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TEMA 6 . BASES CELULARES Y MOLECULARES DE LA HERENCIA. Revisión de los conceptos en: 10. Las copias para la herencia: duplicación del ADN. 11. La expresión génica: la información en acción. 12. La Transcripción. 13. Maduración del ARN. 14. El Lenguaje de la Vida: El código Genético. 15. La Traducción. 16. La Mutación. 17. Niveles de organización del ADN: el cromosoma eucariótico. 18. Regulación de la expresión génica.

SOLUCIÓN 10. Las copias para la herencia: Duplicación del ADN Las caracteristicas fundamentales del proceso de replicación del ADN y los mecanismos mediante los cuales las enzimas encargadas los llevan a cabo son practicamente similares en todos los organismos. La replicación del ADN es semiconservativa, es decir, que a partir de una molecula de ADN se obtienen dos, cada una de las cuales porta una hebra del ADN que se ha duplicado. El proceso es catalizado por la acción de un conjunto de enzimas que forman el complejo enzimático de duplicación; una de estas enzimas es la ADN polimerasa que utiliza de molde una de las hebras de ADN original y va construyendo las nuevas hebras incorporando los nucleótidos según la regla de complementaridad de bases. Cuando el proceso concluye, las dos nuevas moléculas de ADN se separan. Ambas llevan una hebra antigua y otra 8 nueva, pero las dos son idénticas, la información puede ser transmitida fielmente a otra generación. Una vez equiparadas, como mas adelante veremos, cada una de estas moléculas de ADN constituirá, respectivamente cada una de las cromátidas del cromosoma metafásico. 11. La Expresión Génica: La Información en Acción

El término expresión génica se refiere al proceso mediante el cual la información codificada en un gen se transcribe en uno o varios ARN funcionales. La expresión de un gen se inicia con el proceso de transcripción controlado por proteínas denominadas factores transcripcionales, regulados por señales recibidas por las células, y concluye con la producción de un ARN funcional y, posteriormente, en el caso de los ARNm, con la traducción de una proteína madura y activa. Los factores transcripcionales son proteínas de unión al ADN que reconocen una secuencia específica y se requieren para el encendido y apagado de los genes. La expresión de un gen se regula en diferentes niveles, desde su inicio hasta su terminación. 12. La Transcripción En biología, la transcripción es el proceso en el que se copia la secuencia de ADN de un gen en el similar alfabeto de ARN. La transcripción es el primer paso de la expresión génica, el proceso por el cual la información de un gen se utiliza para generar un producto funcional, como una proteína. El objetivo de la transcripción es producir una copia de ARN de la secuencia de ADN de un gen. En el caso de los genes codificantes, la copia de ARN, o transcrito, contiene la información necesaria para generar un polipéptido (una proteína o la subunidad de una proteína). Los transcritos eucariontes necesitan someterse a algunos pasos de procesamiento antes de traducirse en proteínas. La ARN polimerasa: La principal enzima que participa en la transcripción es la ARN polimerasa, la cual utiliza un molde de ADN de cadena sencilla para sintetizar una cadena complementaria de ARN. Específicamente, la ARN polimerasa produce una cadena de ARN en dirección de 5' a 3', al agregar cada nuevo nucleótido al extremo 3' de la cadena. Las etapas de la transcripción: La transcripción de un gen ocurre en tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Aquí veremos brevemente cómo ocurren estas etapas en bacterias. Iniciación: La ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor, que se encuentra al inicio de un gen. Cada gen tiene su propio promotor. Una vez unida, la ARN polimerasa separa las cadenas de ADN para proporcionar el molde de cadena sencilla necesario para la transcripción. Elongación: Una cadena de ADN, la cadena molde, actúa como plantilla para la ARN polimerasa. Al "leer" este molde, una base a la vez, la polimerasa produce una molécula de ARN a partir de nucleótidos complementarios y forma una cadena que crece de 5' a 3'. El transcrito de ARN tiene la misma información que

