facultad de ciencias de la salud departamento académico de

Mblgo. Luis Alberto Sánchez Angulo / Mblgo. José Luis Gutierrez Aponte
Biología Celular y Molecular
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA Y FARMACIA
SECCIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
ASIGNATURA
BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR
CONTENIDO:
• CAPITULO UNO
: “LAS BASES BIOLÓGICAS Y QUÍMICAS DE LOS SERES VIVOS”
o La biología y los seres vivos
o Componentes químicos de la materia viviente
• CAPITULO DOS
: “ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA CELULAR”
o Biología celular: Citología y teoría celular
o Estructura celular: Membrana celular citoplasma y núcleo
o Fisiología celular: Respiración celular
• CAPITULO TRES
: “EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA”
o Reproducción celular: Ciclo celular, mitosis y meiosis
o Flujo de la información genética: Replicación, transcripción y traducción
o El código genético y la regulación genética
• CAPITULO CUATRO : “GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA”
o Genética: Conceptos básicos y genética mendeliana
o Genética póstmendeliana. Citogenética general y humana
o Biotecnología e ingeniería genética
COMPILADORES:
MG. BLGO. MBLGO. LUIS ALBERTO SÁNCHEZ ANGULO
BLGO. MBLGO. JOSE LUIS GUTIERREZ APONT
Universidad Los Ángeles de Chimbote - ULADECH
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Biología Celular y Molecular
EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
CICLO CELULAR MITOSIS Y MEIOSIS
La capacidad de reproducirse es una propiedad fundamental de la célula. Se puede tener una
idea de la magnitud de la reproducción celular si se considera que un individuo adulto está
formado por billones de células (1013 células), todas derivadas de una sola, el cigoto. La
multiplicación celular sigue siendo notable aun en un ser adulto que ha dejado de crecer. Un
ejemplo llamativo lo dan los eritrocitos, cuya vida media es de 120 días. Así, el organismo debe
producir unos 2,5 millones de eritrocitos por segundo para mantener su número relativamente
constante. Esta reproducción celular debe ser regulada de manera perfecta para que la
formación de nuevas células compense las pérdidas y se mantenga el equilibrio.
El ciclo celular
Se considera como una compleja serie de fenómenos del crecimiento y división celular, que
culminan cuando el material celular se distribuye en las células hijas. Las células pasan por
este ciclo que comprende dos períodos fundamentales: la interfase y la división celular. Esta
última tiene lugar por mitosis o por meiosis.
Durante mucho tiempo se creyó que el período de “división” constituyó el punto de interés
primordial, debido a que las “interfase” era considerada como una etapa de reposo, a pesar de
ser el período de mayor actividad biosintética del ciclo celular (tanto en el núcleo como en el
citoplasma). La mayor parte de las células pasa la parte más extensa de su vida en “interfase”,
durante la cual duplican su tamaño y el contenido cromosómico.
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La división celular es sólo la fase final y microscópicamente visible de cambios previos
ocurridos a nivel molecular. Así, antes que la célula se divida por mitosis, sus principales
componentes ya se han duplicado. Por tal motivo la “división celular” se puede considerar como
la separación final de las unidades moleculares y estructurales previamente duplicadas.
El “CICLO CELULAR” se divide en cuatro períodos sucesivos: G1, S, G2 y M (mitosis). G2 es el
tiempo que transcurre entre el final de la síntesis de ADN y el comienzo de la mitosis. Se llegó
a demostrar que la síntesis del ADN tiene lugar solamente en un tramo limitado de la interfase,
denominado “periodo S” o sintético o de replicación o duplicación, que es precedido por el
período G1 y seguido del periodo G2 (“gap” = intervalo). Durante G2 la célula contiene el doble
(4n) de la cantidad de ADN presente en la célula diploide original (2n).
Cambios en el contenido de ADN durante las distintas fases Del ciclo de
vida de una célula. 2n contenido diploide de ADN. 4N, contenidpo
tetraploide de ADN.
