Genética: el ADN.Genética: el ADN.REPLICACIÓN Y SÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS O ADN.
El ADN enrollado en hélice tiene que separarse en sus dos filamentos, atraer los nucleótidos libres que flotan en el medio para que se apareen con las bases de cada uno de los filamentos y entonces unir dichos nucleótidos con la ayuda de enzimas adecuadas en nuevos filamentos.
Cualquier filamento separado solo puede formar un duplicado exacto del filamento complementario. Tenemos así, una molécula capaz de duplicarse exactamente y por lo tanto, de transmitir su estructura, igualmente a todos los productos de división celular.
| REPLICACIÓN Y SUS MODELOS
GENERALES.
Se han propuesto varios modelos para explicar como a partir de una molécula de ADN se separan las dos cadenas y se forman en cada una de ellas, una nueva cadena. Los más relevantes son los tres modelos siguientes.
Cada filamento de ADN es un molde para su complemento y una hélice nueva tiene un filamento viejo y un filamento nuevo. La especificidad de los pares de bases y la estructura en cadena doble sugirió que cada cadena de ADN podía servir como molde para la síntesis de una nueva. La secuencia de bases de una cadena debería determinar automáticamente la secuencia de la cadena complementaria. Por ejemplo la secuencia: AGCCT posee una complementaria (sabiendo que la adenina se une la timina y la citosina a una guanina) TCGGA. Implicaba el desenrollamiento de las dos cadenas del ADN por medio de la rotura de los puentes de hidrógeno, y la síntesis del nuevo ADN simultáneamente. La mitad parental se conserva en cada molécula hija.
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En este tipo los dos filamentos nuevos son sintetizados en forma de doble hélice y la doble hélice primitiva permanece igual.
La doble hélice original queda intacta y produce una molécula de dos cadenas completamente nueva. En este modelo se muestra el ADN unida a proteínas que podrían colocar el ADN en el lugar necesario para la replicación. Los puentes de hidrógeno se romperían y las bases rotarían para formar los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias nuevas formándose una molécula de ADN nueva.
Queda como resultado, el ADN parental en una molécula y en la otra molécula el ADN totalmente nuevo.
Cuando los filamentos de la doble hélice se desintegran en pequeños fragmentos de réplica se vuelve a conectar al azar con otros fragmentos recién sintetizados para formar un filamento único y con fragmentos viejos y nuevos.
Describe una compleja serie de rupturas, transferencias y reuniones dentro de las cadenas. Las cadenas parentales se rompen y se unen a las sintetizadas nuevas. El nuevo ADN se añade a los extremos de las cadenas parentales rotas, usando las cadenas parentales translocadas como moldes. Al cabo de un tiempo se sucede otro par de roturas en las cadenas parentales que se translocan de nuevo a los extremos de las cadenas que contienen ADN nuevamente sintetizando. Este cambio de cadenas continua hasta que se sintetiza la nueva molécula de ADN.
El resultado sería moléculas híbridas de ADN con algo de ADN parental en las cuatro cadenas.
Este esquema muestra a cada cadena de las moléculas hijas formada por una mezcla de ADN sintetizado nuevo y una de ADN parental.
Para decidirse por cada uno de estos tipos se realizan experimentos de "marcado de ADN" con productos químicos específicos que permiten luego detectar las duplicaciones. En base a éstos se acepta como la más probable la replicación semiconservativa.
REACCIÓN BIOLÓGICA.
La producción o síntesis de cualquier sustancia requiere de elementos o de los compuestos (llamados sustratos en las células) que intervienen en dicha síntesis, así como una fuente de energía que permita que se lleve a cabo la síntesis. Sin embargo, la velocidad de numerosas reacciones químicas es baja y los organismos vivos incrementan dicha velocidad de reacción por medio del uso extensivo de una clase de catalizadores llamados enzimas.
Las enzimas son proteínas que como todos los catalizadores, ayudan a que se lleve a cabo la reacción.
La energía o combustible utilizado en numerosas reacciones es un compuesto llamado Adenosíntrifosfato, abreviado ATP, que puede desprender energía al soltar uno o dos grupos fosfóricos que presenta. La célula tiene también un gran complemento de enzimas distintas, siendo cada tipo específico de un tipo particular reacción o de síntesis. Por ejemplo la polimerasa ayuda en la adición de unidades a una estructura con múltiples unidades.
En resumen para una reacción celular se necesita:
SÍNTESIS DE ADN IN VITRO.
