Tema II. Genética y biodiversidad.
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Tema II. Genética y biodiversidad
Aprendizaje
El alumno:
Reconoce que el proceso de replicación del ADN permite la continuidad de los sistemas biológicos
Replicación del ADN
En general, podemos decir que se trata de polímeros de nucleótidos (un polímero es una cadena molecular en la que los eslabones se forman por una unidad que se repite). Existen varios tipos de nucleótidos dependiendo del ácido de que se trate (ribonucleico o desoxirribonucleico) y de la base nitrogenada que lleve.
Como recordaras de tus cursos anteriores, todo nucleótido está formado por un azúcar de cinco carbonos (pentosa), que puede ser la ribosa o desoxirribosa, una molécula de ácido fosfórico y una de las cinco bases nitrogenadas (adenina guanina timina citosina y uracilo). A continuación, en el cuadro 1. se presentan los dos tipos de ácido nucleico, las bases nitrogenadas y azúcares pentosas que contienen, localización en el interior de la célula y función.
Cuadro 1. Presenta los dos tipos de ácido nucleico, las bases nitrogenadas y azúcares pentosas que contienen, localización en el interior de la célula y función respectiva.
A D N A R N
Bases Nitrogenadas Guanina Adenina Citosina Timina Guanina
denina
Citosina Uracilo
Azúcar Desoxirribosa Ribosa
Localización Núcleo Cloroplasto Mitrocondria Nucleolo Ribosomas Citoplasma
Función - Transmisión de caracteristicas hereditarias - Sintesis del ARN - Participacion en la sintesis de proteinas
Además de las características especificadas en la tabla anterior, recordaras que el ADN forma largas cadenas en las que los nucleótidos además de polimerizarse, tienen una contraparte, de modo que en realidad son dos cadenas complementarias unidas. Tal correspondencia entre las cadenas se da por una afinidad química basada en atracciones moleculares llamadas puentes de hidrógeno; entre las bases nitrogenadas hay dos tipos: las purinas (Adenina y Guanina) y las pirimidinas (Timina y Citosina). La adenina y la timina presentan afinidad química basada en la posibilidad de establecer 2 puentes de hidrógeno entre si, mientras que guanina y citosina pueden establecer 3 puentes de hidrógeno.
La estructura general del ADN en el espacio es en forma de espiral o doble hélice, pero con fines didácticos puede esquematizarse del modo señalado en la figura 1.
A T
A T
(A) Adenina
T A
(T) Timina
G C
(G) Guanina
C G
(C) Citosina
G C
A T
C G
Figura 1. Representa, con objetivos didácticos, una estructura lineal del ADN con la afinidad química entre las cuatro bases nitrogenadas. Como se sabe, en realidad el ADN tiene una forma espiralada.
El ADN se replica antes de cualquier división celular; tal proceso permite obtener dos juegos idénticos de información genética, de manera que las células hijas no pierdan características hereditarias. Gracias a la acción de una enzima (la polimerasa del ADN), se rompen las uniones entre los pares de bases nitrogenadas, quedando dos cadenas simples separadas; ambas cadenas se restauran como cadenas dobles gracias a la complementación resultante de agregarse nucleótidos nuevos a cada cadena simple, originando dos cadenas nuevas idénticas entre ellas, e idénticas a la cadena original. Por lo tanto cada una de las moléculas nuevas de ADN hijas tendrá un segmento de la cadena madre y un segmento nuevo recién formado. Fig. 2
En el ADN de las células procariontes como las bacterias, se puede localizar un solo origen de la replicación, lo cual se define como un segmento de ADN necesario y suficiente para asegurar la replicación cromosómica, pero en células eucariontes, con mucho mayor cantidad de ADN, se ha propuesto que existen múltiples orígenes que controlan la replicación de un segmento, al que se le llama replicón; sobre un mismo cromosoma se encuentran varios replicones en donde la replicación avanza desde el origen hacia ambos lados, formando una horquilla, hasta encontrarse con los replicones vecinos.
A T A T A T A T
A T A T A T A T T A T A T A T A G C G C G C G C
C G C G C G C G
G C G C G C G C
A T A T A T A T
G C
C G C G C G
Cadena Cadenas separadas Cadenas hijas en restauración Madre
Figura 2 Siguiendo el objetivo didáctico de representar al ADN como una doble cadena lineal, se presenta la manera de replicación del ADN.