La duración del ciclo celular varía mucho de un tipo celular a otro, pero término promedio la
vida generacional es de 16 horas, la fase G1 dura 5 horas; la fase S, 7 horas; la fase G2, 3
horas, y la M, 1 hora. Los períodos S, G2 y M son relativamente constantes en la mayoría de
los tipos celulares. El más variable es el período G1, que puede durar días, meses o años. Las
células que no se dividen (como las nerviosos o las del músculo esquelético) se hallan en el
período G1, que en estos casos se denomina G0 por que las células se retiran del ciclo celular.
El ciclo celular con la duración de cada una de sus fases,
en una célula que se divide cada 16 horas.
Etapas del ciclo celular: Interfase y división celular (fase M)
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En la fase G1, las moléculas y estructuras citoplasmáticas aumentan en número; en la fase S,
los “cromosomas” se duplican; y en la fase G2, comienza la condensación de los cromosomas
y el ensamblado de las estructuras especiales requeridas para la mitosis y la citocinesis.
Durante la mitosis, los cromosomas duplicados son distribuidos entre los dos núcleo s hijos, y
en la citocinesis, el citoplasma se divide, separando a la célula materna en dos células hijas.
El “CICLO CELULAR” está finamente regulado. Esta regulación ocurre en distintos momentos y
puede involucrar la interacción de diversos factores, entre ellos, la falta de nutrientes y los
cambios en temperatura o en pH, pueden hacer que las células detengan su crecimiento y su
división. En los organismos multicelulares, además, el contacto con otras células contiguas
puede tener el mismo efecto.
En cierto momento del ciclo celular, la célula “decide” si va a dividirse o no. Cuando las células
normales cesan su crecimiento por diversos factores, se detienen en un punto tardío de la
FASE G1, (el punto R (“restricción”), primer punto de control del ciclo celular). En
algunos casos, antes de alcanzar el punto R, las células pasan de la fase G1 a un estado
especial de reposo, llamado G0, en el cual pueden permanecer durante días, semanas o años.
Una vez que las células sobrepasan el punto R, siguen necesariamente a través del resto de
las fases del ciclo, y luego se dividen. La FASE G1 se completa rápidamente y, en la FASE S,
comienza la síntesis de ADN y de histonas. Existe otro mecanismo de control durante el
proceso mismo de duplicación del material genético, en la FASE S, que asegura que la
duplicación ocurra sólo una vez por ciclo. Luego, la célula entra en la fase G2 del ciclo. En G2,
existe un segmento punto de control en el cual la célula “evalúa” si está preparada para
entrar en mitosis. Este control actúa como un mecanismo de seguridad que garantiza que
solamente entren en mitosis aquellas células que hayan completado la duplicación de su
material genético. El pasaje de la célula a través del punto R depende de la integración del
conjunto de señales externas e internas que recibe. El sistema de control del ciclo celular está
basado en dos proteínas clave, las ciclinas y las proteínas quinasas dependientes de ciclinas
(Cdk), que responden a esta integración de señales.
Regulación del ciclo celular
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El número de veces que una célula se ha dividido anteriormente también influye en la división
celular. Cuando mayor edad tiene el organismo de donde se toman las células, menor será el
número de veces que las células se dividan en cultivo. A este fenómeno se lo denomina
senescencia o envejecimiento celular. Esta restricción en el número de divisiones se
correlaciona con el acortamiento progresivo de los extremos (los telómeros), a lo largo de los
sucesivos ciclos celulares. Esto no ocurre en ciertos tipos celulares, como en las células
germinales o en algunas células de la sangre. En estas células, se encuentra activa una
enzima llamada telomerasa que agrega continuamente ADN a los extremos de los
cromosomas, evitando su acortamiento. Esta enzima también se encuentra activa en células
cancerosas.
celular completo.