Se requiere de:
Los nucleótidos se polimerizan en cadenas de ADN. Se necesita una cadena con el extremo 3’ porque siempre se agregan en el extremo libre 3’(OH) (actividad cebadora) y una cadena para determinar la secuencia de las bases añadidas (actividad de molde).
El ADN polimerasa1 parece que se encarga de reparar los espacios de cadena sencilla de ADN.
El ADN previamente formado en el experimento para la síntesis in vitro es llamado ADN cebado. La nueva molécula crece por adición de nucleótidos al grupo hidroxilo (OH) en posición 3 del azúcar desoxiribosa de una extremo de la cadena.
Existe una diferencia de polaridad de los dos filamentos complementarios de la hélice de ADN, de modo que los azúcares de una filamento estaban orientados en dirección opuesta a los del otro.
En el interior de la enzima ADN polimerasa hay una serie de centros esenciales que le permiten llevar a cabo su función. En uno de esos centros se halla sujeta una parte del ADN matriz. Otro centro contiene el filamento creciente de ADN recién sintetizado, que es complementario del matriz y que recibe el nombre de cebador. En la punta del ADN cebador creciente, la enzima tiene un centro que puede ajustar un nucleótido trifosfato entrante a un nucleótido complementario del ADN matriz (apareamiento A-T o C-G por puentes de hidrógeno), entonces el nucleótido entrante queda químicamente unido por la enzima en posición 3’ del cebador.
Hay otros centros en los cuales la enzima desarrolla una actividad de exonucleada, es decir, la facultad de degradar direccionalmente uno de los filamentos de una doble hélice de ADN en nucleótidos sencillos.
La enzima solo puede sintetizar ADN en la dirección 5’a3’ del cebador, razón por la cual el centro terminal del cebador no puede ser ocupado a menos que el cebador lleve en esta posición un nucleótido con un grupo 3’OH terminal. Se plantea de esta manera la duda siguiente: si la enzima solo puede funcionar a lo largo del ADN matriz en una dirección, esto significa que solamente replica de un modo continuo uno de los filamentos de ADN paterno, mientras se desenrolla la hélice del ADN y por la otra parte el otro filamento, que tiene una polaridad opuesta (3’a5’) no pude replicarse. Esto se resolvió postulando que se replicaría no de manera continua como las cadenas 5’3’ sino en forma discontinua.
La secuencia de desenrollamiento y replicación en la bifurcación de una doble hélice de ADN causada por la acción de la polimerasa que sintetiza filamentos de ADN en la dirección 5’a3’ de la siguiente manera:
ADN POLIMERASA Y OTRAS ENZIMAS.
Es una enzima que es capaz de catalizar la adición paso a paso de los desoxiribonucleótidos a una cadena de ADN.
El hecho de que la enzima también podía funcionar como exonucleasa llevó a la conclusión de que su función celular puede ser realmente de enzima reparadora, es decir, su finalidad es recortar los fragmentos sueltos o defectuosos de uno de los filamentos de ADN bicatenario y sustituirlos por los complementarios nuevos que permiten la restauración de la doble hélice.
Se han hallado otras enzimas capaces de polimerizar desoxiribonucleótidos como las siguientes:
Posteriormente estudios con ADN polimerasa I demostraron que el ADN sintetizado nuevo era similar en la composición de las bases del ADN molde pero era estructuralmente anormal. El ADN sintetizado nuevo contenía numerosos puntos de ramificación, a diferencia del ADN normal que es lineal o circular pero no tienen tales puntos de ramificación. Las ramas eran el resultado de que el ADN polimerasa se combinaba para copiar la cadena del ADN desplazado volviéndose sobre ella misma para copiar la cadena recién sintetizada.
De varios experimentos se deduce lo siguiente: que el ADN polimerasa I replica el ADN molde exactamente, las dos cadenas de las moléculas de ADN están colocaras en una forma antiparalela, es decir, poseen polaridad opuesta. Si las cadenas fuesen paralelas ciertas frecuencias de la cadena molde y la cadena nueva serían iguales.
Se planteo el interrogante de sí el ADN polimerasa I podía hacer otra cosa de rellenar los espacios de cadena sencilla en la molécula de ADN. A partir de esta duda se descubrió la ADN ligasa. Esta enzima cataliza la formación de unión covalente (fosfodiéster) entre dos cadenas de ADN, es crucial en el esquema de la replicación porque la ADN polimerasa I no puede llevar a cabo esta función final de unir las dos cadenas de ADN una vez que se han insertado todas las bases. También es indispensable en la recombinación y en la formación de cadenas circulares de ADN a partir de cadenas lineales.