la cadena de ADN contraria al molde (codificante) en el gen, pero contiene la base uracilo (U) en lugar de timina (T). Terminación: Las secuencias llamadas terminadores indican que se ha completado el transcrito de ARN. Una vez transcritas, estas secuencias provocan que el transcrito sea liberado de la ARN polimerasa. 13. Maduración del ARN: El ARN mensajero o ARNm es el ácido ribonucleico de una sola cadena que transfiere la información contenida en el ADN a proteínas. Antes de que el ARNm esté en funcionamiento y produzca dichas proteínas, se lleva a cabo modificaciones en la molécula. La diversidad del procesamiento del ARNm ayuda a la molécula a mejorar su funcionamiento, evitan su degradación y mejoran su función y transporte del núcleo al citoplasma. Además durante el procesamiento se puede obtener una gran variedad de moléculas de ARNm provenientes de una sola molécula, dando como consecuencia una diversidad de isoformas de proteínas haciendo que la función de esta pueda diversificarse. Agregado del “cap”: El cap es una estructura (nucleótido modificado) que se añade al inicio del ARNm. Esta modificación es crítica para el reconocimiento del ARNm por el ribosoma y la protección contra las RNasas, que son enzimas que degradan ARNs. Poliadenilación: La poliadenilación es una cadena consecutiva de nucleótidos de adenina llamada poliA (50 a 200 nucleótidos) y está ubicada en el extremo 3′ del precursor de ARNm. Splicing: El ARN está formado por exones (que son las partes codificantes del ARN) e intrones (partes que no codifican a proteínas). El splicing es el proceso que se encarga de eliminar algunos intrones dando como resultado un conjunto de ARNm de diversos tamaños y por consiguiente diferentes isoformas de proteínas es decir distintas secuencias de la misma proteína. Edición del ARN: La edición del ARN es un proceso que consiste en un cambio en una secuencia. Entre las formas de edición se encuentran la inserción (agregado de un nucleótido extra), deleción (quitar un nucleótido) y la sustitución de nucleótidos.

14. El Lenguaje de la vida: El Código Genético El código genético es el conjunto de reglas mediante las cuales se establece la relación entre la ordenación lineal de nucleótidos de la molécula de ADN y la ordenación lineal de aminoácidos de los polipéptidos. El ADN contiene la información acerca de las secuencias de aminoácidos de todos los polipéptidos del organismo. Dada que la naturaleza del ADN y la de los polipéptidos es distinta, esa información debe ser guardada de forma cifrada de acuerdo con un código. Durante los primeros años de la década de los 60, los datos experimentales aportados por los grupos de trabajo dirigidos por Marshall Nirenberg, Severo Ochoa y H. Gobind Khorana, corroboraron esta hipótesis. La base del código genético es el triplete (En el ADN) o el codón (En el ARNm). Está constituido por una secuencia cualquiera de los tres nucleótidos de los cuatro posibles (De adenina, guanina, citosina y timina, o uracilo, en codón). Las distintas ordenaciones en que pueden aparecer los nucleótidos en el triplete, sirven para especificar los diferentes aminoácidos de un polipéptido. Por tanto un triplete especifica un aminoácido. La equivalencia entre todos los codones posibles y los distintos aminoácidos que forman parte de los polipéptidos se recogen en el cuadro anterior. El código genético además tiene las siguientes propiedades: Es redundante o degenerado: Un aminoácido puede ser codificado por más de un codón. Esto es consecuencia de que la combinación de 3 en 3 de los cuatro diferentes nucleótidos que forman el ADN pueden originar 64 tripletes distintos. No todos los tripletes codifican distintos aminoácidos (Un mismo aminoácido puede ser codificado por varios tripletes distintos. Es un código sin superposición: Un nucleótido solo pertenece a un codón y no a cualquier otro que forme con los nucleótidos adyacentes. La lectura es lineal y sin comas: Se inicia en un punto y avanza de codón en codón sin separación entre ellos. Es universal: Todos los seres vivos, desde bacterias hasta animales... utilizan el mismo código para traducir el mensaje del ADN a polipéptidos.