Durante la FASE S ((de síntesis) se duplica el
material cromosómico. Entre la división celular y
la FASE S hay dos fases G (del inglés “gap” =
intervalo). La primera de ellas (G!) es un
período de crecimiento general y duplicación de
las organelas citoplasmáticas. Durante la
segunda (G”), comienza a ensamblarse las
estructuras directamente asociadas con la
mitosis y la citocinésis. Después de la FASE G2
ocurre la mitosis, que usualmente es seguida
de inmediato por la citocinésis. En las células
de diferentes especies o de diferentes tejidos
dentro del mismo organismo, las diferentes
fases ocupan distintas proporciones del ciclo
IMPORTANCIA
La continuidad morfológica y estructural del
ser vivo se garantiza mediante la reproducción
celular. En los organismos unicelulares el
incremento del número celular se relaciona
con los procesos de reproducción de cada
organismo, por lo tanto forma parte del ciclo
vital de cada especie. Esto es posible
observar en los procariotas (bacterias y
cianofitas), protozoarios, algas unicelulares y
levaduras. En los organismos pluricelulares, la
reproducción de las células está implicada en el crecimiento corporal, la regeneración de los
tejidos y la reproducción sexual.
INTERFASE “NO DIVISIÓN CELULAR”
Comprende los eventos del crecimiento y maduración de las células y su preparación para la
división celular. Se divide en tres etapas denominadas periodos: G1, S y G2.
o La célula esta ocupada en la actividad metabólica preparándose para la mitosis.
o Los cromosomas no se disciernen claramente en el núcleo, aunque una mancha oscura
llamada nucleolo, puede ser visible.
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o Es el período comprendido entre divisiones celulares. Es la fase más larga del ciclo
celular, ocupando casi el 95% del ciclo, trascurre entre dos mitosis y comprende tres
etapas: Fase G1, S y G2.
1. Fase G1 (del inglés Growth 1):
o Es la primera fase del ciclo celular en el que existe crecimiento celular con síntesis de
los componentes citoplasmáticos en todos los niveles; siendo los más importantes la
síntesis de proteínas estructurales “citoesqueléticas”, enzimas y reguladores
fisiológicos. Paralelamente se fabrican gran cantidad de lípidos, polisacáridos y
complejos moleculares y también ARN).
o Se incrementan los organelos, como consecuencia aumenta considerablemente el
volumen celular llegando en algunos casos a duplicarse el tamaño inicial de las células.
o Tiene una duración de entre 6 y 12 horas y durante este tiempo, la célula dobla su
tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes como resultado
de la expresión de los genes que codifican las proteínas responsables de su fenotipo
particular.
o Diferenciación celular (Go): se denomina así a la transformación que sufren las
células cuando se encuentran en interfase, entrando en procesos de maduración. Las
células diferenciadas pierden al menos temporalmente la capacidad de división,
adquiriendo las características de células adultas propias de cada individuo. Son
diferenciadas las células que constituyen los órganos y tejidos adultos de los vegetales
y animales; tales como eritrocitos, leucocitos y neuronas. Incluso las células formadoras
de gametos se encuentran parcialmente diferenciadas y orientadas para realizar una
división especial: la meiosis. La diferenciación es estimulada por factores hormonales y
las condiciones del medio.
2. Fase S (del inglés Synthesis):
o Es la segunda fase del ciclo, la más importante dentro del ciclo celular, en la que se
produce la duplicación (replicación o síntesis) del ADN, como resultado cada
cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la
duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que
al principio; por lo cual el volumen nuclear se hace considerablemente más grande.
Tiene una duración de unos 6 a 8 horas.
3. Fase G2 (del inglés Growth 2):
o Es la tercera fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la síntesis de
proteínas y ARN.
o Comprende desde el final de la duplicación de la cromatina hasta el inicio de la división
celular, esencialmente es un periodo de reordenamiento celular y control del material
citoplasmático; aunque la síntesis de proteínas y otras moléculas no se detiene durante
la interfase, la transcripción (síntesis de ARN) y traducción (síntesis de proteínas) se
reduce durante el periodo S y se reactivan con mayor intensidad en el periodo G2.
o Al final de este período se observa al microscopio cambios en la estructura celular, que
indican el principio de la división celular. Tiene una duración entre 3 y 4 horas. Termina
cuando los cromosomas empiezan a condensarse al inicio de la mitosis.
FASE M “DIVISIÓN CELULAR”
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En el ciclo celular el proceso de división es importante porque permite la repartición de los
materiales celulares en las células resultantes, el origen de nuevas células hace posible la
perpetuación de los organismos unicelulares y pluricelulares.