Aun cuando el ADN polimerasa I pueda sintetizar ADN biológicamente activo, su función principal parece ser la reparación. Se sabe que esta enzima, además de añadir bases durante el crecimiento de una cadena de ADN, puede también eliminarlas. Esta actividad se denomina nucleasa.
El ADN polimersa I tiene dos clases de actividades nucleásicas:
La ADN polimerasa III esencial para la replicación del ADN ya que además de su actividad polimerasa tiene la actividad exonucleasa 3’.
Se han realizado varios estudios sobre la replicación. Parecía que la replicación procedía a lo largo de las cadenas antiparalelas en la misma dirección, es decir que una cadena crecía en la dirección 5’ a 3’ y la otra en la dirección 3’ a 5’. Este modelo contradecía las propiedades de la ADN polimerasa o sea, la de sintetizar el ADN solamente en la dirección 5’ a 3’. Okazaki observó que el ADN recién sintetizado en la región de la horquilla de replicación se encontraba en fragmentos pequeños a los que llamó "fragmentos de Okazaki". Al continuar la síntesis, esos fragmentos se unían unos a otros covalentemente formando cadenas de ADN más largas. Un modelo que explica este mecanismo es que la síntesis de ADN va en dirección 5’ a 3’ a lo largo de una cadena del ADN molde y cambia posteriormente a la otra cadena para seguir en la misma dirección. La ADN ligasa va uniendo estos fragmentos sobre cada cadena, formando cadenas más largas, y el resultado es que la replicación parece que va en la dirección de 5’ a 3’ y a 3’ a 5’.
Se denomina en general exonucleasa a toda enzima que degrada el ADN empezando en los extremos libres de la molécula de ADN. En cambio la endonucleasa es cualquier enzima capaz de hacer cortes internos en estas cadenas.
LOS FRAGMENTOS O PIEZAS DE OKAZAKI.
Son secuencias de nucleótidos cortas y transitorias de ADN que se forman durante la replicación discontinua del ADN. Tienen un segmento corto de ARN en sus extremos 5’ fosfato que se usa como cebador de la iniciación de moléculas nuevas de ADN. Se unen mediante la ligasa del ADN formando una hebra completa. El ARN cebador se elimina.
MODELOS DE REPLICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE ADN.
En un ADN bihelicoidal circular cerrado, la replicación comienza en un punto de iniciación específico en el cual se ha hecho una escisión en uno de los dos filamentos. Esta escisión es producida por una enzima endonucleasa que corta un solo filamento de ADN en puntos específicos, permiten así al filamento cortado desenrollare, formando dos matrices monocatenarias. Cuando tiene lugar la replicación, la síntesis de ADN puede ir en una dirección o en ambas a partir de una punto de iniciación. A un lado de la separación entre los dos filamentos paternos aparece una junta bifurcada en forma de Y, y otra junta como ésta aparece más bajo a lo largo de la molécula. Ahora de circular paso a tener la forma de 8.
El ADN fágico en replicación normalmente se halla asociado a membranas bacterianas, el corte inicial en un filamento de ADN fágico hace que este filamento se abra y se quede adherido a la membrana celular. El filamento restante que tiene forma circular funciona como matriz para originar un filamento complementario a medida que gira pasando por el punto de unión de la membrana. Así puede originarse un largo filamento de ADN que permanece unida a la membrana y que a su vez, por medio del apareamiento de bases complementarias, puede regenerar una doble hélice nueva. La síntesis comienza en el filamento 3’ y el 5’ se une a la membrana.
La replicación comienza en un punto específico de iniciación que es reconocido por una proteína iniciadora y quizá forma un complejo con la ARN polimerasa.
El siguiente paso es la unión de proteínas desenrollantes en la región junto al punto de iniciación. Éstas desenrollan la hélice de ADN en una región pequeña para facilitar la unión de las bases al molde.
El ADN polimerasa requiere un grupos 3’-OH libre para comenzar a adherir las bases. La ARN polimerasa no requiere este grupo como cebador. El ARN polimerasa que está formando un complejo en el punto de iniciación, añade una pequeña cadena de bases de ARN complementarias al molde. Estos fragmentos de ARN proveen los extremos 3’-OH para permitir la actividad de la ADN polimerasa. La ADN polimerasa III extienden estas cadenas y cuando se han sintetizado los fragmentos de Okazaki y los fragmentos de ARN que han servido de cebadores son eliminados por la ADN polimerasa I. Los trozos de cadena sencilla que se forman son rellenados por la adn polimerasa I y, finalmente la ADN ligasa une los fragmentos unos contra otros.
c)REPLICACIÓN DE ADN EN EUCARIONTES.
