Composición
química del ADN y su duplicación. Síntesis de proteínas
El
ácido desoxirribonucleico (ADN) es un polímero de alto peso
molecular formado por dos cadenas o hebras de monómeros llamados
nucleótidos. Cada nucleótido está conformado por moléculas más
pequeñas: una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina o
timina), un hidrato de carbono (desoxirribosa) y un grupo fosfato
(fig. 1). Los cuatro tipos de nucleótidos difieren solamente en el
tipo de base nitrogenada, las cuales pueden ser púricas (adenina o
guanina) o pirimídicas (citosina o timina). Se les llama púricas o
pirimídicas porque derivan de moléculas llamadas purina o
pirimidina.
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Fig. 1 Esquema de un nucleótido
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El
conocimiento de los componentes del ADN y otros antecedentes
permitió a los científicos Watson y Crick construir un modelo
tridimensional de la molécula. Este modelo propone la presencia de
dos cadenas de nucleótidos entrelazadas en forma de doble hélice.
Cada una de estas hebras se une a la otra por las bases nitrogenadas
mediante puentes de hidrógeno, siguiendo un patrón fijo: la
adenina se une a la timina y la guanina a la citosina. Los
nucleótidos de cada cadena se unen a través de los grupos fosfato
y la desoxirribosa (fig. 2).
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Figura 2. a. Modelo de la doble
hélice del ADN; b. Disposición de los nucleótidos en el ADN
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El
modelo descrito permite explicar cómo se pueden sintetizar nuevas
moléculas de ADN: el proceso comienza con la ruptura de los enlaces
de hidrógeno y la consecuente separación las dos cadenas
complementarias. Esto permite que cada una de las cadenas sirva de
molde para formar una cadena complementaria nueva. En este proceso
participa una serie de enzimas, una de ellas es la ADN polimerasa,
que permite el enlazamiento de los nucleótidos en las cadenas
complementarias nuevas. Este modelo de duplicación del ADN
(replicación o autoduplicación) se denomina semiconservativo, ya
que cada ADN sintetizado está formado por una cadena “antigua”,
que sirvió de molde, con la otra “nueva”.
El
ADN es capaz de determinar el fenotipo de un organismo a través de
un proceso denominado expresión génica. Mediante dicho proceso la
información contenida en los genes del ADN es utilizada para
especificar la constitución de las proteínas de la célula.
Recordemos que un gen tiene información específica para la
síntesis de una proteína determinada. Las proteínas que se
sintetizan influyen en el fenotipo, desde rasgos visibles hasta
otros sólo observables bioquímicamente como es el caso de las
enzimas y las proteínas estructurales.
Debido
a que el ADN es una macromolécula, está imposibilitado para
atravesar la membrana nuclear para llegar hasta los ribosomas, lugar
de síntesis de proteínas. Por esto, se requiere la participación
de otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), el cual se
diferencia del ADN en que el nucleótido de ARN posee uracilo en vez
de timina y en que el hidrato de carbono es una ribosa. Este ARN,
por ser de menor peso molecular que el ADN, sí puede salir por los
poros de la membrana nuclear hacia los ribosomas.
Para
que se sintetice una proteína se requieren los siguientes eventos
(fig. 3):
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Figura 3. Esquema del proceso de
síntesis de proteína
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1.
Transcripción: la información contenida en un gen del ADN se copia
en un ARN mensajero (ARNm) con la participación de la enzima ARN
polimerasa. De esta manera, es el ARNm el que lleva la información
codificada en cuanto al tipo, cantidad y orden de los aminoácidos
que formarán la futura proteína. Una vez que el ARNm ha copiado
toda información desde el ADN sale del núcleo hacia los ribosomas
ubicados en el citoplasma celular (fig. 4). Notemos que el gen se
copia de cada hebra de ADN separados (hebra templado del gen 1 y
hebra templado del gen 2).
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Figura 4. Esquema de la transcripción
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2.
Traducción: la información transcrita en el ARNm se utiliza para
determinar la secuencia (orden) de aminoácidos de una proteína.