En la división celular típica primero se realiza la división del núcleo (cariocinesis) y después la
división del citoplasma (citocinesis), originando células hijas; la división del núcleo es paulatina
e incluye fases, por ello se dice que es indirecta. Esta división indirecta es realizada por
organismos eucariotas (animales y plantas, hongos, algas y protozoarios).
Existen dos tipos básicos de división indirecta: la mitosis (en células somáticas) y la meiosis,
ésta última es propia de células parcialmente diferenciadas y permite la formación de gametos.
Por lo tanto, la división celular, es aquella en la que una célula progenitora (células eucariotas,
células somáticas: células comunes del cuerpo) se divide en dos células hijas idénticas. Esta
fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la
citocinesis, que se inicia ya en la telofase mitótica. Si el ciclo completo durara 24 horas, la fase
M duraría alrededor de media hora (30 minutos).
LA CARIOCINESIS “DIVISIÓN DEL NÚCLEO”
La cariocinesis (del griego cario = núcleo y cinesis = división) es la división del núcleo celular.
Es el proceso por el cual el material genético de una célula madre se distribuye de manera
idéntica entre dos células hijas. La mitosis (en células somáticas) y la meiosis.
MITOSIS
La mitosis (del griego mitos, hebra) es un proceso de reparto equitativo del material hereditario
(ADN) característico de las células eucarióticas. Normalmente concluye con la formación de
dos núcleos separados (cariocinesis) seguido de la partición del citoplasma (citocinesis), para
formar dos células hijas. Una célula con núcleo diploide (2n) se divide originando dos células
hijas diplodes (2n, cada célula). La mitosis completa, que produce células genéticamente
idénticas, es el fundamento del crecimiento, de la reparación tisular y de la reproducción
asexual. La meiosis, un proceso que comparte mecanismos con la mitosis pero que no debe
confundirse con ella, produce células genéticamente distintas y, combinada con la fecundación,
es el fundamento de la reproducción sexual.
Las etapas de la mitosis
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Importancia
Permite en los protistas y hongos unicelulares el aumento de la población; mientras que en los
pluricelulares se relaciona al crecimiento, a la reparación de tejidos y al desarrollo embrionario.
La alteración de la mitosis, en la que se da una división descontrolada, se denomina cáncer.
Con fines didácticos y de investigación los biólogos celulares han dividido a la cariocinesis
mitótica en cuatro fases consecutivas: profase, metafase, anafase y telofase. En algunos libros
se considera una quinta fase la prometafase, pero nosotros la consideraremos dentro de la
profase.
1. Profase
o La cromatina en el núcleo comienza a
condensarse y se vuelve visible en el
microscopio óptico como cromosomas.
o El nucleolo desaparece. Los centríolos
comienzan a moverse a polos opuestos
de la célula y las fibras se extienden
desde los centrómeros. Algunas fibras
cruzan la célula para formar el huso
mitótico.
o La membrana nuclear se disuelve, marcando el comienzo de la prometafase
(considerada dentro de la profase). Las proteínas de adhieren a los centrómeros
creando los cinetócoros (placas proteicas localizadas en ambos lados del centrómero).
Los microtubulos se adhieren a los cinetócoros y los cromosomas comienzan a
moverse.
2. Metafase
o Fibras del huso alinean los
cromosomas a lo largo del medio
del núcleo celular. Esta línea es
referida como, la placa ecuatorial o
metafásica. Esta organización
ayuda a asegurar que en la próxima
fase, cuando los cromosomas se
separan, cada nuevo núcleo
recibirá una copia de cada
cromosoma.
3. Anafase:
o Los pares de cromosomas se
separan en los cinetócoros y se
mueven a lados opuestos de la
célula.
o El movimiento es el resultado de
una
combinación
de:
el
movimiento del cinetocoro a lo
largo de los microtubulos del
huso y la interacción física de los
microtubulos polares.
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4. Telofase:
o Los cromatidos llegan a los polos opuestos de la célula, y nuevas membranas se
forman alrededor de los núcleos hijos. Los cromosomas se dispersan y ya no son
visibles bajo el microscopio óptico.
o Las fibras del huso se dispersan, y la citocinesis o la partición de la célula puede
comenzar también durante esta etapa.
