Unidad I. Orgamizaciýýn del material hereditario

Capitulo I

Gentica, organizacin del material hereditario* Jos Javier Hernndez

La gentica es una ciencia relativamente joven de poco ms de un siglo, sin embargo, ha revolucionado la existencia del hombre, desde que un modesto personaje (Mendel); expusiera las conclusiones de su experimento basado en el cruzamientos entre guisantes, El desarrollo del estudio de los genes ha sido tal, que ha desplazado a la fsica. La gentica estudia la herencia y la variacin centrndose en los mecanismos celulares que rigen la expresin fenotipica. En este primer capitulo entenderemos los principios elementales de gentica en un contexto general, se resea la importancia de la gentica y su relacin con las ciencias agrcolas; se describir a la clula como modelo funcional, un especial nfasis en su maquinaria gentica y los componentes de la herencia extranuclear. Adems, se dar explicacin sobre la organizacin del material gentico: ADN, ARN, protenas, genes, cromosomas y genomas. As mismo, se researn los conceptos relacionados con la mecnica celular; se afrontarn temas como: gametognesis en animales y plantas y los principios que la rigen: ciclo celular, mitosis y meiosis. Por ultimo, se expondr el tema de mutaciones y su importancia sobre la variabilidad.

_______________________________________________Introduccin

En pocas muy remotas de la historia, el hombre aprendi amejorar los animales domsticos y los cultivos mediante la reproduccin selectiva de individuos con caractersticas deseables. Los antiguos egipcios y babilonios, por ejemplo, saban como producir frutos por fecundacin artificial, cruzando las flores masculinas de una planta datilera con las flores femeninas de otra. La naturaleza de la diferencia entre las flores masculinas y femeninas fue comprendida por el filosofo y naturalista griego Teofrasto (371 287 a. C.) . El primer cientfico que medito sobre el mecanismo de la herencia fue Hipcrates (460 377 a.C.), quien propuso que ciertas partculas especificas, o semillas son producidas por todas las partes del cuerpo y se transmiten a la progenie en el momento de la concepcin, haciendo que ciertas partes de los descendientes se parezcan a los padres. Un siglo despus, Aristteles rechazo las ideas de Hipcrates. Los hijos parecen heredar a menudo caractersticas de los abuelos, o de sus bisabuelos, antes que de sus padres, Aristteles propuso que el semen del macho estaba formado por ingredientes imperfectamente mezclados, algunos de los cuales eran heredados de generaciones pasadas, que al mezclarse con el semen femenino daba forma y potencia a una sustancia amorfa de la que se desarrollaba la progenie. Durante mas de 2000 aos nadie tuvo una mejor idea, hasta que un monje austriaco Gregor Mendel, en 1866 experimentando con cruzamientos entre variedades de guisante demostr que las caractersticas heredadas son llevadas en unidades discretas que se reparten por separado -se redistribuyen- en cada generacin. Estas unidades discretas a las que Mendel llamo elemente, son las que hoy conocemos como genes. La gentica es la ciencia que estudia los fenmenos biolgicos de la herencia y la variabilidad de los organismos o formas de vida. Hoy da, la gentica es una ciencia madura

pero dinmica, claramente en su cspide y reconocida como el mismo centro de la biologa moderna. Como tal, la ciencias de la gentica, erigida sobre los simientes puestos por Mendel, debe su tamao actual a las contribuciones de un gran nmero de cientficos. La gentica ha alcanzado asimismo, una situacin prominente en asuntos humanos. Se han obtenido tipos especiales de plantas, animales y microorganismos a partir de los cuales conseguimos alimentos frmacos y otros productos tiles. A comienzos del siglo XX comienzan los estudios con la gentica clsica para dar explicacin a incontables preguntas biolgicas. Con el surgimiento de la microscopa electrnica y el uso de la bioqumica se logr descubrir aspectos bsicos de la mecnica celular o ciclo celular. Posteriormente, se estudia a profundidad al ncleo como centro principal de la informacin hereditaria, esta organela, contiene el ADN acdo dexosiribonucleico, una estructura en forma de doble hlice magistralmente explicada por Watson y Crick en 1953, que tiene como propiedad su replicacin semiconservativa. En los ncleos de las clulas eucariticas se puede divisar en los cromosomas a el ADN fuertemente empaquetado en histonas. El citoplasma alberga en los ribosomas gran parte del ARN cido ribonucleico (molcula estructurada linealmente), que transcribe la informacin contenida en el ADN y las transforma en protenas, estos polmetros a su vez determinan la expresin de la informacin hereditaria en todos los organismos. La divisin celular es un proceso cclico cuya finalidad es la produccin de numerosas clulas a partir de una. Los organismos eucariticos unicelulares se reproducen mediante divisin celular; en los pluricelulares, la divisin celular sirve para el crecimiento del individuo, la reproduccin asexual, la generacin de tejidos y, en general, para los procesos que requieran un aumento en la cantidad de clulas. La divisin celular puede darse por dos procesos aparte, la meiosis para la produccin de gametas y la mitosis para el crecimiento y diferenciacin celular.

___________________________* Profesor de la unidad curricular Gentica general: e-mail: [email protected] y [email protected] Nacional experimental Sur del Lago, Santa Brbara de Zulia, Va aeropuerto, Hda. La glorieta Telf.: 0275-5552832/Ext. 137.

UNESUR. Programa de Gentica/ Capitulo I : Gentica, organizacin del material hereditario.

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Un gen es un fragmento de una molcula en forma de cinta y constituida por una hlice doble, a la que llamamos cido desoxirribunucleico. Los productos de los genes son protenas concretas. Las protenas son macromolculas de un organismo. Cuando se observa a un ser vivo, cunto se ve de el, es protena o algo producido por una protena. La secuencia de aminocidos de una protena est cifrada por un gen. El momento y la tasa de produccin de las protenas dependen en que el organismo se desarrolla y funciona. La dotacin bsica de ADN de un organismo se denomina genoma. Las clulas corporales de la mayora de plantas y animales contienen dos genomas (organismos diploides). Las clulas de la mayora de los hongos, algas y bacterias poseen un solo genoma (organismos haploides). El propio genoma est formado de una o ms molculas extraordinariamente largas de ADN que se organizan en cromosomas. Cada cromosoma contiene un conjunto distintos de genes. En las clulas diploides, cada cromosoma y sus genes componentes estn presentes dos veces. De dos cromosomas que presentan el mismo conjunto de genes se dice que son homlogos. Cualquier gen puede existir en varias formas, que difieren unas de otras, generalmente, muy poco. Estas formas de un gen se denominan alelos. Un gen que ha pasado de una forma allica a otra ha sufrido mutacin: un hecho raro, pero que ocurre de forma regular y no solo a nivel del gen, sino en el cromosoma y genoma estos dos ltimos son llamados cataclismos nucleares. La contribucin de los genetistas a la mayor produccin de alimento por medio de los principios descubiertos, es sin lugar a dudas uno de los mayores xitos de la ciencia en el siglo XX. Por otra parte la cumbre de estos logros fue la obtencin del maz hibrido desde 1940- 1980, el rendimiento promedio del maz se incremento en un 251%. Aumentos impresionantes en rendimiento, aunque no como en el caso del maz, tambin se ha logrado en lo que respecta a la mayora de los dems cultivos alimenticios importantes as como el incremento en los rendimientos y la calidad de carnes, leche y huevos en animales domsticos. No obstante la gentica pretende ir ms all de nuestras expectativas, actualmente una nueva generacin de cientificos emprende un proyecto ambiosioso El genoma universal que busca conocer el cdigo de las especies de inters para el hombre y la ciencia, con la visin de descifrar la complejidad del interactoma detrs de la expresin de ciertos rasgos de inters. Los retos que la floreciente ciencia de Mendel tiene para los aos venideros la deben estimular a dar resultados positivos que impacten sobre el modo de vida del hombre moderno, no solo a nivel de produccin de bienes y servicios, sino para contrarrestar la evidente degradacin que ha generado desde su dominio sobre la naturaleza. Cronologa de los trabajos genticos destacados del siglo XX:

1902. Boveri y Sutton; demuestran la presencia decromosomas apareados (homlogos) en especies diploides. 1905. Bateson; bautiza a la ciencia de la gentica.

1908. Hardy y Weinberg; formula su ecuacin de equilibriopoblacional con frecuencias genotpicas. 1909. Johansen; introduce la palabra gen. Y Garrod; publica el libro: Errores del metabolismo. 1910. Morgan; (Premio Nbel 1933), establece con Drosophilla el patrn de herencia ligada al sexo. 1927. Muller; (premio Nbel en 1946), da a conocer el uso de la tcnica de CIB para demostrar que los rayos X son mutagnicos. 1928. Griffint; descubre la transformacin en Diplococcus pneumoniae. 1931. McClintok y Creighton; La recombinacin gentica se relaciona con el intercambio de marcadores morfolgicas en los cromosomas. 1941. Beadle y Tatum; (premio Nbel, 1958) publican el concepto de un gen-una enzima. 1944. Avery, McLeod y Mccarty; En Neumococos el principio transformante es el ADN. 1946. Lederberg; (premio Nbel, 1958) descubrimiento de la conjugacin en bacterias. 1950. McClintock; (premio Nbel en 1983), descubrimiento de los elementos transponibles en maz. 1952. Haershey; (premio Nbel ,1969) y Chase demuestran el material gentico de bacterifago T2 es el ADN. 1953. Watson y Crick; Explican el modelo de la doble hlice: el ADN. 1957. Fraenkel-Conrat y Singer; demuestran que la informacin gentica del virus del mosaico del tabaco se almacena en el ARN. 1958. Komberg; (premio Nbel, 1959), asla ADN polimerasa de Escherichia coli. 1961. Jacob y Monod; (premio Nbel, 1965), proponen el modelo opern, para la regulacin de la expresin gnica. 1966. Niremberg y Khorana; (premio Nbel, 1968), se establece el cdigo gentico completo. 1970. Nathan y Smith; (premio Nbel, 1980), aslan las primeras endonucleasas de restriccin. 1977. Breathnach, Mandel y Chambon; Demostracin de la existencia de intrones. 1977. Maxam Sanger y Gilbert; (premio Nbel, 1980) publicacin de las tcnicas de secuenciacin. 1984. Horsch y De Block. Primeras plantas transformadas con Agrobacterium. 1986. Mullis ; publica la tcnica que revoluciona la ciencia de la biologa molecular la PCR 1988. Watson; Comienzo del proyecto genoma humano.