Una secuencia de tres bases nitrogenadas consecutivas o triplete del
ARNm se llama codón. Éste lleva información, que se traduce en
los ribosomas, para un aminoácido específico que formará parte de
la proteína. Los ribosomas se unen al ARNm y lo recorren
“traduciendo” la información de sus codones. Aquí entra en
juego otro tipo de ARN denominado ARN de transferencia (ARNt), que
se encarga de transportar un aminoácido determinado hasta los
ribosomas. Un sector de este ARNt tiene un triplete llamado
anticodón que es complentario con el codón del ARNm; si ambos
coinciden, el ARNt deja el aminoácido en el ribosoma. Así
sucesivamente van llegando otros aminoácidos que al unirse formarán
una proteína (fig. 5).
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Figura 5.
Esquema de la traducción
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Estructura
del ADN
El
ADN es una macromolécula que dirige la síntesis de las proteínas
específicas para el funcionamiento de cada tipo de célula. El ADN
se sintetiza en el núcleo celular y es un ácido nucleico. Cada
macromolécula está formada por una sucesión de cientos y miles de
moléculas más pequeñas, los nucleótidos. A su vez, cada
nucleótido está constituido por la unión de:
Una
pentosa, azúcar de cinco átomos de carbono: la desoxirribosa;
Una
base nitrogenada: puede ser adenina (A), guanina (G), citosina (C)
o timina (T), y
Un
grupo fosfato: compuesto por fósforo y oxígeno.
El
estudio de la estructura del ADN permitió elaborar un modelo
molecular de ADN de doble hélice. Veamos sus características.
Cada
molécula de ADN está constituida por dos largas cadenas,
enrolladas en espiral alrededor de un eje imaginario, formado una
doble hélice. Las pentosas y los grupos fosfato forman el esqueleto
externo de la hélice, y las bases nitrogenadas se disponen hacia el
interior.
Las
dos cadenas son antiparalelas, lo que significa que se disponen en
forma paralela pero siguen sentidos opuestos.
Las
cadenas se mantienen unidas mediante enlaces que se establecen entre
las bases nitrogenadas de ambas. Además, son complementarias, lo
que significa que se unen de a pares: la adenina siempre queda
enfrentada con la timina, y la guanina, con la citosina. De esta
manera, la secuencia de bases nitrogenadas de una de las cadenas
determina la secuencia de la otra.
Esta
última característica es muy importante. ¿Por qué ?Porque la
secuencia de los nucleótidos en cada hebra es la que va a
determinar el orden de los aminoácidos en una proteína, es decir,
codifica la información genética para sintetizarla.
Ahora
bien, solo existen cuatro nucleótidos distintos en la molécula de
ADN que se distinguen por sus bases nitrogenadas y es aquí donde
está la clave. Al ordenarse en sucesión, pueden hacerlo de
muchísimas maneras; el número de variaciones es impresionante y
sin duda es el responsable de la variedad de seres vivos. Es el
orden específico de los nucleótidos del ADN el que determina el
código genético de cada organismo.
Ácidos
nucleicos
Los ácidos nucleicos son moléculas complejas,
mayores que las de casi todas las proteínas; poseen carbono,
oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y fósforo. Fueron aislados por
Miescher en 1870 en los núcleos de células del pus y deben su
nombre al hecho de ser ácidos y de haberse encontrado por primera
vez en los núcleos. Hay dos variedades de ácido nucleico: uno que
contiene ribosa se llama ácido ribonucleico o ARN y otro
conteniendo desoxirribosa, llamado ácido desoxirribonucleico o ADN.
Hay distintos tipos de ARN como de ADN, los mismos difieren por sus
detalles estructurales y funciones metabólicas. El ADN se encuentra
en los cromosomas del núcleo de la célula y, en cantidad mucho
menor, en mitocondrias y cloroplastos. Es el principal depósito de
información biológica. En células eucarióticas el ARN se
encuentra en el núcleo, especialmente en el nucléolo, en los
ribosomas y en menor cantidad en otras partes de la célula.
Los
ácidos nucleicos están formados por subunidades llamadas
nucleótidos, cada uno con una base nitrogenada, un azúcar de cinco
carbonos y ácido fosfórico. En ellos hay dos tipos de base
nitrogenadas, las purinas y pirimidinas.