CITOCINESIS:
Etapa culminante de la división celular que garantiza la distribución del citoplasma en células
hijas. El proceso de división del volumen citoplasmático se inicia en la anafase y es perceptible
durante la telofase, se lleva a cabo por mecanismos distintos en animales y vegetales.
o En células animales, la citocinesis ocurre cuando un anillo fibroso compuesto de una
proteína llamada actina, alrededor del centro de la célula se contrae pellizcando la
célula en dos células hijas, cada una con su núcleo.
o En células vegetales, la pared rígida requiere que una placa celular sea sintetizada
entre las dos células hijas.
Durante la mitosis se mantiene una constante cantidad de material genético de generación en
generación celular. Consideremos una célula hipotética diploide (2n) con un cromosoma.
Consideremos también que la célula es Aa; esto es, es heterocigótica para un par de alelos con
A que viene de un padre y con a que viene del otro. En la figura de abajo, note como empieza y
termina con células que tienen el mismo genotipo.
Las etapas del proceso mitótico en donde se nota que las dos células que se
originan tienen la misma carga cormosómica que la célula original.
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El proceso mitótico originan dos nuevas células idénticas a la que les dio
origen, además el proceso se lleva a cabo en células somáticas y la carga
cromosómica permanece constante.
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Interfase – Mitosis – Citocinesis
EL CÁNCER
En medicina, el término cáncer (palabra derivada del latín cancrus = cangrejo) o carcinoma (del
griego karkinos = cangrejo y ma = cuerpo) es usado para identificar una afección clínica de
carácter maligno que afecta a un paciente, y cuyas características son la alteración morfológica
y funcional seguida de la proliferación descontrolada (no siempre acelerada) de las células de
un tejido que invaden, desplazan y destruyen, localmente y a distancia, otros tejidos sanos del
organismo. En otras palabras, cáncer es la palabra que se emplea para definir un grupo de
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enfermedades con un denominador común: la transformación de la célula normal en otra que
se comporta de manera muy peligrosa para el cuerpo humano. También suele ser utilizada la
palabra neoplasia pero esta palabra, como la palabra tumor, puede significar a afecciones
benignas.
A partir de la concepción celular de Virchow ("toda célula proviene de otra célula") se entiende
que el cáncer es una patología celular. El cáncer es un proceso lógico y coordinado en el que
una célula (o un grupo de ellas) sufre cambios y adquiere capacidades especiales diferentes de
las células normales. De esta forma, las células cancerosas no están sujetas a las restricciones
usuales (normales) concernientes a la proliferación celular, impuestas por la biología tisular y
corporal.
Los efectos del cáncer (enfermedad cancerosa) conforman un conjunto de signos y síntomas
de pronóstico y tratamiento diferentes, que depende de la localización anatómica en la que se
encuentre y del tipo celular o histológico del que proceda.
Cuando las células normales se lesionan o envejecen, mueren por apoptosis, pero las células
cancerosas evitan la apoptosis.
DEFINICIONES SEMEJANTES AL CÁNCER:
o NEOPLASIA: El término neoplasia significa literalmente "tejido formado de nuevo".
"Neoplasia" se aplica generalmente a los tumores malignos (proliferaciones de células con
comportamiento maligno), ya que cuando se aplica a los tumores benignos suele
especificarse el calificativo: "neoplasia benigna". Puede emplearse de manera genérica,
donde significará "cualquier clase de tumor" (siempre en el sentido de proliferación celular)
e incluso es correcto referirse a una neoplasia benigna empleando simplemente el término
"neoplasia".
Cualquier proliferación de células, con el tiempo tiende a aumentar su volumen, a ocupar
un espacio y a generar un abultamiento en una estructura del cuerpo. Este abultamiento
puede ser benigno o maligno; eso depende de la naturaleza y comportamiento de las
células proliferantes; tales características sólo pueden ser definidas por un estudio
histopatológico adecuado (en general, una biopsia). Las enfermedades o lesiones que
tienen el sufijo -oma indican neoplasia, como por ejemplo adenoma, osteosarcoma,
leiomioma, lipoma, melanoma, etc. Existen, por tanto, dos tipos de neoplasias, que son las
benignas o tumores benignos y las malignas o cáncer.