1866. Mendel; publica su trabajo en las proceding of the BruSociety for Natural History. 1900.. De Vries, Correns y Von-Tschermark; redescubren el trabajo de mendel certificando su gran importancia.

1996.

se publica el genoma completo de una levadura, el primer organismo eucaritico. 1997. se clona la oveja Dolly.

2000. Graing y Venter;

CELERA anuncia que el genoma

humano se ha descifrado en un 90%.

________________________________*Profesor de la unidad curricular Gentica general: e-mail: [email protected] y [email protected] Nacional experimental Sur del Lago, Santa Brbara de Zulia, Va aeropuerto, Hda. La glorieta Telf.: 0275-5552832/Ext. 137.


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La clulaEn el concepto universalmente aceptado, la clula es la unidad anatmica, funcional y reproductiva que constituyen a todo ser vivo. Desde los organismos unicelulares como las bacterias hasta la complejidad de los organismos pluricelulares como protistas, hongos, animales y plantas. Aunque, ya con el microscopio ptico fue posible deducir que existen dos clases de organizacin celular, la procarionte y la eucarionte, la plena confirmacin de esa idea no lleg hasta que se emplearon los microscopios electrnicos. Todas las clulas se configuran en un mismo modelo bsico: una membrana lipoprotena que delimita la superficie celular, envuelta o no por una pared rgida, y un citoplasma interno, que es una mezcla compleja de biomoleculas en los que no faltan unos grnulos densos implicados en la sntesis de protenas: los ribosomas. La clula Eucarionte

Es ms grande y compleja que la procarionte, su tamao oscila entre 10 y las 100 micras, la membrana plasmtica est conectada a un sistema membranoso interno de gran complejidad, el vacuoma, que se compone de distintos elementos, como el reticulo endiplasmatico, el complejo de golgi y una coleccin de vesculas de diversas funciones, como son los lisosomas y los peroxisomas. Este sistema membranoso cumple funciones biosintticas, de transporte y digestin. Adems las clulas eucariticas poseen un sistema dinmico sistema de microtubos proteicos, que forman un autentico citoesqueleto, relacionado con la forma de la clula y la motilidad celular e intracelular. Las clulas de los animales y de algunos hongos y protistas poseen centriolos, orgnulos cilndricos constituidos por nueve tripletes de microtubulos dispuestos radialmente y relacionados con la presencia de cilios y flagelos de similar constitucin. Finalmente es caracterstico la presencia de un conjunto de orgnulos dotados de una doble membrana: son las mitocondrias y los cloroplastos, pequeos saquitos que contienen un sistema membranoso interno propio, sus propios ribosomas y una matriz bioqumicamente compleja. Las mitocondrias llevan a cabo la respiracin celular aerobia tpica de esta organizacin celular, y los cloroplastos, cuya presencia se restringe solo a organismos auttrofos, estn implicados en la fotosntesis.

Fig. Presentacin de una clula eucaritica (izquierda) y una clula procaritica (derecha).

La clula procariticas. Son generalmente ms pequeas que las eucariticas (entre 1 y 10 micras), menos complejas, careciendo de un sistema membranoso interno poco elaborado de ncleo, de cloroplastos y mitocondrias, de citoesqueleto microtubular y de centrolos. Sus cilios y flagelos no constan de microtubulos. Las clulas procariticas son metabolicamente ms diversas que las eucariticas pues, en comparacin con el metabolismo aerobio de estas presentan formas anaerobias, aerobias y facultativas. Presentan distintos tipos de fotosntesis, algunas de ellas anaerobias, y son capaces de realizar multitud de procesos bioqumicos, como la fijacin de di nitrgeno en amonio, inaccesibles a las eucariticas. El ncleo

En las clulas eucarioticas es un cuerpo grande, frecuentemente esfrico y, por lo comn, es la estructura ms voluminosa. Est rodeado por la envoltura nuclear, constituida por dos membranas concntricas, cada una de las cuales es una bicapa lpidica. Estas dos membranas estn separadas por un intersticio (espacio perinuclear) de unos 20 a 40 manmetros pero, a intervalos frecuentes, las membranas se fusionan creando pequeos poros nucleares, por donde circulan los materiales entre el ncleo y el citoplasma. Los poros nucleares forman canales estrechos que atraviesan las bicapas lpidicas fusionadas. Estn formados por una elaborada estructura, conocida como complejo del poro nuclear, compuesta de ms de 100 protenas distintas que se disponen en una distribucin simtrica octogonal. Dentro del ncleo el material gentico, ADN est fuertemente unido a protenas especiales denominadas histonas y a otras protenas no histonicas, cada



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molcula de ADN, histonas y protenas no histoinicas constituye un cromosoma. Cuando una clula no se est dividiendo, los cromosomas se observan como una maraa de hilos delgados llamados cromatina. Cuando la clula se divide, la cromatina se condensa y los cromosomas se hacen visibles como entidades independientes. El ncleo desempea dos funciones fundamentales en las clulas. 1), lleva la informacin hereditaria que determina si un tipo particular de clula se desarrollar en (o ser parte de) un paramecio, un roble o un ser humano, y no simplemente en cualquier paramecio, cualquier roble o cualquier humano, sino, en aquel que se asemeje a los padres de ese organismo nico en particular. Cada vez que la clula se divide transmite informacin a las dos nuevas clulas. 2), el ncleo ejerce una influencia continua sobre las actividades de la clula, asegurando que las molculas complejas que ella requiere se sinteticen en la cantidad y tipo necesarios. El nucleolo: el cuerpo ms conspicuo dentro del ncleo es el nucleolo. Hay tpicamente dos nucleolos por ncleo, aunque frecuentemente uno solo es visible en una microfotografa, el nucleolo es el sitio donde se construyen las subunidades que constituyen los ribosomas. Visto con microscopio electrnico el nucleolo aparece como un conjunto de delicados grnulos y fibras diminutas. Estos grnulos y fibras estn constituidos por filamentos de cromatina, ARN ribosmico que est siendo sintetizado y partculas de ribosoma inmaduro. Los nucleolos pueden variar en tamao en relacin a la actividad sinttica de la clula, y puede llegara representar un 25% del volumen total nuclear. En su aspecto estructural, el nucleolo no es en realidad una entidad distinta, sino un ramillete de bucles de cromatina, generalmente de diferentes cromosomas. Por ejemplo, 10 de los 46 cromosomas humanos aportan bucles de cromatina al nucleolo. Funcionalmente, el nuclolo es una fabrica de ribosomas en las que se trascriben molculas de rARN a partir de los bucles de cromatina y se ensamblan subunidades ribosmicas. Las protenas ribosmicas del citoplasma de las clulas, son transportadas al ncleo eucaritico y ensambladas en subunidades. Las subunidades ribosmicas casi completas, que contienen rARN y protenas, se envan de regreso al citoplasma, donde despus de unos pocos retoques, comienzan a desempear funciones esenciales en el ensamble de aminocidos y protenas. El citoplasma No hace mucho tiempo, la clula era vista como una bolsa de fluido que contena enzimas y otras molculas disueltas, juntamente con el ncleo, una pocas mitocondrias y ocasionalmente, otras organelas que podan examinarse por tcnicas microscpicas especiales. Con el desarrollo del microscopio electrnico, sin embargo, se ha identificado un nmero creciente de estructuras dentro del citoplasma y ahora se sabe que est altamente organizado y atestado de organelas. Los ribosomas: son las organelas celulares ms numerosas. Una clula de Escherichia coli en crecimiento tiene unos 15000 ribosomas y una clula eucaritica pude tener muchos ms. Los ribosomas no estn rodeados por una membrana, estn constituidos por dos subunidades, cada una de las cuales est formada por un complejo de ARN ribosmico y protenas. Los ribosomas son sitios donde ocurre

el acoplamiento de protenas. El modo en que los ribosomas estn distribuidos en una clula eucaritica se relaciona con el modo en que se utilizan las protenas recin sintetizadas. Algunas protenas, como el colgeno, las enzimas digestivas, las hormonas o el mucus, son liberadas fuera de la clula y, a veces realizan sus funciones a una distancia (a escala celular de su origen). Otras protenas son componentes esenciales de las membranas celulares. Y an otras como la hemoglobina y algunas enzimas, se usan dentro del citoplasma. En las clulas que estn fabricando protenas citoplasmticas para su propio uso, como los glbulos rojos inmaduros, los ribosomas se distribuyen en todo el citoplasma. En cambio, en clulas que estn elaborando nuevo material de membrana o protenas que deben ser exportadas, se encuentra una gran cantidad de ribosomas unidos a un sistema complejo de membranas internas, el reticulo endoplasmtico. El retculo endoplsmatico: constituye la mayor parte del sistema de endomembranas. Es una red de sacos aplanados, tubos y canales conectados entre si, que caracteriza a las clulas eucariticas hay dos categoras de retculo endoplsmatico, rugoso y liso. El primero est presente en todas las clulas eucariticas y predomina en aquellas que fabrican grandes cantidades de protena para exportar. Las clulas especializadas en la sntesis o el metabolismo de lpidos, como las clulas glandulares que producen hormonas esteroides, tienen grandes cantidades de retculo endoplsmatico liso. El complejo de golgi: tiene la funcin de organizacin de las membranas celulares, adems tiene tienen una funcin similar en el procesamiento y la compactacin de materiales que son libreados fuera de la clula, resume el modo en que los ribosomas, el retculo endoplsmatico, el complejo de golgi y sus vesculas actan recprocamente en la produccin de nuevo material para la membrana celular y de macromolculas de exportacin. Un tipo de vescula relativamente grande, formada en el complejo de golgi, es el lisosoma. Los lisosomas son fundamentalmente bolsas membranosas que contienen enzimas hidroliticas a las que aslan del resto de la clula. Estas enzimas estn implicadas en la degradacin de protenas, polisacridos, cidos nucleicos, lpidos. Las peroxisomas, son vesculas grandes que contiene enzimas oxidativas que remueven el hidrogeno de pequeas molculas orgnicas y lo unen a tomos de oxigeno formando peroxido de hidrogeno. Las mitocondrias: se encuentran entre las organelas ms grandes de la clula, degradan molculas orgnicas liberando la energa qumica contenida en sus enlaces mediante un proceso que consume oxigeno: la respiracin celular. En este proceso la energa liberada es almacenada en molculas de ATP y, luego ser utilizada en otros procesos celulares. En general se cumple la regla de que cuanto mayor sean los requerimientos energticos de una clula eucaritica en particular, ms mitocondrias contendr. Una clula heptica, por ejemplo contiene, alrededor de 2500 mitocondrias. Pueden adoptar diferentes formas desde casi esfricas, hasta de cilindros muy alargados. Las mitocondrias presentan vestigios de su vida como organismos independientes. Se reproducen por fisin binaria como las bacterias, tienen un pequeo cromosoma que codifica para algunas de sus protenas y adems poseen ribosomas similares al de las procariotas.