El
ARN contiene las purinas adenina y guanina, las pirimidinas citosina
y uracilo, junto con la pentosa, ribosa y ácido fosfórico. El ADN
contiene adenina y guanina, citosina y la pirimidina timina, así
como desoxirribosa y ácido fosfórico. Las moléculas de ácidos
nucleicos constan de cadenas lineales de nucleótidos, unidas entre
sí por enlaces que van del azúcar de una cadena al ácido
fosfórico de la otra. La especificidad del ácido nucleico reside
en el orden específico de los cuatro tipos de nucleótidos en la
cadena; por ejemplo: CCGATTA puede representar un fragmento de una
molécula de ADN donde C= citosina, G= guanina, A= adenina y T=
timina.
En la actualidad hay pruebas abundantes de que el ADN
representa la especificidad y propiedad químicas de los genes,
unidades de la herencia. Se conocen varios tipos de ARN, cada uno de
los cuales desempeña un papel específico en la síntesis de
proteínas específicas por la célula.
Nucleótidos y
nucleósidos
Los ácidos nucleicos son polímeros cuyas
piezas elementales se llaman nucleótidos, y se unen entre sí con
una disposición determinada. Los nucleótidos están constituidos
por tres elementos:
bases
púricas, derivadas de la purina: adenina y guanina
bases
pirimidínicas, derivadas de la pirimidina: citosina, timina y
uracilo
Los
nucleósidos son compuestos formados por una pentosa más una base
nitrogenada. Se nombran con el nombre de la base nitrogenada más el
sufijo "osina" o "idina" (para bases púricas o
pirimidínicas, respectivamente); si además la pentosa es la
desoxirribosa, se añade el prefijo "desoxi" (ej.:
guanosina, adenosina, uridina, desoxitimidina, etc.)
La
unión de un nucleósido y moléculas de ácido fosfórico dan lugar
a la formación de nucleótidos, que pueden tener una, dos o tres de
estas moléculas:
Funciones
de ácidos nucleicos
El
ADN es el portador del mensaje genético que pasará de una célula
a sus células hijas, pero para ello primero ha de duplicarse
mediante un proceso conocido como replicación. Luego, el código
genético contenido en el ADN dará lugar a la síntesis de
proteínas, mediante dos procesos diferentes:
transcripción:
mediante el cual un fragmento de ADN es copiado en una molécula de
ARN, que contendrá exactamente el mismo código que la molécula
de ADN de la que procede.
traducción:
se sintetiza la proteína correspondiente al código de ADN; y para
ello han de intervenir los tres tipos de ARN.
La
replicación del ADN
Sabemos
que una célula se origina a partir de otra célula. Entonces, ¿de
qué manera las células hijas heredan la información genética?
Para
que una célula pueda dividirse, es necesario que previamente
duplique su material genético. ¿Te das cuenta? La finalidad de la
autoduplicación o replicación del ADN es mantener constante la
información que se traspasa a cada célula hija, y producir una
copia idéntica para cada una.
En
las células que se dividen por mitosis (células somáticas), la
replicación permite que las células hijas reciban una copia del
ADN de la célula que les dio origen y, por lo tanto, que tengan las
mismas características. En las células que se dividen por meiosis
(células sexuales: óvulos y espermatozoides), la duplicación,
seguida por dos divisores celulares consecutivas, permite que la
mitad del ADN llegue a los gametos. Así cuando los gametos se unen
en la fecundación, las características se transmiten a la
descendencia.
Para
que la replicación ocurra, la célula necesita las moléculas que
constituyen los diferentes nucleótidos y una serie de enzimas que
controlan el proceso en todo momento. Así es como se realiza:
1.-
La replicación comienza con la rotura de los enlaces que unen las
bases nitrogenadas complementarias de ambas cadenas. De esta forma,
las dos hebras comienzan a desenrollarse. En este proceso
intervienen enzimas que permiten la separación.
2.-
Cada cadena va a servir de molde para la síntesis de una nueva
cadena complementaria. Cuando ambas se separan, enzimas específicas
van leyendo la información y uniendo los nucleótidos
complementarios.
3.-
De esta manera quedan formadas dos nuevas cadenas dobles. Ahora,
cada una de las nuevas cadenas de doble hélice contiene una de las
hebras del ADN de origen y otra nueva, por eso se dice que la
replicación essemiconservativa.