15. La Traducción: Traducción: Dos tipos de molécula con papeles clave en la traducción son los ARNt y los ribosomas. ARNs de transferencia (ARNt): Los ARNs de transferencia o ARNt, son "puentes" moleculares que conectan los codones del ARN con los aminoácidos para los que codifican. Un extremo de cada ARNt tiene una secuencia de tres nucleótidos llamada anticodón, que se puede unir a codones del ARNm en específico. El otro extremo de ARNt lleva los aminoácidos que especifican los codones. Hay muchos tipos de ARNt. Cada tipo lee uno o unos pocos codones y lleva el aminoácido correcto que corresponde a esos codones. Los ribosomas están compuestos de una subunidad grande y una pequeña, y tienen tres sitios en los cuales se puede unir el ARNt con el ARNm (los sitios A, P y E). Cada ARNt transporta un aminoácido específico y se une a un codón que es complementario a su anticodón. Ribosomas: Los ribosomas son las estructuras donde se construyen los polipéptidos (proteínas). Se componen de proteínas y ARN (ARN ribosomal o ARNr). Cada ribosoma tiene dos subunidades, una grande y una pequeña, que se reúnen alrededor de un ARNm, algo parecido a las dos mitades de un pan para hamburguesa que se reúnen alrededor de la torta de carne. El ribosoma proporciona un conjunto de espacios útiles o huecos donde los ARNt pueden encontrar sus codones correspondientes en la plantilla del ARNm y entregar sus aminoácidos. Estos huecos se llaman los sitios A, P y E. Pero además el ribosoma actúa como una enzima que cataliza la reacción química que une los aminoácidos para formar una cadena. Los pasos de la traducción Tus células están fabricando proteínas cada segundo, y cada una de ellas debe contener el conjunto correcto de aminoácidos unidos justo en el orden debido. Para ver cómo las células hacen las proteínas, vamos a dividir la traducción en tres etapas: iniciación (el comienzo), elongación (el agregar a la cadena proteica) y terminación (la finalización). El comienzo: la iniciación En la iniciación, el ribosoma se ensambla alrededor del ARNm que se leerá y el primer ARNt (que lleva el aminoácido metionina y que corresponde al

codón de iniciación AUG). Este conjunto, conocido como complejo de iniciación, se necesita para que comience la traducción. La extensión de la cadena: elongación La elongación es la etapa donde la cadena de aminoácidos se extiende. En la elongacón, el ARNm se lee un codón a la vez, y el aminoácido que corresponde a cada codón se agrega a la cadena creciente de proteína. Cada vez que un codón nuevo está expuesto: - Un ARNt correspondiente se une al codón - La cadena de aminoácidos existente (polipéptido) se une al aminoácido del ARNt mediante una reacción química. - El ARNm se desplaza un codón sobre el ribosoma, lo que exponde un nuevo codón para que se lea. - La elongación tiene tres etapas: 1) El anticodón de un ARNt entrante se aparea con el codón expuesto del ARNm en el sitio A. 2) Se forma un enlace peptídico entre el nuevo aminoácido (en el sitio A) y el aminoácido que se añadió previamente (en el sitio P), y se transfiere el polipéptido del sitio P al sitio A. 3) El ribosoma avanza un codón en el ARNm. El ARNt en el sitio A (que lleva el polipétido) se despalaza hacia el sitio P. El ARNt en el sitio P se mueve hacia el sitio E y sale del ribosoma. Durante la elongación, los ARNt pasan por los sitios A, P, y E como se muestra arriba. Este proceso se repite muchas veces conforme se leen los nuevos codones y se agregan los nuevos aminoácidos a la cadena. Finalizando el proceso: terminación La terminación es la etapa donde la cadena polipeptídica completa es liberada. Comienza cuando un codón de terminación (UAG, UAA o UGA) entra al ribosoma, lo que dispara una serie de eventos que separa la cadena de su ARNt y le permite flotar hacia afuera. Después de la terminación, es posible que el polipéptido todavía necesite tomar la forma tridimensional correcta, se someta a procesamiento (tal como el retiro de aminoácidos), sea enviado a la parte correcta en la célula, o se combine con otros polipéptidos antes de que pueda hacer su trabajo como una proteína funcional. 16. La Mutación: Una mutación se considera cualquier cambio permanente en el material genético no debido a la segregación independiente de los cromosomas o la recombinación que ocurre durante el proceso de meiosis. Las mutaciones se producen al azar y son las responsables de por selección natural, la evolución. Una fuente de mutación es la propia replicación del ADN, proceso en el que se calcula que se produce la inserción de un nucleótido erróneo una vez cada 1010 pares de bases. Además de este factor existen otros químicos y físicos el medio ambiente que incrementan la tasa normal de mutación, mutágenos. Entre los de tipo electromagnético se encuentran las radiaciones ionizantes (Ejem Rayos X y Gamma) y no ionizantes (Ejem Rayos ultravioletas). Otro grupo de mutágenos