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Plastidios: son organelas limitadas por una membrana que se encuentran solamente en las clulas de las plantas, algas y algunas bacterias. Estn rodeadas por dos membranas concntricas, al igual que las mitocondrias, y tienen un sistema de membranas internas que pueden estar intricamente plegadas. Los plastidos maduros son de tres tipos: leucoplastos, cromoplastos y cloroplastos. Los leucoplatos, almacenan almidn o, en algunas ocasiones, protenas o aceites. Los cromoplastos contienen pigmentos y son responsables de los colores naranja ya amarillo. Los cloroplastos son plsticos que contienen clorofila y en los cuales se produce energa qumica a partir de energa lumnica, en un proceso denominado fotosntesis. Al igual que otros plstidos estn rodeados por dos membranas. Al igual que la mitocondrias, los plastidos contienen mltiples copias de un pequeo cromosoma, as como ribosomas propios. Cilios y flagelos: son estructuras largas y delgadas, de aproximadamente 0,2 micrmetros de dimetro, que se extiende desde la superficie de muchos tipos de clulas eucariticas. Son bsicamente iguales, excepto en su longitud y tienen nombres diferentes debido a que se les dieron antes de que se conociera su similitud estructural bsica. Cuando son cortos y aparecen en cantidades grandes se conocen como cilios. Cuando son ms largos y ms escasos, habitualmente se les llama flagelos. Casi todos los cilios y flagelos eucariticos ya sean de un paramecio o de un espermatozoide, tienen la misma estructura interna. Hay nueve pares de microtubulos fusionados que forman un anillo que rodea a otros dos

microtubulos solitarios situados en el centro. El movimiento de los cilios y flagelos proviene del interior de las estructuras de microtubulos, si se quitan los cilios de una clula y se les coloca en un medio que contenga ATP ellos nadaran o batirn a travs del medio. Centrolos: muchas de las clulas eucariticas contienen centrolos, que tpicamente se muestran en pares, son cilindros pequeos de aproximadamente 0,2 micrmetros de dimetro, que contienen nueve tripletes de microtbulos. Su estructura es idntica a la de los cuerpos bsales; sin embargo su distribucin en la clula es diferente. Los centrolos se encuentran solamente en aquellos organismos que tambin tienen cilios o flagelos. Los centrolos habitualmente se hallan en pares, con sus ejes longitudinales formando ngulos rectos, en la regin del citoplasma prxima a la envoltura nuclear, el centrosoma, desde donde irradian los microtbulos del citoesqueleto. El centrosoma es el principal centro organizador de microtbulos y desempea un papel en la organizacin de una estructura formada por microtbulos, conocida como el huso mittico, que aparece en el momento de la divisin celular y est relacionada con el movimiento de los cromosomas.

Herencia extranuclearLa mayora de los caracteres heredables estn controlados por genes cromosmicos nucleares, pero algunos dependen de

Fig. Estructura de mitocondrias (izquierda) y Cloroplastos (derecha)

organelas citoplasmticas. Las mitocondrias y los cloroplastos portan pequeas cantidades de ADN nico que se comporta independientemente con respecto a los genes nucleares, Estos organelos citoplasmticos han evolucionado a partir de bacterias y algas de vida libre, respectivamente, que entraron en relaciones simbiticas con clulas eucariticas. La resistencia a la estreptomicina en algunas algas actuales depende de plastos o plastidios portadores de ADN. En Paramecium, estn establecidos en el citoplasma simbionte con su propio ADN, pero solo puede reproducirse en presencia de un genotipo nuclear particular. Organelos citoplasmticos que llevan ADN y han surgido a partir de simbiontes procariticos se han establecido a travs de la evolucin y han retenido una operacin gentica limitada ms o menos independiente de los genes nucleares. Los plsmidos son molculas de ADN en el citoplasma que podran transformar clulas normales en

tumorales. La esterilidad masculina en el maz est controlada por factores citoplasmticos. Los efectos maternos estn controlados por genes nucleares de la madre. El mtADN de la mitocondrias y los cloroplastos se transcribe y se traduce aunque la mayora de las protenas de estas organelas son codificadas por el ADN nuclear y se sintetizan en el citoplasma, de donde pasan a aquellos. La molcula de mtADN relativamente pequea (16569 pb) de las mitocondrias humanas ha sido secuenciada, posibilitando una variedad de estudios. La comparacin de esta secuencia de ADN con los ARN y escasa protenas que fabrican las mitocondrias a mostrado que el cdigo gentico no es, estrictamente hablando, universal, por ejemplo en las mitocondrias humanas el triplete UGA codifica el triptfano y no es un codon de terminacin. Por otra parte el triplete AUA codifica metionina y no isoleucina. Tambin las mitocondrias



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tienen mucho menos tADN que Escherichia coli, en las clulas eucariticas, una cantidad que no es suficiente para traducir todos los codones posibles por apareamiento convencional de bases El origen de estas discrepancias es desconocido y constituye un acertijo dado que, a pesar de las diferencias en el cdigo mitocondrial, el cdigo empleado en la traduccin de la informacin contenida en el ADN nuclear es casi igual para todos los organismos eucariticos en los que se ha probado y es igual al cdigo empleado en las clulas procariticas. En aproximadamente 2/3 de todas las especies de plantas el gameto masculino no aporta ni cloroplastos ni mitocondrias al cigoto, auque si lo hace el femenino. Esta herencia no mendeliana fue notada por primera vez hace unos 80 aos en plantas en las que los cloroplastos deficientes producan hojas moteadas, pero solo si el defecto estaba solo en la planta en la que se desarrollo el vulo. De modo semejante en los eres humanos y en otras especies animales, el espermatozoide casi no contribuye con el citoplasma del huevo fecundado y, en consecuencia, todas las mitocondrias son de origen materno. Hoy se conocen muchas enfermedades relacionadas con las alteraciones del mtADN. Las alteraciones del mtADN provocan, en general, una disminucin de la

produccin de la energa, que puede daar las clulas produciendo una alteracin de la funcin de los tejidos y la aparicin de sntomas. Los tejidos y rganos ms resentidos por una disminucin en la produccin de energa son el sistema nervioso central, los msculos cardiaco y esqueltico, riones y tejidos productores de hormonas. ADN mitocondrial: Las mitocondrias contienen una pequea cantidad de ADN (descrito en prrafo anterior), nico, que ha permanecido autnomo fuera del genoma nuclear durante la larga evolucin de animales y plantas. Aunque los genomas mtADN constituyen solo una pequea porcin del ADN total (menos del 1%), este mtADN generalmente existe como molculas circulares relativamente pequeas, que pueden ser aisladas y caracterizadas fcilmente. As, se dispone de bastante informacin de los genomas mitocondriales. Estos mtADN varan en tamao de alrededor de 16 Kb en mamferos hasta 570 Kb en maz. Los mtADN estn presentes en copias mltiples por organelo. Las clulas humanas HeLa, contienen alrededor de 10 copias de mtADN por mitocondra y tienen unas 8000 copias del genoma mitocondrial por cada clula.

Fig. Mapa genmico (medico) de la mitocondria de humanos (izquierda); mapa genmico del cloroplasto del arroz (derecha).

La estructura de mtADN est muy conservada en animales superiores, se observa una considerable diversidad en plantas y especialmente en eucariontes inferiores. Los mtADN en protozoarios son lineales en vez de circulares. El genoma mitocondrial de mamferos completo se transcribe como una unidad a partir de un nico sitio promotor y el producto de la trascripcin primario gigante se rompe luego por endonucleosis para producir las molculas individuales tARN, rARN y mARN. En consecuencia el mtADN completo es, en efecto, equivalente a un operon bacteriano. ADN Cloroplastos: hoy en da se han aislado cloroplastos que son capaces de efectuar sntesis de protena en presencia de adenosintrifosfato o luz. Los productos son idnticos a las protenas de los cloroplastos autnticos, lo que demuestra que los cloroplastos aislados tienen una maquinaria de sntesis de protenas completamente funcional, en la que el mARN se traduce con precisin. Con el anlisis del ADN y el uso de endonucleasa de restriccin para la fragmentacin del

ADN se ha aprendido mucho acerca del ADN de los plastos. En cada cloroplasto de plantas superiores e encuentran unas 30 a 60 copias del genoma de los cloroplastos; en algunas algas hay alrededor de 100 copias del genoma en cada plasto. As mismo, se ha descubierto que el ADN de cloroplasto nico que codifica alrededor de 126 protenas, y aproximadamente el 12% de la secuencia de ADN de plastos codifica componentes de plastos. Los genomas de plastos de ms de 200 especies de plantas superiores y muchas algas verdes, verdiazuladas y rojas se han caracterizado, al menos parcialmente. Dentro de una especie determinada. Los genomas de los distintos tipos de plastos: cloroplastos, amiloplastos y cromoplastos, son todos idnticos en los organismos que se han estudiado. En plantas superiores, los cpADN varan en tamao de 120 a 160 Kb. En las algas el intervalo de tamao es mucho mayor, de 85 a 292 Kb. Todos los genomas de cloroplastos hasta ahora analizados contienen bsicamente el mismo conjunto de genes, pero con estos genes arreglados de formas muy diferentes



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en los cpADN. Los genes presentes en los cpADN pueden agruparse en dos clases generales 1) los que codifican componentes del aparato biosinttico de protenas de cloroplastos (subunidades de ARN polimerasas, componentes estructurales de ribosomas de cloroplastos y un conjunto de tARN) y 2) los que especifican componentes de la maquinaria fotosinttica. ADN Plsmidos: las molculas circulares de ADN extracromosmico o mini cromosoma que se duplican independientemente y se mantiene en el citoplasma de clalas vegetales se denominan plsmidos. Por definicin un plsmido es un duplicn que se hereda en forma estable en un estado

extracromosmico. La mayor parte de, pero no todos, los plsmidos son prescindibles, esto es, no se requieren par la supervivencia de la clula donde residen. En muchos casos, sin embargo, son esenciales en ciertas condiciones ambientales. La importancia de los plsmidos se ha reconocido cada vez ms durante las tres ltimas dcadas. Se ha identificado plsmidos en casi todas las cepas de bacterias que se han probado. Se saben que tienen un significado prctico importante en dos reas: 1) la transmisin de resistencia mltiple a frmacos y antibiticos y 2) la inestabilidad de microorganismos importantes para la industria.