El
tiempo que tarda el ADN en replicarse es de alrededor de siete
horas. En realidad, semejante proceso tendría que durar mucho más
si la duplicación se realizara de una punta a la otra de cada
cromosoma. Sin embargo, esto no ocurre. La célula utiliza
“estrategias” mediante las cuales el material genético se
duplica en períodos más cortos. La replicación del ADN ocurre en
varios puntos a la vez, en distintos tramos de la molécula.
A.-
Las enzimas separan las dos hebras de la cadena helicoidal de ADN en
puntos específicos. Las enzimas ADN helicasa desenrollan cada hebra
de ADN.
B.-
La enzima ADN polimerasa lee cada hebra y fabrica
una nueva uniendo los nucleótidos complementarios. La lectura de la
cadena molde avanza hacia un lado en una hebra y hacia el otro, en
la otra.
C.-
Finalmente, se obtienen dos cadenas nuevas de ADN, una por cada
hebra del ADN original.
Sabemos
que el ADN es un banco de información que se conserva y se
transmite de generación en generación. Ahora bien, en cada célula
esa información es leída e interpretada para la fabricación o
síntesis de proteínas específicas. Por eso decimos que las
proteínas son productos de la expresión del ADN.
¿Cómo
es entonces que se sintetizan las proteínas? ¿Cómo se unen los
aminoácidos en el orden y número específico para cada proteína?
Cuando
los científicos comenzaron la búsqueda del mecanismo que
permitiera la expresión del ADN, descubrieron otra biomolécula muy
parecida, el ARN (ácido ribonucleico). Este ARN se fabrica en el
núcleo y, como veremos, es una copia de una pequeña parte del ADN.
El
proceso de síntesis de proteínas es similar en
todas las células y puede resumirse en dos fases:
Transcripción:
consiste en copiar la información genética contenida en el ADN a
una molécula de ARNm (mensajero).
(1)
La doble hélice de ADN se abre y una de sus cadenas constituye el
molde para sintetizar una molécula de ARNm. (2)
Los nucleótidos libres de ARN que están en el núcleo se aparean
con las bases expuestas del ADN siguiendo las reglas de
complementariedad de bases: la base complementaria de la adenina (A)
es el uracilo (U), en lugar de la timina (T), y se forma una
molécula de ARNm. (3)
El ARNm sale hacia el citoplasma y se dirige a los ribosomas.
Traducción:
consiste en traducir el mensaje del ARNm al lenguaje de las
proteínas. Es como copiar primero un texto en el núcleo y luego
traducirlo a otro idioma en el citoplasma. ¿Y el traductor? Se
trata de otra molécula de ARN llamada “de transferencia”,
el ARNt, capaz de “leer” la
información en forma detripletes de bases del
ARNm (es decir, cada tres bases) y de identificar el aminoácido al
que equivale. Su capacidad de traducir se debe a la estructura de la
molécula: uno de sus extremos reconoce y se une a un solo tipo de
aminoácido y el otro está formado por tres bases complementarias
con el ARNm. (4)
Los ARNt “cargan” los aminoácidos y los transportan hasta el
lugar correspondiente en el ARNm que está pegado al ribosoma. (5)
Las tres bases del ARNt se acoplan con el triplete del ARNm que
corresponde al aminoácido transportado y lo ubica en esa posición.
El siguiente aminoácido encaja de la misma manera y se une al
anterior. (6) Los
aminoácidos se van ubicando uno a uno. (7)
Los ARNt se separan de su aminoácido y quedan libres en el
citoplasma. El proceso continúa hasta que hayan sido ensamblados
todos los aminoácidos que forman la proteína.
Los
genes y el genoma
Un gen es un fragmento del ADN, una
¨unidad funcional de información¨ que contiene el material
genético proveniente de nuestros antecesores.
El conjunto de
todos los genes y la secuencia de nucleótidos que forman los
cromosomas de una célula constituyen el genoma. En los organismos
procariontes, el genoma está formado por un solo cromosoma
circular. Algunas bacterias, además, poseen plásmidos, que son
moléculas de ADN circulares que se replican en forma independiente
del cromosoma bacteriano.
Hay
aproximadamente 30.000 genes en cada célula del
cuerpo humano
En
los organismos eucariontes, la mayor parte del genoma constituye la
cromatina, localizada en el núcleo de la célula. Pero ¿sabías
que otra parte del ADN se encuentra en los cloroplastos y en las
mitocondrias?