Se producen muchos puntos de origen de la replicación. La replicación a partir de esos puntos es bidireccional, creando una serie de burbujas expandiéndose. Al seguir la replicación, las burbujas se unen y las cadenas hijas se separan. Como en los procariontes el ARN es el cebador de la replicación y esta ocurre en fragmentos como los de Okazaki.
REPARACIÓN DEL ADN.
La luz ultravioleta, los rayos UV producen la formación de dímeros de pirimidina (dos bases pirimídicas, por ejemplos dos timinas, se unen covalentemente).
Los dímeros afectan la estructura 2º y 3º del ADN y por lo tanto interfieren con la replicación del ADN y la transcripción del ARN.
También puede producirse la dimerización entre pirimidinas de diferentes cadenas de ADN (unión cruzada) que afecta a la replicación ya que impide la separación de dos cadenas. Estos dímeros distorsionan y debilitan los puentes de hidrógeno.
Los sistemas de fotoreactivación y reparación oscura reparan el daño genético inducido por la luz UV (ultravioleta). Cada uno implican sistemas enzimáticos diferentes. La reparación sucede de la siguiente manera en estos dos casos:
EL ARN.
CARACTERÍSTICAS PARTICULARES.
Sus características distintivas son las siguientes:
TIPOS DE ARN.
Se divide en tres tipos generales diferentes:
Cada función de ARN realiza una función esencial en al síntesis de proteínas y en la transferencia de información a partir del ADN.
El ARN nuclear se forma como un filamento complementario de fragmentos de secuencias de bases del ADN. Una parte de este ARN pasa a través de la membrana nuclear y como un "mensajero" a los ribosomas citoplasmáticos, que contienen una mezcla de ARN y proteína (son los ARN ribosómicos). Una vez unida a los ribosomas, el ARN mensajero sirve como molde para la interconexión de diferentes aminoácidos que son transportados a dicho molde por pequeñas moléculas de ARN de transferencia.
La ausencia de igualdad en la proporción de bases de G y U, y de A y U significa una falta de complementariedad entre dichas bases, es decir la ausencia de una doble hélice. Como regla general parece mantener una estructura de filamento sencillo, aunque algunas pueden presentar dos filamentos.
También podemos encontrados clasificados en la bibliografía como:
Son transcritos de ARN a partir de ADN cromosómico, esto ARNc de secuencias específicas de ADN cromosómico. Una parte del ARNc son moléculas precursoras de ARNm, ARNt y ARNr.
También se dice que el ARN cromosómico es una clase especial de moléculas de ARN que se supone introducen especificidad de secuencias en la interacciones entre el ADN y las proteínas. Las propiedades principales son: la unión covalente con las histonas cromosómicas y el peso molecular es menor que el ARNt.
Son secuencias cortas de ARN que inician la síntesis discontinua de las piezas de Okazaki del ácido desoxiribonucleico. El ARNi está ligado covalentemente a los extremos 5’ de las hebras descendientes del ADN.
Se sintetiza durante la transcripción genética del ADN y sirve de molde para las síntesis de proteínas, estimulando la reacción de incorporación de aminoácidos en un sistema libre de células, de síntesis de polipéptidos.
Puede varias de 8s a 45s.
Se produce por la síntesis de ARN dependiente del ADN. Una hebra de ADN duplexo se transcribe a una hebra de ARNm mediante la ARN polimeras, siendo los sustratos 5’ nucleósido trifosfatos. La polaridad de síntesis es de 5’ a 3’.
Tiene una secuencia de nucleótidos específica complementaria a una hebra de ADN y se traduce secuencialmente produciendo cadenas polipeptídicas específicas.
ARNm polisistrónico codifica varias proteínas.
La degeneración del ARNm puede definirse como la pérdida de su capacidad de servir como molde y la pérdida de masa. La degradación se debe a la exonucleada 5’-3’.
En los eucariotas en ARNm no es policistrónico. Las moléculas nuevas de este tipo de ARN se transfieren al citoplasma no como hebras desnudas, sino asociadas con proteínas, como partículas de nucleoproteínas que pueden estar en el citoplasma por algún tiempo como partículas libres.
El ARNm eurcariota contiene 2,2 metilos por cada 1000 nucleótidos. Posiblemente la metilización es una modificación postransicional de los precursores de ARNm.
Presenta como característica valores sedimentarios de 30s a 100s. Contiene regiones de ácido poliadenílico que se añade postransicionalmente al extremo 3’-OH.
Forma complejos con proteínas en forma de partículas ribonucleoproteicas.