Fig. Principio transformante de los plsmidos de las clulas bacterianas a otros tipos de clulas.

Los plsmidos pueden dividirse en dos grupos, con base en si pueden o no mediar su autotransferencia conjugativa. Los plsmidos conjugativos o transmisibles median la transferencia de ADN por conjugacin. La naturaleza conjugativa de muchos plsmidos R tiene gran importancia en la rpida diseminacin de genes de resistencia a frmacos y antibiticos a travs de poblaciones de bacterias patgenas. Los plsmidos no conjugativos o no transmisibles son aquellos que no median la transferencia de ADN por conjugacin. Muchos plsmidos R y col son no conjugativos. Los episonas son elementos genticos que pueden duplicarse en cualquiera de dos estados alternativos: 1) como una parte integrada (insertada covalentemente) del cromosoma hospedante principal o 2) como elemento gentico autnomo, independiente del cromosoma hospedante principal. Los trminos plsmido y episoma no son sinnimos. Muchos plsmidos no existen en estados integrados y por lo tanto no son episomas. De manera similar, muchos cromosomas de fagos atenuados, son episomas pero no son plsmidos. La integracin de episomas y la evolucin de plsmidos R, son mediadas por secuencias cortas (alrededor de 800 a 1400 pares de nucletidos de largo) de ADN denominadas secuencia de insercin o elementos IS. Estos elementos IS son transponibles, esto es, pueden moverse de una posicin a otra en el genoma de una clula. El primer plsmido que se identific fue el factor F (por fertilidad) de E. coli, este plsmido contiene 25 genes, muchos

de los cuales controlan la produccin de los pelos (Pili). Los pelos F son estructuras proteicas largas, en forma de bastn, que se extiende desde la superficie de las clulas que llevan el plsmido F. estas clulas se conocen como femeninas (receptoras) o F-. Las clulas F+ pueden adherirse a las clulas F - Por medio de los pelos y transferirles el plsmido F a travs de conexiones entre las clulas- puentes citoplasmticos. El factor F, al igual que muchos otros plsmidos, puede integrarse al cromosoma bacteriano que contiene el factor F como parte de su cromosoma, es decir como episoma, se conoce como clula Hfr que significa alta frecuencia de recombinacin. Las clulas Hfr tienen la asombrosa capacidad de transferir genes de una clula a otra. Virus bacterianos: la constitucin gentica del ADN de las bacterias puede alterarse, como hemos visto, por la introduccin de otras clulas bacterianas. Tanto la transformacin como la conjugacin pueden dar como resultado la recombinacin entre el ADN del dador y del receptor. De modo semejante, la insercin de plsmidos transferidos en el cromosoma de una clula bacteriana puede cambiar la composicin de ADN de la clula receptora. Los virus tambin pueden desempear un papel como vectores (transportadores) de fragmentos de ADN de una clula bacteria a otra. Una vez dentro de la clula hospedadora, el cido nucleico viral, puede ser ADN o ARN, de cadena simple o doble, circular o lineal. El tamao de los cromosomas virales es muy variable, desde 5400, hasta 180000 nucletidos.



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El ADN

El ADN o cido desoxirribonucleido, haba sido aislado por primera vez en 1869 por un bioqumica suizo llamado Friedrich Miescher, en la misma poca notable en la que Darwin public El origen de las especies y Mendel presentar su trabajo a la sociedad de historia natural de Brnn. Dado a que solo la hallo en el ncleo de las clulas las llam nuclena. En 1885 el bioqumico alemn Kossel elimino las protenas asociadas a los cidos nucleicos obtuvo por separado los distintos tipos de bases nitrogenadas e indico que estas estaban

vinculadas a un azcar. Fulgen en 1914 tie con su reaccin el ncleo. Sin embargo, durante las dcadas siguientes no hubo inters por el ADN, dado a que no se haba sugerido un papel para l, en el metabolismo celular. Durante la dcada de 1920, la mayora de los trabajos sobre su estructura qumica fueron desarrolladas en un solo laboratorio por el eminente cientfico ruso-americano Levene, quien mostr que el ADN poda ser degradado en un azcar de cinco carbonos, pentosa (desoxirribosa), un grupo fosfato y cuatro bases nitrogenadas: Adenina, guanina (purinas) y citosina timina (pirimidinas).

Fig. Estructura de la molcula de ADN, acido desoxirribonucleico.

La informacin gentica de todos los organismos vivos, con excepcin de los virus de ARN, se almacena en el ADN. El apareamiento de bases nitrogenadas es especifico; la adenina siempre forma par con la timina y la guanina siempre forma par con la citosina. De este modo, todos los pares de bases nitrogenadas consisten en la unin de una purina con una pirimidina. La especificad del apareamiento es resultado de la capacidad de formacin de puentes de hidrogeno por parte de las bases en sus configuraciones normales. En sus configuraciones estructurales ms comunes, la adenina y la timina forman dos puentes de hidrogeno y la guanina y citosina forman tres puentes de hidrogeno. La formacin de puentes de hidrogeno entre citosina y adenina, por ejemplo, no es posible, excepto cuando existe en sus raros estados estructurales. Una vez que la secuencia de bases de una cadena de una doble hlice de ADN se conoce, tambin se conoce la secuencia de bases de la otra cadena, debido al apareamiento especifico de las bases. As se dice que las dos cadenas de una doble hlice de ADN son complementarias (no idnticas); es esta propiedad, la complementariedad de las cadenas lo que hace al ADN una molcula extraordinariamente apropiada para almacenar y transmitir informacin gentica.

Los pares de bases en el ADN estn apilados con una distancia de 3,4 A y 10 pares de bases por cada giro de 360 de la doble hlice. Los esqueletos de azcar fosfato de las dos cadenas complementarias son antiparalelas; esto es, tienen una polaridad qumica opuesta. Si uno se mueve unidireccionalmente a lo largo de una doble hlice, los enlaces fosfodister, de una cadena van del carbono 3 de un nucletido al carbono 5 del nucletido adyacente, mientras que los de la cadena complementaria van del carbono 5 al carbono 3. Esta polaridad opuesta de las cadenas complementarias es muy importante al considerar el mecanismo de duplicacin del ADN. El alto grado de estabilidad de las hlices dobles de ADN resulta en parte del gran numero de puentes de hidrogeno que hay entre los pares de bases (an cuando cada puente de hidrogeno individual es bastante dbil, mucho ms dbil que un enlace covalente) y, en parte, de los enlaces hidrfobos (o fuerzas de apilamiento) entre los pares de bases apiladas. Los lados planos de los pares de bases son relativamente apolares, por lo que tienden a ser insolubles en agua (hidrfobos). Este centro hidrfobo de pares de bases apiladas aporta considerable estabilidad a las molculas de ADN presentes en los protoplasmas acuosos de las clulas vivas.



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Las molculas de ADN presentan una cantidad considerable de flexibilidad conformacional. La estructura del ADN cambia en funcin a su ambiente. La conformacin exacta de una molcula dada de ADN o de un segmento de una molcula de ADN depende de la naturaleza de las molculas con las que este interactuando. De hecho, la forma B intracelular tiene un promedio de 10,4 pares de nucletidos por cada giro, en vez de 10. En presencia de altas concentraciones de sales o en un estado deshidratado, el ADN existe en la forma A, que tiene 11 pares de nucletidos por giro. Es poco probable que existan molculas del tipo A in vivo. Sin embargo esta estructura es de inters, ya que es la conformacin de los heteroduplex de ADN-ARN. Se ha demostrado recientemente que ciertas secuencias de ADN, existen en forma de una doble hlice nica, enrollada en espiral haca la izquierda, denominada Z-ADN. Las hlices de las formas A y B de ADN estn enrolladas haca la derecha.

Ms an, segmentos especficos de molculas de ADN pueden experimentar cambios conformacionales de la forma B a la forma Z y viceversa. La estructura del ADN no es invariable y, estas variaciones estructurales en la molcula de ADN pueden tener grandes funciones biolgicas. La replicacin del ADN Es un proceso que ocurre solo una vez en cada generacin y resulta esencial en la duplicacin de los cromosomas. En la mayora de las clulas eucariticas, la replicacin del ADN conduce finalmente a la mitosis, pero en los espermatocitos y ovocitos conduce a un cambio en la meiosis. La replicacin es un proceso notablemente rpido; en los humanos y otros mamferos, la velocidad de sntesis de ADN es aproximadamente de 50 nucletidos por segundo, en las procariotas es aun ms rpida: 500 nucletidos por segundo.

Fig. Replicacin del ADN, las dos cadenas de la doble hlice de ADN se separan y y sirven como moldes para la sntesis de nuevas cadenas complementarias. Las helicasas, enzimas que operan en las horquillas de replicacin, separan las dos cadenas de la doble hlice original. Las topoisomerasas, evitan en superenrollamiento, catalizando la formacin y el resellado de cortes en un o ambas cadenas delantede las horquillas de replicacin. Las protenas de unin a la cadena simple estabilizan las cadenas abiertas. La ADN polimerasa cataliza la adicin de nucletidos a ambas cadena operando solo en el sentido 5 a 3. Para comenzar a aadir nucletidos, esta enzima requiere la presencia de un cebador de ARN, unidos por puentes de hidrogeno a la cadena molde y que luego, es reemplazado por nucletidos de ADN. El cebador de ARN, es sintetizado por la ARN primasa. La cadena adelantada se sintetiza en la direccin 5 a 3 en forma continua. En este caso el nico cebador de ARN esta situado en el origen de replicacin que no es visible en este esquema. La cadena rezagada, tambin se sintetiza en la direccin 5 a 3, a pesar de que esta direccin es opuesta a la del movimiento de la horquilla de replicacin. El problema se resuelve mediante la sntesis discontinua de una serie e fragmentos, los fragmentos de Okasaki. Cuando un fragmento de Okasaki ha crecido lo suficiente como para encontrar un cebador de ARN por delante de l, otra ADN polimerasa reemplaza a los nucletidos de ARN del cebador con nucletidos de ADN, luego la ADN ligasa conecta cada fragmento contiguo.

