad de los ARN m.
Splicing de los precursores de ARNm en Eucariotas:
Los Pre- ARN m en Eucariotas, contienen largas secuencias no codificantes que corresponden a la transcripción de regiones del gen conocidas como Intrones.
Todos los genes Eucariotas poseen una organización particular, en ellos se distinguen secuencias que se expresan (Exones) y secuencias no codificantes o que no tienen su contrapartida con la proteína traducida (Intrones). Por lo mencionado, se dice que los genes en células Eucariotas son Discontinuos.
Todos los Pre- ARN m sufren un proceso denominado Splicing, que tiene como finalidad eliminar a los Intrones (secuencias no codificantes). Este proceso ocurre en el núcleo y da origen al ARN m que será desplazado al citoplasma, para ser partícipe del proceso de Traducción.
En el Splicing son descartados del 50% al 90% del Pre-ARNm (transcripto primario).
Los elementos remanentes (exones) son unidos o ensamblados. El número de intrones, generalmente sobrepasa al de los Exones. No esta demás aclarar que, durante el Splicing, No son eliminados el CAP ni la Cola Poly A.
La reacción de Splicing es realmente precisa, esta precisión se basa en el reconocimiento de secuencias de bases particulares ubicadas en la zona de unión entre el Intrón y el Exón adyacente. En las zonas de corte o escisión se puede encontrar Secuencias de Consenso.
Splicing Alternativo
Hay situaciones en las cuales la región promotora y el sitio de terminación de la transcripción son únicos y por lo tanto, siempre se sintetiza el mismo Pre ARNm en todos los tipos celulares. Sin embargo, el Splicing varía en distintos tipos de células, el Splicing es Alternativo y esto originará ARNm de diferente índole. Es decir, ante una misma secuencia de ADN según el Splicing que se realice en los distintos tipos celulares, se pueden obtener distintos ARN mensajeros. En definitiva, se obtendrán distintas Proteínas a partir de una misma secuencia de ADN molde.