Están implicados en la traducción génica del ARNm a las secuencias de aminoácidos e las moléculas de proteínas. En la traducción genética son capaces de reconocer aminoácidos específicos y las palabras del código del ARNm
Poseen una estructura de hoja de trébol.
DUPLICACIÓN DEL ARN.
El ARN parece replicarse por intermedio de un ARN de doble filamento. Pruebas considerables indican que la totalidad o la mayoría del ARN celular es de origen nuclear y deriva de moldes de ADN.
La enzima ARN fosforilasa podría unir distintos ribonucleótidos en una larga cadena de ARN o romper dicha cadena en fragmentos más pequeños. Esta enzima iniciaría su actividad polimerizadora en ausencia de un cebador y la síntesis de ARN continúa con facilidad sin importar en que proporciones se hallen los 4 ribonucleótidos.
Otra enzima es la ARN polimerasa que actúa únicamente en presencia de una ADN que actúe de modelo y engarza los ribonucleótidos que han sido añadidos en forma de trifosfatos. El ADN modelo actúa como la forma a partir de la cual es producido el ARN complementario o, en la terminología utilizada el ARN es transcrito en ADN modelo. El ARN es copiado de cualquiera de los dos filamentos del ADN.
Se supone que la producción de ARN se produce por una ruptura de los puentes de hidrógeno entre los dos filamentos de ADN y el consiguiente apareamiento de bases entre los nucleótidos del ARN y los nucleótidos del ADN expuesto de la región en que se ha separado.
Solo se copia de uno de los filamentos de ADN por vez. La síntesis de ARN es dirigida por el ADN.
La dirección de crecimiento del filamento de ARN durante la transcripción es idéntica a la dirección 5’ a 3’ en que crece el filamento de ADN durante la síntesis de ADN. El ARN transcrito crece por la adición de ribonucleótidos al extremo 3’.
LAS ENZIMAS ARN POLIMERASA.
Las ARN polimerasa polimerizan (unen formando largas cadenas) ribonucleósidos trifosfatos, formando ARN. Se utiliza como molde el ADN.
El alargamiento de la cadena tiene lugar mediante el ligamiento del grupo 3’ hidroxilo de la ribosa la grupo 5’ fosfato del nucleótido entrante.
El proceso de polimerización es el siguiente:
Dentro de este tipo de enzimas según la función específica, se han reconocido diversos tipos:
EL CONCEPTO DE GEN.
Comenzó con los denominados "factores de Mendel", que eran unidades de naturaleza química desconocida que se transmitían de generación en generación de una forma específica y que determinaban los caracteres.
Los genes se vieron luego como unidades indivisibles de un cromosoma, dentro del cual podían ocurrir mutaciones.
DEFINICIONES DE GENES:
TIPOS DE GENES.
Se dividen en:
Otros tipos de genes definidos son:
Si no se tiene información sobre el producto génico primario (el polipéptido codificado por el cistrón) y sus alteraciones mutacionales, la definición operativa de un gen deriva de la prueba cis-trans o prueba de complementación.
Locus: posición definida del gen.
Alelo: formas alternativas de un gen.
Alelos múltiples: algunos caracteres pueden ser controlados por más de un par de alelos y constituyen los las llamadas series de alelos múltiples.
Los genes en los diploides se dan en pares de alelos. Los miembros de un par segregan durante la reducción de modo que cualquier descendiente recibe un miembro de una par de cada parental.
La colección de genes contenidos en una secuencia lineal de posiciones definidas de un cromosoma constituye un grupo de ligamiento.
Con respecto a su localización específica en los organismos superiores, un gen puede esta contenido en un cromosoma sexual (ligado al sexo) o en uno de los autosomas.
En relación con sus alelos, la manifestación de un gen puede ser:
GENES EXTRACROMOSOMICOS. GENES EN MITOCONDRIAS.
Además de los genes cromosómicos se pueden contener genes extranucleares o extracromosómicos que muestran herencia no mendeliana. A veces los determinantes parecen ser organismos extraños, como ejemplo virus, en otros casos parece estar asociado a los constituyentes normales de la célula (como en las mitocondrias).
Los genes cromosómicos y extracromosómicos están interrelacionados de dos maneras: los primeros son capaces de hacer mutar a los segundos y los dos pueden interactuar para producir fenotipos particulares.
Recientes estudios sobre la estructura del gen en diferentes organismos han demostrado que la unidad de función es subdivisible en muchos elementos estructurales dispuestos linealmente. Estos hallazgos concuerdan con la noción de que los productos del gen (proteínas) se encuentran codificados en el ADN en una secuencia lineal de nucleótidos separables por recombinación.