El principio de la replicacin semi-conservtiva, en la que cada cadena de la doble hlice de ADN sirve como molde par la formacin de una nueva cadena, es relativamente simple y fcil de comprender. Sin embargo, el proceso real por el cual la clula lleva a cabo la replicacin es considerablemente ms complejo. El proceso general de replicacin es comn a las clulas procariotas y eucariticas; sin embargo, el mecanismo difiere en algunos aspectos. La iniciacin de la replicacin del ADN, tanto en procariotas como en eucariotas, siempre comienza en una secuencia especfica, conocida como el origen de la replicacin. Requiere protenas iniciadoras especiales, adems de varias enzimas diferentes. Entre ellas las helicasas rompen los puentes de hidrogeno que unen las base

complementarias y abren la hlice en el origen de la replicacin. Pero, a medida que las cadenas de la hlice se separan, las porciones contiguas de la doble hlice corren el

peligro de enrollarse ms y ms es decir, de sperenrollarse. Otras enzimas, las topoisomerasas, rompen y reconectan una o ambas cadenas de la hlice, permitiendo que giren y se aliviane la tensin. Una vez que se separan las dos cadenas de la doble hlice, protenas adicionales, protenas de unin a la cadena simple, se unen a las cadenas individuales, mantenindolas separadas y evitando que se retuerzan. Esto posibilita el



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siguiente paso, la sntesis real de las nuevas cadenas, catalizada por las enzimas conocidas como las ADN polimersas. Si se observa el ADN en replicacin con el microscopio electrnico, la zona de sntesis aparece como un ojo o burbuja de replicacin. En cualquier extremo de la burbuja, donde las cadenas viejas comienzan a ser separadas por la helicasa y las nuevas cadenas complementarias estn siendo sintetizadas, la molcula parece formar una estructura en Y conocida como horquilla de replicacin. La replicacin es bidireccional y hay dos horquillas de replicacin que se mueven en direcciones opuestas desde el origen. En las procariotas hay un nico cromosoma, con un nico origen de replicacin localizado dentro de una secuencia especifica de nucletidos de aproximadamente 300 pares de bases. Cuando las cadenas replicadas comienzan a separase. Se forma una estructura que recuerda la letra griega de theta (), y finalmente se originan 2 ADN circulares. En las eucariotas en cambio, hay muchas molculas de ADN lineales, cada una con varios orgenes de replicacin. La replicacin se produce a lo largo de las molculas de ADN lineales a medida que cada burbuja se expande bidireccionalmente, hasta que alcanza a una burbuja adyacente. Cuando estas burbujas se fusionan toso el cromosoma ha quedado dividido. En el sentido opuesto, se necesita una secuencia cebador de ARN, sintetizado por la ARN primasa , con sus bases correctamente apareadas por cadena molde. La adicin de nucletidos a la cadena es catalizada por la ADN polimerasa. Estas enzimas sintetizan nuevas cadenas solo en la direccin de 5 a 3, aadiendo nucletidos uno a uno al extremo 3 de la cadena creciente. La replicacin de la cadena adelantada es continua, pero la replicacin de la cadena retrasada es discontinua. En la cadena retrasada, los fragmentos de Okasaki se sintetizan el la direccin de 5 a 3. La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki contiguos. En el proceso de replicacin del ADN se pierden nucletidos en los extremos de las molculas de ADN lineales. En algunas clulas eucariticas, esta prdida es compensada por la actividad de la enzima telomerasa. En el curso de la sntesis del ADN, la ADN polimerasa corrige errores, retrocediendo cuando e necesario para eliminar nucletidos si es necesario, para eliminar nucletidos que no estn correctamente apareados con la cadena molde. Se necesitan para la sntesis de la cadena retrazada en fragmentos de okasaki de 1000 a 2000 nucletidos en procariotas y de 100 a 200 en las eucariotas.

del ADN. Al igual que cada cadena de ADN, cada molcula de ARN tiene un extremo 5 y otro 3. Como en la sntesis de ADN, los ribonucletidos que estn presentes en la clula como triptofatos, se aaden uno por vez al extremo 3 de la cadena en crecimiento de ARN. El proceso conocido como trascripcin, es catalizado por la enzima ARN polimerasa. Esta enzima opera dela misma forma que la ADN polimerasa, moviendose en la direccin 3 a 5 a lo largo de la cadena molde de ADN, sintetizando una nueva cadena complementaria de nucletidos, en este caso de ribonucletidos, en la direccin de 5 a 3. As, la cadena de mARN es antiparalela a ala cadena molde de ADN de la cual, es transcrita. La ARN polimerasa, a diferencia de la ADN polimerasa, no requiere cebador para comenzar la sntesis de ARN, ya que es capaz de iniciar una nueva cadena uniendo los ribonucletidos. En procariotas, hay un nico tipo de ARN polimerasa, que en realidad, es un gran complejo multienzimtico asociado con varias protenas que participan en diferentes momentos de la trascripcin. Cuando va iniciar la trascripcin, la ARN polimerasa se une al ADN en una secuencia especifica denominada secuencia promotora o promotor; abre la doble hlice en una pequea regin y, as, quedan expuestos los nucletidos de una secuencia corta de ADN. Luego, la enzima va aadiendo ribonucletidos, movindose a lo largo de la cadena molde, desenrollando la hlice y exponiendo as nuevas regiones con las que se aparearan los ribonucletidos complementarios. El proceso de enlogacin de la nueva cadena de mARN continua hasta que la enzima encuentra otra secuencia especial en el trascrito naciente, la seal de terminacin. En muchos casos esta seal est dada por la estructura secundaria del ARN. En otros interviene, adems, un factor proteico (rho). En este momento, la polimerasa se detiene y libera a la cadena molde y a la recin sintetizada cadena de mARN.

El ARN, la trascripcin

Tambin conocido como cido ribonucleico, el ARN es una molcula de simple banda, cuya estructura es la de una azcar ribosa, radical fosfato unidos a bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y uracilo. Existen en tres clases que desempean funciones distintas como intermediarios en los pasos que llevan del ADN a las protenas que son: el mARN mensajero, tARN de transferencia y el rARN ribosmico. Las molculas de mARN son largas copias de secuencias de 500 a 10000 nucletidos de una cadena simple de ADN pero, a diferencia del ADN, las molculas de ARN se encuentran en su mayora como molculas de cadena nica. Cada nueva molcula de mARN se copia o transcribe de una de las dos cadenas de ADN (la cadena molde) segn el mismo principio de apareamiento de bases que gobierna la replicacin

Fig. Trascripcin del mARN en la molcula de ADN molde, luego la informacin se traduce a las protenas.

Sabemos que solo una de las cadenas es transcripta en cada gen. Qu es. Lo que indica a la ARN polimerasa cul cadena copiar? Se ha demostrado que la responsable de esta decisin es la secuencia promotora cuya orientacin particular apunta a



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la ARN polimerasa en la direccin en que debe efectuar la sntesis. El proceso de trascripcin del mARN que acabamos de describir en procariotas es similar en eucariotas, aunque presenta algunas diferencias importantes. Entre ellas, vale la pena mencionar que, si bien en procariotas las molculas de mARN se producen directamente por trascripcin de ADN, en eucariotas superiores, la mayor parte de los transcritos sufren un proceso posterior a la trascripcin llamado splicing del ARN antes de dejar el ncleo y entrar al citoplasma. El mARN transcripto a partir de ADN es, entonces, la copia activa de la informacin gentica. Incorporando las instrucciones codificadas por el ADN, el mARN dicta la secuencia de aminocidos en las protenas.

La Traduccin, sntesis de protenasLa sntesis de protenas se conoce tambin como traduccin, dado que es la transferencia de informacin del lenguaje de los Nucletidos al de los aminocidos. Ocurren en tres etapas: Iniciacin, enlogacin y terminacin.

Fig. Splicing, alternativo en las eucariotas.


UNESUR. Programa de Gentica/ Capitulo I : Gentica, organizacin del material hereditario. Fig. Iniciacin. La subunidad ribosmica ms pequea se une al extremo 5' de una molcula de mRNA. La primera molcula de tRNA, que lleva el aminocido modificado fMet, se acopla con el codn iniciador AUG de la molcula de mRNA. La subunidad ribosmica ms grande se ubica en su lugar, el complejo tRNA-fMet ocupa el sitio P (peptdico). El sitio A (aminoacil) est vacante. El complejo de iniciacin est completo ahora. Un segundo tRNA, con su aminocido unido, se coloca en el sitio A y su anticodn se acopla con el mRNA. Se forma un enlace peptdico entre los dos aminocidos reunidos en el ribosoma. Al mismo tiempo, se rompe el enlace entre el primer aminocido y su tRNA. El ribosoma se mueve a lo largo de la cadena de mRNA en una direccin 5' a 3', y el segundo tRNA, con el dipptido unido, se mueve desde el sitio A al sitio P, a medida que el primer tRNA se desprende del ribosoma. Un tercer aminoacil-tRNA se coloca en el sitio A y se forma otro enlace peptdico. La cadena peptdica naciente siempre est unida al tRNA que se est moviendo del sitio A al sitio P y el tRNA entrante que lleva el siguiente aminocido siempre ocupa el sitio A. Este paso se repite una y otra vez hasta que se completa el polipptido.