La formación de una horquilla de replicación funcional es un proceso sumamente complejo para el cuál Korberg ha propuesto un modelo basado en lo que se sabe de Escherichia coli: La doble hélice tiene que abrirse por medio de proteínas destorcedoras, como las helicasas y topoisomerasas, que cortan y desenrollan el ADN. Cuando estas enzimas actúan en un determinado sitio de la molécula de ADN, ésta se abre y sus cadenas se desenrollan una de la otra dejando expuestas las bases nitrogenadas de los nucleótidos. Como las células poseen una reserva de nucleótidos libres para unirlos a las cadenas originales que sirven como molde, la enzima ADN polimerasa ensambla los nucleótidos libres en la cadena madre de acuerdo a la secuencia de nucleótidos de ésta, uniendo adenina con timina y guanina con citosina. Tan pronto como se van ensamblando los nuevos nucleótidos y se forma la doble cadena, ésta se va enrollando nuevamente en una doble hélice.
Ya que en cada una de las moléculas de ADN resultantes se conserva una de las cadenas madre y se forma una nueva cadena complementaria, a este modelo se le conoce como semiconservador.
a)
b) Figura 3 Comparación entre la replicación en procariontes y eucariontes.
En ambos tipos de células se forman las horquillas de replicación. Al abrirse la molécula de ADN, lo hace en direcciones opuestas, por lo tanto la replicación es bidireccional. En (a) el cromosoma circular de la bacteria (procarionte) forma sólo dos horquillas y la replicación del cromosoma se completa cuando las dos horquillas que viajan en el cromosoma en sentidos opuestos replicando el ADN se encuentran. En las células eucariontes (b) la replicación empieza en varios puntos a lo largo de la molécula de ADN, por lo que se tienen dos horquillas de replicación en cada punto, abriendo la molécula y duplicándola en direcciones opuestas hasta que se encuentran con otra horquilla adyacente o con el final de la molécula. En (B 2) se ven cinco sitios de replicación o replicones como ejemplo figura 3.
El mecanismo de replicación del ADN permite que la información genética pase de una generación celular a otra y de los padres a los hijos relativamente intacta, garantizándose la continuidad genética de las especies; pero es igualmente cierto que existen procesos que metódica o aleatoriamente generan la diversidad, principalmente en los organismos de reproducción sexual. Estos procesos, que estudiaremos mas adelante, son fundamentalmente la mutación y la recombinación.
Tema II. Genética y biodiversidad
Aprendizajes:
El alumno:
Identifica los procesos de transcripción, procesamiento y traducción genética como base de la expresión génica en la síntesis de proteínas
Síntesis de proteínas
La síntesis de proteínas es uno de los secretos más íntimos de la célula que apenas recientemente, en la segunda mitad del siglo XX logramos desentrañar. Este proceso implica el paso de la información genética almacenada en el ADN a moléculas altamente funcionales que ponen a prueba la capacidad de permanencia en el club de los sistemas vivos a los organismos que constituyen. En efecto, a través de un proceso aparentemente complejo, el ADN a través del ARN y mediante ciertas rutas metabólicas es capaz de constituir moléculas proteicas que pueden actuar estructuralmente o funcionalmente en el caso de las enzimas, ciertas hormonas y anticuerpos.
A grandes rasgos, el proceso consiste de 2 series de procesos: La transcripción y la traducción
La transcripción. Como antecedente, mencionaremos que en la jerga científica se llama gen o gene a la secuencia de bases nitrogenadas del ADN que determina la síntesis de una proteína. En un primer acercamiento al proceso, diremos que la transcripción consiste en la síntesis de una cadena de ARN que lleva una copia de la información contenida en el gen (ADN) de la proteína en cuestión.
En un segundo acercamiento, se puede decir que para realizar la transcripción se requiere que la doble cadena de ADN se abra y que la secuencia (o secuencias) implicada en la síntesis de la proteína respectiva, se copie mediante la unión de nucleótidos de ARN.
En el tercer acercamiento, es necesario mencionar que el proceso de transcripción consta de tres pasos: iniciación, elongación de la molécula de ARN mensajero (ARNm) y terminación. El proceso inicia cuando la enzima polimerasa del ARN rompe los puentes de hidrógeno que mantienen unidos los pares de bases nitrogenadas (A –T y C – G); enseguida permite la unión de bases nitrogenadas específicas del ARN a la cadena patrón del ADN y dejando bloqueada a la cadena complementaria. La cadena patrón es aquélla que contiene la información necesaria para la síntesis de la proteína específica y que la cadena complementaria es eso, la serie de bases nitrogenadas que complementa a la cadena patrón. Recuerda también que los enlaces que se establecerán de manera muy semejante al proceso de replicación del ADN; solo que en el ARN no existe timina, la cual es sustituida por el uracilo, de modo que las uniones que se establecen son A – U, T – A, C – G y G – C, considerando que en cada par la primera base es del ADN y la segunda del ARNm (figura 1.27).
Figura 1.27 El ARN mensajero es el agente que transcribe la información genética almacenada en el ADN y la lleva al ribosoma para realizar la síntesis proteica. En el esquema, se representa en la parte superior una parte del ADN y en la parte inferior la copia de la información contenida en la cadena patrón.