tiene naturaleza química (Ejem ácido nitroso, gas mostaza, colorantes de acridina...). Las mutaciones afectan al material hereditario por lo que son transmitidas a las células hijas. Los seres vivos que se reproducen sexualmente, presentan dos tipos de células, las somáticas y las germinales (Producen los gametos). - Si afecta a las germinales el cambio se trasmitirá a los descendientes. - Si afecta a las somáticas el cambio se transmitirá a las células hijas tras el proceso de mitosis y citogénesis. Las mutaciones pueden ser: genómicas, cuando afectan a cromosomas completos; cromosómicas si ocurren en una parte del cromosoma e involucra a varios genes y génicas, al modificar a un solo gen. 17. Niveles de organización del ADN: El cromosoma Eucariotico En la actualidad el cromosoma es la molécula de ácido nucleico que actúa como portadora de la información hereditaria. Por tanto, es el ARN de algunos virus, la molécula de ADN de procariotas y cada una de las que se encuentran en el núcleo de la célula eucariota. En las eucariotas el aspecto del material hereditario varía desde la estructura sólida del cromosoma metafásico, a la estructura amorfa y disgregada durante la interfase celular llamada cromatina. Lo que distingue un nivel y el otro es el grado de condensación del ADN. La cromatina tampoco presenta un estado homogéneo de compactación, se presenta como eucromatina (empaquetamiento menor) o heterocromatina, más condensada. Los diferentes niveles de organización de la cromatina están relacionados con el grado de expresión génica. Cada cromosoma está constituido por una sola molécula de desoxirribonucleico unido a proteínas que sirven para que el ADN se condense de una forma ordenada alcanzado los diferentes niveles de organización, siendo el más básico el nucleosoma y estando compuesto por varios tipos de histonas y ADN. El nucleosoma representa la unidad más básica de condensación de ADN. En el cromosoma metafásico, se consigue mediante compactación se consigue por sucesivos procesos de plegamiento de unos niveles de organización para alcanzar otros superiores. El nucleosoma representa el primer nivel y el cromosoma el último. El cromosoma eucariótico está formado por ADN de diferente naturaleza. Un 10% está constituido por ADN altamente repetitivo. Su función no es conocida y no hay pruebas de que se transcriba. Otro 20% lo forma el ADN moderadamente repetitivo, relacionado con zonas de reconocimiento para la actuación de determinadas enzimas, con genes que se encuentran en múltiples copias tales como las del ARNr o los de las histonas y con los genes de los anticuerpos. El 70% restante son secuencias de copia única o escasamente repetitivas, en su mayoría, genes estructurales. No obstante, de este 70% la mayor parte

está constituido por intrones, por lo que se estima que realmente solo entre un 1-5% del ADN es transcrito y traducido a cadenas polipeptídicas. Las secuencias reguladoras son segmentos no codificantes relacionados con: el punto de comienzo de la replicación; los puntos de inicio de la recombinación del ADN; el inicio y final de la transcripción de los genes estructurales y la regulación de la expresión génica. 18. Regulación de la expresión Génica En cada célula se almacena toda la información genética. Sin embargo, las células tomas distintos destinos, forman tejidos, órganos (organogénesis y morfogénesis). Por otra parte, dentro de la célula ya diferenciada, el metabolismo celular varía continuamente a lo largo de su ciclo vital. La economía celular obliga a que la expresión génica no sea continua ni simultánea para todos los genes, sino que se active solo cuando los correspondientes polipéptidos se necesitan. La expresión génica está regulada de forma precisa durante las sucesivas etapas del desarrollo del organismo, como a lo largo del ciclo vital celular. Regulación de la Expresión Génica a Corto Plazo: Relacionado con el control del metabolismo celular y produce alteraciones pasajeras de la expresión génica. Están implicados los genes reguladores que codifican la secuencia de las proteínas reguladoras o factores de transcripción, los cuales impiden la expresión de los genes estructurales. Para ello se unen de forma selectiva a una región específica del ADN situada al inicio de los genes estructurales, la secuencia reguladora. Regulación de la Expresión Génica a Largo Plazo: La distribución espacial adecuada de órganos y tejidos también está regulada por una familia de genes, los homeogenes. El desarrollo y diferenciación del sistema nervioso humano depende de estos genes. En la diferenciación celular están involucrados también otros mecanismos de inactivación génica permanente, como la mentilación y la condesación del ADN. Dos procesos que permiten a las células que solo se expresen determinados genes del total que portan en su núcleo, permitiendo con ello su diferenciación y especialización en tareas concretas (procesamiento y transmisión de información, producción y secreción de hormonas, etc.)