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La sntesis de protenas requiere, adems de las molculas de mARN, otros dos tipo de ARN: el ARN ribosmico (rARN) y el ARN de transferencia (tARN). Ambos se transcriben a partir de la molcula molde de ADN de la misma manera del mARN. Estas molculas difieren del mARN tanto en su estructura como en su funcin. En la mayora de las clulas, el rARN es l ms abundante, un hecho que dificult la bsqueda del mARN, que tpicamente tiene una existencia muy transitoria en las clula de Escherichia coli. El rARN junto con un grupo de protenas asociadas forma los ribosomas. Cada ribosoma es una gran maquinaria de sntesis de protenas. Los ribosomas consisten en dos subunidades. En los ribosomas de Escherichia coli, la subunidad ms pequea (30S) tiene un tipo de rARN, conocido comnmente como rARN 16S, y una sola molcula de cada una de las 21 protenas diferentes. La subunidad de mayor tamao (50S) tiene dos tipos de rARN, uno conocido como rARN 5S y el otro como rARN 23S, adems de 34 protenas diferentes. Las molculas de tARN, son en efecto, el diccionario por medio del cul se traduce el lenguaje de las protenas. Estas molculas comparadas con los otros tipos de ARN, son relativamente pequeas. Hay ms de 20 tipos diferentes de tARN en cada clula, por lo menos uno para cada aminocido que se encuentran en las protenas. Cada molcula de tARN tiene dos sitios de unin importantes. Uno de ellos, conocido como anticodn, se acopla al codn de la molcula de mARN. El otro en el extremo 3 de la molcula de tARN, se acopla a un aminocido particular. As, las molculas de tARN permiten

que los aminocidos se alineen de acuerdo con la secuencia de nucletidos en el mARN y, de esta manera, suministran el eslabn crucial entre los cidos nucleicos y las protenas, los dos lenguajes de las clulas vivas. La iniciacin: comienza cuando la subunidad ribosmica menor se acopla a la cadena de mARN cerca de su extremo 5, exponiendo su primer codn o codn iniciador. En Eschericha coli, el extremo 3 del mARN an est unido a la hlice de ADN, y la trascripcin continua aunque comience la traduccin en el extremo 5. A continuacin, el primer tARN y el tARN iniciador, se coloca en su lugar y se aparea con el codn iniciador, que habitualmente es (5)-AUG-(3), se aprea en forma antiparalela con el anticodon del tARN (3)-UAC-(5): El tARN iniciador entrante, que se une al codn AUG, lleva una forma modificada del aminocido metionina, Nformilmetionina o fmet, este es el primer aminocido de la cadena polipeptdica recin sintetizada que, en general, es rpidamente removido. La combinacin de la subunidad ribosmica pequea, el mARN y el tARN iniciador se conoce como complejo de iniciacin. La formacin de este complejo requiere protenas adicionales, los factores de iniciacin, que se encuentran solo en la subunidad menor del ribosoma y catalizan varios de estos pasos. El tARN iniciador est ubicado en el sitio P de la subunidad mayor, uno de los dos sitios de unin par las molculas de tARN. Luego, se liberan estos factores de iniciacin y la subunidad ribosmica mayor se une a la subunidad menor.

Fig. Resumen general de la sntesis de protenas en una bacteria. A partir del ADN cromosmico se transcriben las diferentes molculas de rARN que, combinados con protenas especificas, forman los ribosomas. Tambin se transcriben los distintos tipos de molculas de tARN correspondientes a



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los distintos aminocidos, y los mARN, que llevan la informacin par la secuencia de aminocidos de la protena. Cuando un mARN se une a la subunidad menor del ribosoma, comienza el proceso de sntesis de protenas.

Una vez que el ribosoma completo se ha ensamblado en el codn de iniciacin, comienza la etapa de Elongacin. Durante esta etapa, el sitio A de un ribosoma completo (cuyo sitio P esta ocupado por un tARN con la cadena peptdica en crecimiento o por el tARN iniciador) ser ocupado transitoriamente por sucesivos aminoacil-tARN que ocupen el sitio A sern aquellos cuyo anticodn sea complementario al codn que queda expuesto en este sitio. La entrada del aminoacil-tARN al sitio A del ribosoma requiere unin previa con una protena llamada factor de elongacin, que en su forma activa est unida al GTP. Al aparearse el tARN con el mARN, se dispara la hidrlisis del GTP por parte del factor de elongacin que luego se disocia permitiendo que el aminoacetiltARN permanezca unido por un corto perodo de mARN. Cuando tanto los sitios A y P estn ocupados, una enzima la peptidil transferasa que esparte de la subunidad mayor del ribosoma, cataliza la formacin de un enlace peptdico entre los do aminocidos, acoplando el primero fMet y el segundo aminocido se transfiere a la posicin P. Un tercer aminoacil-tARN se ubica en la ahora vacante posicin A acepta al tARN que porta el nuevo aminocido que ser aadido a la cadena. A medida que el ribosoma se mueve a lo largo de la cadena de mARN, la porcin iniciadora de la molcula de mARN es liberada y otro ribosoma puede formar con ella un complejo de iniciacin. Un grupo de ribosomas que leen la misma molcula de mARN se conoce como polisoma. Haca el final de la secuencia de mARN, hay un codn que sirve como seal de terminacin. Se conocen tres codones de terminacin UGA, UAG y UAA, frecuentemente hay ms de uno presente en todo el mARN dado. No existe ningn tARN cuyo anticodn se aparee con estos codones, de manera que no entrar ningn tARN al sitio A para aparearse con ellos. Existen ciertas protenas citoplasmticas, los factores de liberacin que se unen a cualquier codn de terminacin que alcanza el sitio A del ribosoma. Estas protenas alteran la actividad de la peptidil transferasa. Lo que provoca que el polipptido se separe del tARN. As cuando se alcanza un codn de terminacin, se detiene l traduccin, la cadena polipeptdica se desprende y las dos subunidades ribosmicas se separan. Se estima que Escherichia coli, puede sintetizar hasta 3000 protenas diferentes, cada una de las cuales es ensamblada en esta misma forma. La dilucidacin de los detalles de este preciso y armonioso proceso de traduccin fue un logo que inspiro admiracin y es sorprendente saber que, en este mismo momento, un proceso similar est ocurriendo virtualmente en todas las clulas de nuestros propios cuerpos. El ADN tiene la informacin para la sntesis e protenas y las protenas a su vez, participan en la sntesis del ADN y el ARN. Parece poco probable que pueda existir uno sin los otros. Sin embargo, en pocas prebiticas habra existido un mundo de ARN, en el cul los ARN habran tenido capacidad cataltica y habran llevado a acabo su propia duplicacin.

El cdigo gentico, el Dogma central de la genticaEn 1909 Garrob que trabaj en la explicacin bioqumica de la enfermedad gentica alcaptonuria, public en su libro errores del metabolismo, un claro discernimiento del control gentico del metabolismo. Aunque los detalles de la va bioqumica afectada por la mutacin recesiva que causa la alcaptonuria no se conocieron sino hasta muchos aos despus, Garrod comprendi con claridad la relacin entre gen y reaccin metablica, Su concepto podra enunciarse mejor como un gen mutante-un bloque metablico. El concepto de Garrod fue el precursor del concepto un gen-una enzima y el actual concepto de un gen-un polipetido que se convierte en el dogma central de la gentica. Subsecuentemente, se demostr que muchas enzimas, as como tambin las hemoglobinas, consistes en dos o ms cadenas polipeptdicas diferentes, y se encontr que cada polipptido es producto de un gen separado. La triptfano sinttasa de E. coli, por ejemplo, contiene un -polipptido, el producto del gen trpA, y un polipptido, el producto del gen trpB. Por lo tanto fue necesario cambiar el concepto de un gen una enzima por un gen-un polipptido La molcula del ARN mensajero se traslada a los ribosomas donde ocurre la etapa de traduccin. Durante esta etapa el ribosoma lee la secuencia de nucletidos del ARN mensajero por tripletes o tros de nucletidos, denominados codones. A medida que el ribosoma lee la secuencia de codones va formando una protena, a partir de la unin de aminocidos. Segn cul es el codn que el ribosoma lee va colocando el aminocido que corresponde. Si se considera la combinacin de cuatro bases tomadas de a tres, existe un total de 64 codones posibles. Cada codn determina qu aminocido se colocar en la protena que se est fabricando. De los 64 codones, 61 corresponden a aminocidos y 3 son codones de terminacin (stop), responsables de la finalizacin de la sntesis proteica. La siguiente tabla es el cdigo gentico o diccionario que permite traducir la informacin escrita en el lenguaje de los cidos nucleicos (nucletidos) al lenguaje de las protenas (aminocidos), y es universal, o sea, es vlido para todos los seres vivos. As, la secuencia ATG (AUG en el ARNm) codifica para el aminocido metionina, y el codn TTT (UUU en el ARNm) codifica para el aminocido fenilalanina en todos los organismos vivos. Como slo existen 20 aminocidos en la naturaleza, varios codones pueden codificar para el mismo aminocido (por ejemplo, al aminocido glicina le corresponden los codones GGU, GGC, GGA y GGG).



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Fig. Tabla del cdigo gentico.

Cada codn del ARNm es ledo por otro ARN, llamado ARN de transferencia (ARNt), que acta como un adaptador entre la informacin que lleva el ARNm y los aminocidos que deben ir colocndose para formar la protena correspondiente. El ARNt es muy pequeo comparado con los ARNm y tiene una secuencia, denominada anticodn que aparea (es decir, es complementaria) con el codn. Cada ARN de transferencia tiene un anticodn y carga un aminocido en particular. Por ejemplo, el ARNt que tiene el anticodn UCA, se aparea al codn AGU, y carga el aminocido serina (Ser). De la misma manera, el ARNt que carga tirosina (Tyr) se aparea, a travs de su anticodn, con el codn UAC. As se va formando una cadena polipeptdica (protena) a medida que los anticodones de los ARNt reconocen sus respectivos codones en el ARNm. Este proceso de sntesis proteica ocurre en los ribosomas. Entre los muchos experimentos que contribuyeron a descifrar el cdigo gentico estuvieron los de Khorana de la Universidad de Wisconsin en la dcada de 1960, Khorana sintetiz un mensajero artificial en el cual se repetan dos nucletidos una y otra vez, en una secuencia conocida: AGAGAGAGAG, UCUCUCUCUC, ACACACACAC y UGUGUGUGUG. Cada una de estas cadenas de ARN, cuando se usaban como mensajeros en el sistema libre de clulas, producan cadenas polipeptdicas de aminocidos alternados. Poli AG, produca arginina y cido glutmico una y otra vez; poli-UC produca serina y leucina; poli- AC treonina e histidina y poli UG, cisterna y valina. Por supuesto, esto es lo se esperara de un cdigo de tripletes. Un mensaje de poliAG, por ejemplo sera ledo como AGAGAG.AGA. Khorana tambin sintetiz mensajeros artificiales en los cuales se repetan tres nucletidos una y otra vez. Estos mensajeros producan tres polipptidos diferentes, cada uno formado por solo un aminocido, repetido numerosas veces. Cada tipo de polipptido producido dependa de donde comenzaba el proceso de lectura.