La terminación ocurre cuando la ARN polimerasa llega a una secuencia específica de bases del ADN que ordena el final. Cuando esto ocurre, el ARNm se separa de la banda patrón del ADN, al igual que la polimerasa del ARN.
En el caso de las células eucariontes, una vez sintetizado el ARNm sale del núcleo a través de los poros de la membrana nuclear para ser llevado hacia el retículo endoplásmico rugoso, donde se unirá a un ribosoma. En cuanto al ADN, se restablecen los puentes de hidrógeno entre los pares de bases nitrogenadas de la cadena patrón y la complementaria, quedando inalterado.
La traducción. El primer acercamiento a este proceso nos indica que en base a la información contenida en el ARNm, se sintetizará una proteína específica.
En el segundo acercamiento mencionaremos que el ARNm se une a un ribosoma y mediante las enzimas de esta ruta metabólica, aminoácidos transportados por el ARN de transferencia (ARNt), se unirán constituyendo un polipéptido que al elongarse constituirá una proteína.
El tercer acercamiento nos indica que este proceso, igual que la transcripción consiste de tres etapas: iniciación, elongación de la cadena polipeptídica y terminación. No obstante es menester señalar que se requiere de una serie de condiciones: la presencia de aminoácidos activados, de ARNt y el hecho de que se encuentren disponibles ribosomas. De la activación de los aminoácidos por moléculas de alta energía (como el ATP), depende que puedan formar un complejo con el ARNt; dicho complejo es relativamente específico, ya que dependiendo de la presencia de un trío de bases libres en un extremo del ARNt, se unirá cierto aminoácido (figura 1.28). En general, se acepta que existen unos 20 aminoácidos y tomando en cuenta el número de tríos de bases del ARN que se pueden formar tomando en cuenta las cuatro bases existentes (A, U, G y C), se pueden generar 64 tríos distintos. Así, se dice que la formación del complejo aminoácido – ARNt es relativamente específica por que la mayoría de los aminoácidos se pueden unir a varios ARNt; la mayoría se une a 4 ARNt, aunque algunos como el Triptófano solo se une a un ARNt.
Figura 1.28 Ácido ribonucléico de transporte o transferencia (ARNt)
El proceso se inicia cuando una subunidad 30S del ribosoma (que es la pequeña), se une a un extremo específico del ARNm. La subunidad grande 50S, por su parte, presenta tres sitios funcionales, dos de ellos, llamados los sitios P y A, se unen al ARNt, mientras que el tercero, llamado sitio catalítico, cataliza la formación de la unión peptídica entre los aminoácidos de la proteína creciente.
El ARNt se une al ARNm a través de una serie de tres bases libres llamada anticodón que debe complementarse con un trío de bases del ARNm llamado codón según la conocida relación Adenina – Uracilo y Guanina – Citosina. La relación ADN – ARNm – ARNt – Aminoácido constituye lo que se conoce como código genético (ver cuadro 1.7).
Figura 1.29 Representación esquemática de la proteosíntesis. Ver texto.
De este modo, se forma el complejo Ribosoma – ARNm – ARNt, que es muy dinámico, ya que una vez que el ARNm se ha unido al ribosoma y éste lee el codón de inicio (AUG), se agrega el ARNt específico según el segundo codón del ARNm y enseguida se une el segundo ARNt específico, uniéndose por unión peptídica los aminoácidos transportados por el primer y segundo ARNt. Una vez unidos los dos primeros aminoácidos, el primer ARNt se desprende tanto del ARNm como de su aminoácido, lo que activa la unión de un tercer ARNt específico y se une el tercer aminoácido a la creciente cadena polipeptídica . Este proceso se continúa una y otra vez mientras el ribosoma corre sobre la cadena de ARNm “leyendo” los codones y facilitando la unión con los anticodones del ARNt mientras realiza la unión peptídica entre los aminoácidos acarreados (figura 1.29).
El término de la traducción está dado por un codón que determina el fin, que pueden ser UAG, UAA o UGA (ver cuadro 1.7de código genético). El polipéptido generado, que puede ser ya una proteína aún puede sufrir cambios de maduración ulteriores, pero esos aspectos, así como otros procesos más complejos que ocurren durante todo el fenómeno, exceden los fines de este libro.
Para terminar esta parte, señalaremos que tanto la fotosíntesis como la síntesis de proteínas son dos procesos anabólicos de gran belleza por su eficiencia y su sencillez y su importancia para la presencia de la vida en el planeta. Ambos son procesos que apenas empezamos a conocer, y que en una historia humana de más de 4000 años, solo en los últimos 50 hemos logrado atisbar en su proceso bioquímico más íntimo.