En
el genoma nuclear, alrededor del 30% son genes que se encuentran
separados por regiones intergéneticas en las que el ADN no tiene
una función conocida. Se calcula que solo el 5% de nuestro genoma
tiene información para codificar proteínas.
El
ADN que está en la matriz de las mitocondrias constituye el genoma
mitocondrial. Representa el 1% del genoma total y no presenta
regiones inactivas, como tiene el genoma nuclear. Se transmite solo
por vía materna, ya que, en la gestación, es el óvulo el que
aporta las mitocondrias al cigoto.
El
ADN mitocondrial se utiliza en la actualidad para obtener pruebas de
identidad de la vía hereditaria materna. Por ejemplo para averiguar
el parentesco con personas fallecidas, en caso de no contar con ADN
nuclear.
El
código genético universal
El
código genético es el lenguaje de los genes. Las bases
nitrogenadas que forman las moléculas de ADN y ARN son como letras
con las cuales se escriben instrucciones para que las células
sinteticen proteínas.
Cada
uno de los tripletes del ARNm se llama codón y, como vimos, se
¨traducen¨ al lenguaje de las proteínas siguiendo un código.
Cada molécula de ARNt porta en uno de sus extremos un aminoácido
concreto; además, tiene un triplete de nucleótidos, llamado
anticodón, complementario de un codón determinado del ARNm. De
esta manera, si el codón del ARNm es UGG, el anticodón
complementario del ARNt será ACC, y el aminoácido que portará el
triptófano (Trp). Así, los ARNt van añadiendo aminoácidos a la
cadena polipeptídica en formación, según el orden de los codones
del ARNm.
El
código genético es universal, esto significa que es el mismo para
todos los seres vivos. Así, por ejemplo, el codón GCC codifica
para el aminoácido alanina en cualquier organismo.
Tenemos
que aclarar que se han descubierto unas pocas excepciones a esta
universalidad; al ser mínimas, se sostiene un origen único para
todos los seres vivos.
Alteraciones
de la información genética: mutaciones
Cuando
se expresa un gen, se forma una clase de proteína con alguna
estructura y función particular.
Aunque
el mecanismo de copia es muy eficaz, durante la replicación pueden
ocurrir errores de lectura y coloración de bases. Si el gen no se
manifiesta correctamente, puede llevar a diferencias en la secuencia
de aminoácidos que forman la proteína en cuestión y la síntesis
puede fracasar. Por ejemplo, la anemia del Mediterráneo o talasemia
es una enfermedad hereditaria que afecta la síntesis de la
hemoglobina y, como consecuencia, falla el transporte de oxígeno a
las células. Recordemos que la estructura de esta proteína esta
formada por cuatro cadenas polipeptídicas y un grupo hemo. En esta
enfermedad, por mutaciones genéticas, se alteran las cadenas de la
proteína globina porque respondieron a una codificación genética
equivocada. La estructura normal de la hemoglobina es una sola.
Cuando existe un desequilibrio en la síntesis de una de sus
cadenas, se produce la talasemia alfa o beta, según que cadena esté
alterada.
Entonces,
una mutación se define como un cambio casual en la
secuencia de ADN, que puede producir un cambio en la proteína para
la cual el gen codifica.
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Un
ejemplo de mutación genética : el leucistisme del león blanco
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Las
mutaciones pueden ocurrir durante la replicación del ADN cuando,
por error, un nucleótido se cambia por otro, o se agregan o se
pierden nucleótidos de la secuencia.
Quizá
la modificación de un nucleótido por otro no parecería ser tan
problemática. En definitiva, es una pequeña parte del ADN. lo
cierto es que, a veces, estos cambios pasan inadvertidos, dado que
no todos los nucleótidos de la inmensa cantidad que contiene el ADN
forman parte de un gen y, por lo tanto, sus alteraciones no traen
consecuencias. Por otro lado, a veces los cambios de un nucleótido
suelen terminar en el mismo aminoácido, ya que varios tripletes
codifican para el mismo aminoácido. A estas mutaciones se las llama
silenciosas.
También
existen enzimas de reparación que se encargan de
detectar los nucleótidos incorrectamente apareados, los retiran y
los reemplazan por los correctos. De esta manera, la cantidad de
mutaciones es muy baja.