Las clulas eucariticas son hospedadoras de virus que contienen ADN o ARN como material gentico. En el caso de los que contienen ADN, el ADN genmico viral se replica formando ms al ADN viral y se transcribe a un mARN, dirigiendo la sntesis de protenas virales. En la mayora de los virus que contiene ARN el ARN genmico se replica de manera similar, formando nuevo ARN viral y, en algunos casos, tambin acta como mARN. Sin embargo, algunos virus (retrovirus), que contienen ARN tienen un mtodo de replicacin diferente: El ARN geonmico, acta primero como molde para sintetizar una cadena complementaria de ADN. Esta sntesis es catalizada por una ADN polimerasa viral dependiente del ARN, conocida como transcriptasa inversa. Esta enzima tambin es la encargada de sintetizar la segunda cadena de ADN (que representa la secuencia de ARN molde original), complementaria por lo tanto, a la primera cadena de ADN sintetizada. La molcula de cadena doble resultante se inserta en el genoma de la clula hospedadora. A partir de este ADN integrado se transcriben, subsiguientemente, tanto el ARN genmico viral como el mARN para la sntesis de protenas virales. El descubrimiento de los retrovirus ha llevado a una revisin del dogma central de la gentica molecular. Estos virus son de gran inters, ya que se ha demostrado que muchos de ellos causan cncer en animales. Adems, el virus responsable del Sida es un retrovirus.

Fig. Ciclo biolgico de un retrovirus (VIH).

Trascripcin inversa

La transcriptasa inversa de los retrovirus mostr ser una herramienta valiosa para la tecnologa del ADN recombinante. Por medio de esta enzima es posible sintetizar molculas de ADN de cadena doble usando como molde cualquier molcula de ARN obtenida de una clula, cada molcula de mARN representa la informacin contenida en un gen en forma aislada. As , la trancriptsa inversa ofrece un medio para la produccin de fragmentos del ADN que contengan una porcin definida del genoma. Las molculas de ADN sintetizadas por las transcriptasa inversa a partir de un molde de un ARN determinado se conocen como ADN complementario (cADN). Una limitacin de esta metodologa para aislar genes es que los mARN que se encuentran en una clula en un momento dado representan los genes que estn siendo expresados en una clula en ese momento. Por lo tanto, en



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esa poblacin de molculas no est representada la totalidad del genoma. Sin embargo, si lo que se quiere es aislar un cierto gen y se sabe que este se expresa preponderantemente en un tipo de clula, esta metodologa representa una ventaja ya que una gran porcin de los mARN transcritos corresponder a ese gen.

CromosomasLos cromosomas en las clulas eucariotas son estructuras vermiformes que contienen ADN. En realidad, los cromosomas varan mucho en su tamao y forma, y poseen algunas caractersticas que ayudan a los citogentista a identificar en muchos casos cromosomas especficos. Las distintas especies poseen un nmero de cromosomas caracterstico pueden presentarlos en una sola copia (haploides) o ms copias diploides, triploides tetraploides, en este caso existe homologa. Adems, los cromosomas de un genoma pueden diferir considerablemente en tamao. En la especie humana por ejemplo, hay una diferencia de cerca de cuatro veces entre el tamao de cromosoma 1(el mayor) y el cromosoma 21 (el ms pequeo). El centrmero: es la regin del cromosoma a la que se unen las fibras del huso, la regin centromerica se observa normalmente como un estrechamiento y su posicin define la relacin entre las longitudes de los dos brazos cromosmicos. Los cromosomas se clasifican segn la posicin del centromero en: 1) telocentricos con el centrmero en un extremo; 2)acrocentricos con el centrmero cerca del extremo y, 3) metacntricos en centrmero en el medio Los crommeros: son engrosamientos localizados a lo largo del cromosoma, parecido a las cuentas de collar, que e observan durante la profase de la mitosis y meiosis. Las posiciones de los crommeros tienden a ser fijas en los

cromosomas homlogos. Aunque los crommeros son muy buenos marcadores, su naturaleza molecular es desconocida. Heterocromatina: cuando los cromosomas se tratan con compuestos qumicos que reaccionan con el ADN, como el reactivo e Fulgen, se ponen de manifiesto regiones de distinta intensidad de tincin. Las regiones que e tien muy intensamente se conocen como heterocromatina y las menos teidas eucromatinas (La eucromatina contiene la mayoria de los genes activos). Esta tincin refleja el grado de compactacin o enrollamiento del ADN del cromosoma. La heterocromatina puede ser constitutiva o facultativa. La heterocromatina constitutiva es una caracterstica permanente de un sitio especfico del cromosoma y, en este sentido,, es una propiedad hereditaria. La heterocromatina facultativa aparece a veces, que no siempre, en una posicin cromsomica determinada. Las histonas: Son polipptido pequeos, se encuentran nicamente en las clulas eucariticas y son ricas en aminocidos bsicos lisina y arginina por lo que estn cargadas positivamente. Por esta razn son atradas por el ADN cargado negativamente, las histonas estn siempre presentes en la cromatina, son sintetizadas en grandes cantidades durante la fase S del ciclo celular y son las principales responsables del plegamiento y empaquetamiento del ADN. Hay cinco tipos distintos de histonas, conocidos como H1, H2A, H2B, H3 y H4. Estn presentes en cantidades enormes, aproximadamente 30 millones de molculas de cada uno de los otros cuatro tipos de clulas. La estructura de las histonas est notablemente conservada en el amplio abanico de organismos eucariticos, cuando se aumenta la concentracin de sal, el collar de nucleosomas aparece gradualmente una forma enrollada denominada selenoide.

a)

b)

c)

Fig. a) El ADN en los eucariontes se hallan fuertemente empaquetados en los cromosomas; b) partes de un cromosoma; c) el ADN de las bacterias carece de una estructura envoltorio, est desprovisto de ncleo, la molcula de ADN nico es de forma circular cerrada.

Nucleosoma: es la unidad de empaquetamiento fundamental de la cromatina, cada nucleosoma consiste en un ncleo central formado por do molculas de cada una de las siguientes histonas, denominadas nucleosomicas: H2A, H2B, H3 y H4. En total son 8 molculas de histonas alrededor de las cuales el filamento de ADN da dos vueltas, como un hilo

alrededor e su carreto. Cuando un fragmento de ADN se enrolla alrededor de un nucleosoma, tiene casi 1/6 parte de su longitud que tendra su estuviera totalmente extendido. Patrn de bandas: Ciertos mtodos especiales de tincin cromosmica han puesto de manifiesto la existencia de una serie intrincada de bandas (rayas transversales) en una gama amplia de organismos. Las posiciones y tamaos de las bandas son muy especificas de cada cromosoma. Uno



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de los patrones de bandas bsicos es el producido por el reactivo Giemsa, un colorante que tie el ADN tras la digestin proteolitica suave de los cromosomas. Dicho reactivo genera un patrn de regiones teidas dbilmente y regiones teidas intensamente. Estructura tridimensional de los cromosomas: El nico cromosoma de Escherichia coli contiene alrededor e 1.3 mm de ADN. En claro contraste, una clula humana contiene unos 2 metros de ADN (1 metro por dotacin cromosmica). El cuerpo humano est constituido por una 1013 clulas y, por lo tanto, contiene el total de 2x1013 metros de ADN. Podemos hacernos una idea de la extrema longitud de este ADN si lo compramos con la distancia de la tierra al sol, que es 1,5 x 10 11 metros. Ello significa que de nuestro cuerpo se podra viajar al sol con la longitud de nuestro ADN una 50 veces. Este hecho peculiar nos permite asegurar que el ADN de las eucariotas debe estar empaquetado de forma muy eficaz. En realidad, el empaquetamiento ocurre en el ncleo, donde los 2 metros de ADN por clula humana se condensan en 46 cromosomas, todos ellos dentro de un ncleo que solo mide 0.006 mm. de dimetro. Si se rompen clulas eucariticas y se examina el contenido de sus ncleos al microscopio electrnico, aparecen como masa de fibras de unos 30 nm. de dimetro. Hoy da los genetistas pueden demostrar directamente que ciertos cromosomas contienen un sol molcula de ADN, mediante la electrofresis de campo pulsante. En el cromosoma procaritico circular, comparativamente pequeo, la replicacin comienza en un nico origen y procede bidireccionalmente a lo largo de dos horquillas de replicacin. En los cromosomas eucariticos hay muchos orgenes de replicacin y la sntesis bidireccional ocurren hasta que las horquillas de replicacin se fusionan. La replicacin es mucho ms lenta en los eucariotas que en los procariotas; en las clulas humanas, por ejemplo, la velocidad es aproximadamente 50 pares de bases por segundo por horquilla de replicacin. Las histonas ensambladas en los nucleosomas raramente se separan del ADN; por lo tanto, a medida que la horquilla de replicacin avanza debe, de alguna manera, pasar a travs de los nucleosomas parentales. Se cree que cada nucleosoma se desenrolla transitoriamente, permitiendo que la ADN polimerasa copie el ADN nucleosomico desenrollado. El ADN recin sintetizado hereda parte de las viejas histonas para empaquetarse y formar la cromatina. En cuanto se sintetiza, el ADN eucaritico forma los nucleosomas y se asocia tambin con otras protenas, compactndose en los niveles superiores de la condensacin. Estructura del telmero: son los extremos de los cromosomas eucariticos y tienen propiedades nicas, los rotos y pegajosos y tienden a fusionarse entre si. En contraste las terminaciones naturales de cromosomas no rotos son estables y no muestran tendencia a fusionarse con otras terminaciones (nativas o rotas) otra razn para presuponer que los telmeros tienen estructuras nicas es que las ADN polimerasas conocidas no deben ser capaces de

duplicar el segmento de del ADN Terminal de la cadena retrasada de un cromosoma lineal. En el extremo de la molcula de ADN que se est sintetizando de manera discontinua, no habra cadena de ADN para proporcionar un 3 OH libre (cebador o iniciador) para la polimerizacin de desoxirribonucletidos cuando el cebador de ARN del fragmento de okasaki Terminal es escindido, esto es claro, que el telmero debe tener una estructura nica que facilite su duplicacin, o debe haber una enzima especial de duplicacin que resuelva este enigma de duplicar el trmino de la cadena retrasada. Los telomeros tienen estructuras nicas que incluyen secuencias cortas de nucletidos presentes como unidades repetidas en tandem. Aunque estas secuencias son algo variables en diferentes especies, la unidad repetida bsica en todas las especies estudiadas tiene el patrn 5- T 1-4 A0-1 G1-83. Por ejemplo, la secuencia repetida en los seres humanos es TTAGGG, en Arabidopsis TTTAGGG. El nmero de copias de esta unidad repetitiva vara entre especies, de cromosoma a cromosoma en una especie e incluso en el mismo cromosoma en distintas etapas del ciclo de la vida. Al menos en algunas especies, los telmeros terminan en una regin de cadena sencilla de l cadena de ADN con extremo 3 (el denominado satlite 3). Las bases terminales de este extremo de cadena sencilla muestran patrones nicos de mutilacin (grupos metilo unidos covalentemente) que probablemente contribuyen a la formacin de una estructura de horquilla o doblada en el extremo mismo del ADN telomrico. Secuencias repetitivas adicionales de ADN estn presentes contiguas al telmero; a estas cadenas se les conoce como cadenas asociadas al telmero. Aunque las estructuras tridimensionales reales de los telomeros y el modo de duplicacin de las secuencias telomricas son todava inciertos, e claro que los telmeros poseen estructuras especiales que les imparten sus propiedades nicas. Adems, se sabe que las secuencias telomricas pueden aadirse a los cromosomas por la enzima especial denominada telmero transferasa o telomerasa. Estas estructuras nicas de los telomeros de los cromosomas eucariticos deben efectuar al menos tres funciones importantes. Deben 19 evitar que las exonucleasas , degraden los extremos de las molculas lineales de ADN, 2) evitar la fusin de los extremos con otras molculas de ADN y 3) facilitar la duplicacin de los extremos. Si los telmeros no efectuaran la tercera funcin, los cromosomas se haran progresivamente ms cortos.



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Fig. La telomerasa alarga el extremo 3, aadiendo muchas copias de la secuencia telomrica.

GenomaEl examen del ADN de las clulas eucariticas revel cuatro sorpresas principales, en primer lugar, con algunas pocas excepciones, en una misma especie, los individuos tienen la misma cantidad de ADN en cada una de sus clulas diploides (lo cual, no es sorprendente), pero las variaciones entre las diferentes especies son enormes. Drosophila tiene aproximadamente 1,4 x 108 pares de bases por genoma haploide, solo alrededor de 70 veces ms que E. coli. Los seres humanos tienen 25 veces ms que Drosophila, algo ms que distancia entre los puntos de entrecruzamiento. Al aumentar la distancia, est probabilidad es mayor. Hay tambin evidencias de que, en algunos casos, diferentes exones, codifican para diferentes segmentos o dominios estructurales de una misma protena. Por ejemplo, el exn central del gen de la globina beta codifica par el dominio del polipptido que sostiene el grupo hemo y los otros dos exones codifican para los dominios de la molcula que se pliegan alrededor de esta porcin central. aquellas que se expresan, son llamadas exones. Una visible ventaja de los intrones en los eucariontes multicelulares es que promueven la recombinacin; el crossing-over durante la meiosis es ms probable en genes que contienen intrones que en genes que carecen de ellos. La probabilidad de que dos genes homlogos recombinen un fragmento depende de la distancias interpuestas o intrones, y las secuencias codificadoras.

un ratn pero aproximadamente la misma cantidad que un sapo. La mayor cantidad de ADN corresponde a una salamandra, con 8 x 109 pares de base por genoma haploide. En segundo lugar, en cada clula eucaritica parece haber un gran exceso de ADN o, por lo menos, de ADN cuyas funciones son desconocidas. Se estima que en las clulas procariticas menos del 10% del ADN codifica para protenas, en los seres humanos, esta cifra puede disminuir hasta el 1%. Por contraste como hemos visto, en las procariotas y ms an en los virus, excepto por las secuencias reguladoras o secuencias seal, virtualmente todo el ADN se expresa. En tercer lugar, casi la mitad del ADN de la clula eucaritica consiste en secuencias de nucletidos que se repiten centenas o hasta millones de veces. Esto fue un descubrimiento particularmente sorprendente. En E. coli, que ha sido por largo tiempo el modelo para los genetistas moleculares, cada molcula de ADN cromosmico contiene tpicamente solo una copia de cualquier gen dado; las principales excepciones son los genes que codifican rARN. Adems este hallazgo fu extraordinario porque de acuerdo con la gentica mendeliana, un gen est presente solo dos veces por cada clula eucaritica diploide, no en una multitud de copias. La cuarta sorpresa, y tal vez la ms inesperadas de todas fue que la secuencia de genes eucariticos que codifican para protenas habitualmente no son continuas, sino que estn interrumpidas por secuencias no codificadoras. Las secuencias no codificadoras que producen interrupciones dentro de un gen se conocen como secuencias

Fig. La trascripcin elimina las regiones no codificantes (intrones) a partir del mARN.

Clases de ADN La naturaleza repetida de la mayor parte del ADN en la clula eucariotica fue demostrada, por primera vez, en estudios de hibridacin, llevados cabo antes del descubrimiento de las enzimas de restriccin. En estos estudios se fragmentaba el ADN por mtodos mecnicos en segmentos de aproximadamente 1000 pares de bases de



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longitud, e lo desnaturalizaba y se le permita su reasociacin. Cuando el ADN de E. coli se trata de este modo, la hibridacin ocurre a una velocidad uniforme. Cada cadena presente tiene igual probabilidad de encontrar una pareja, dado que ambas cadenas estn presentes en nmeros iguales. Sin embargo si se trata del ADN eucaritico de esta manera, hasta un 30%, segn la especie, se reasocia muy rpidamente, indicando que en cada genoma existen copias mltiples de la misma secuencia. Esta clase de ADN, de secuencia altamente repetitiva, se ha llamado ADN de secuencia simple. Otra fraccin, llamada ADN de repeticin intermedia, se reasocia, ms lentamente y una tercera fraccin, denominada ADN de copia nica, forma hbridos a una velocidad an menor, indicando que solo existe una o pocas copias en cada genoma. Esta ltima fraccin contiene la mayora de los genes que codifican protenas. ADN de secuencia simple: tambin llamado ADN satelite, mostr ser fcil de analizar porque est formado de secuencias cortas, dispuestas una tras otra (en tandem). Estas secuencias tpicamente tienen de 5 a 10 pares de bases de longitud, aunque unas pocas pueden llegar hasta 300 pares e bases. El ADN de secuencia simple est presente en cantidades enormes. La mitad del ADN de una especie de cangrejo, por ejemplo, est constituida por la secuencia de nucletidos ATATATAT, y as sucesivamente; Drosophila viridis tiene la secuencia ACAAACT doce millones de veces. Alrededor del 10% del ADN del ratn y aproximadamente entre el 20 y el 30% del ADN humano estn constituidos por secuencias cortas, altamente repetidas. Se piensa que el ADN de secuencia simple es vital para la estructura del cromosoma. El ADN de secuencia altamente repetitiva tiende a ser muy polimorfico, es decir, se presenta con grandes variaciones en cuanto al nmero de repeticiones en distintos individuos de la misma especie. Esta caracterstica es tan distintiva como una huella digital, por lo que es usada para identificar genomas individuales y hacer estudios de filiacin. ADN de repeticin intermedia: El ADN de repeticin intermedia difiere en varias caractersticas del ADN de secuencia simple. En primer lugar la secuencias son ms largas, generalmente entre 150 y 300 nucletidos; en segundo lugar son similares pero no idnticas entre si (de ah que a veces se les denomine familia). En tercer lugar, con excepcin de los genes que codifican rARN e histonas, estn dispersas en todo el genoma. En cuarto lugar, parte de las secuencias de repeticin intermedia, aunque en pequea proporcin, viene funciones conocidas. Entre la secuencia de repeticin intermedia ms cuidadosamente estudiadas estn los genes que codifican para histonas y rARN. La mayora de secuencias de repeticin intermedia son de naturaleza ms misteriosa que los genes de rARN e histonas. Una de las familias ms comunes de repeticiones intermedias en los humanos, por ejemplo, es la secuencia Alu. ADN de copia nica: El resto del genoma (entre 50 y 70% segn la especie) est constituido por secuencias que no se repiten o que se repiten pocas veces. Con excepcin de los genes de histonas, todos los genes que codifican protenas pertenecen a esta fraccin de ADN. Sin embargo, slo una pequea porcin del ADN de copia nica, tal vez el 1% del total, parece ser traducidas a protenas. Las unidades de trascripcin, que consisten en intrones y exones, estn

separadas por grandes distancias de ADN espaciador que no se transcribe. Adems, los intrones son frecuentemente ms largos que los exones. Por ejemplo, en los vertebrados, los intrones pueden constituir hasta ms del 80% del ADN dentro de las unidades de trascripcin. En definitiva, los genes que codifican para protenas parecen ser islas que flotan en un mar de ADN sin sentido. Familias gnicas: Algunos genes que codifican para protena se encuentran en familias gnicas constituidas por genes similares pero, no idnticos. La mejor estudiada de esta es la familia de la globina. La hemoglobina adulta, es un complejo de cuatro cadenas polipeptdicas. Los genes se expresan uno tras otro en el desarrollo embrionario, produciendo molculas de polipptidos que difieren muy ligeramente. Combinados con las cadenas , los polipptidos forman molculas de hemoglobina - de la madre. Se cree que el gen que codificaba para la protena ancestral se duplic accidentalmente varias veces en el curso de la historia evolutiva y estas copias amplificaron posteriormente a causa de Crossing-over desiguales. Una vez que los genes se duplicaron, la divergencia posterior fue originada por mutaciones, que finalmente dieron lugar a la familia actual de genes. Genes que codifican anticuerpos Los anticuerpos son protenas globulares complejas producidas en grandes cantidades por los linfocitos, en respuesta a la presencia de molculas extraas. Una sustancia que induce la produccin de anticuerpos se conoce como antgeno; virtualmente, todas las protenas extraas y la mayora de los polisacridos extraos pueden actar como antgenos. Un anticuerpo reconoce y se combina con su antgeno particular casi en la misma forma, y tan especficamente, como una enzima se combina con su sustrato. Los anticuerpos inmovilizan a las partculas virales

Unidad I. Orgamizaciýýn del material hereditario

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