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o TUMOR: Inicialmente, este término se aplicó a la tumefacción, hinchazón, "bulto" o
aumento de tamaño de un órgano o tejido con la inflamación. Con el transcurso del tiempo
se olvidó el sentido no neoplásico de tumor y en la actualidad el término tumor es el
equivalente o sinónimo de neoplasia; al igual que ellas, también hay tumores benignos y
tumores malignos.
o CÁNCER: Esta palabra deriva del latín, y como la derivada del griego carcinoma, significa
'cangrejo'. Se dice que las formas corrientes de cáncer avanzado adoptan una forma
abigarrada, con ramificaciones, que se adhiere a todo lo que agarra, con la obstinación y
forma similar a la de un cangrejo marino, y de ahí deriva su nombre. Se considera a veces
sinónimo de los términos 'neoplasia' y 'tumor'; sin embargo, el cáncer siempre es una
neoplasia o tumor maligno.
o ONCOLOGÍA: Del griego "onkos", tumor, es la parte de la medicina que estudia los tumores
o neoplasias, sobre todo malignos (cáncer).
NOMENCLATURA DEL CÁNCER
Todos los tumores, benignos y malignos, tienen dos componentes básicos en su estructura:
1. Las células neoplásicas proliferantes que constituyen el parénquima.
2. Su estroma de sostén, constituido por tejido conectivo y vasos sanguíneos.
La nomenclatura oncológica se basa en el componente parenquimatoso. Según el
comportamiento de los tumores:
1. TUMORES BENIGNOS: Su nombre acaba en el sufijo -oma; simplemente, y según el
origen del tejido del que procedan los tumores benignos, pueden ser: fibroma (tejido
conjuntivo fibroso), mixoma (tejido conjuntivo laxo), lipoma (tejido adiposo), condroma
(tejido cartilaginoso), osteoma (tejido óseo), hemangioma o angioma (tejido vascular),
linfangioma (tejido linfático), meningioma (meninges), tumor glómico (tejido nervioso de
sostén), leiomioma (tejido muscular liso), rabdomioma (tejido muscular estriado),
papiloma (tejido epitelial formando papilas), adenoma (tejido glandular), teratoma
(células totipotenciales), nevus (melanocitos). Algunos de los tumores benignos
derivados de tejido epitelial terminan con el sufijo "adenoma", si bien tenemos que tener
en cuenta que existen múltiples excepciones a las normas de nomenclatura tumoral.
Por ejemplo: El cáncer benigno de melanocitos se denomina Nevus, y su forma
maligna, Melanoma.
2. TUMORES MALIGNOS O CÁNCER: Los cánceres que derivan de los tejidos
mensenquimatosos o mesodermo se denominan sarcomas (del griego sarcos,
"carnoso"); por ejemplo: fibrosarcoma, mixosarcoma, liposarcoma, condrosarcoma,
osteosarcoma, angiosarcoma, lifangiosarcoma, sinoviosarcoma, mesotelioma (cavidad
pleural, pericárdica o abdominal), leiomiosarcoma, rabdomiosarcoma.
Las neoplasias malignas de origen epitelial, derivadas de cualquiera de las tres capas
germinales del embrión, se denominan carcinomas; por ejemplo: carcinoma
epidermoide
o
escamoso,
carcinoma
basocelular,
adenocarcinoma,
cistoadenocarcinoma, coriocarcinoma.
Los tumores que proceden del tejido nervioso son los gliomas (realmente no se trata de
un tumor derivado de células nerviosas, sino de uno de los tipos celulares encargados
de su sostén, las células gliales, el tejido "conectivo" del cerebro, por así decir).
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Los cánceres hematológicos son los linfomas y las leucemias, siempre malignos
(derivados del tejido linfoide y el mieloide respectivamente).
Los tumores malignos que no cumplen las reglas anteriores y acaban en -oma, son: el
melanoma, el hepatoma, el seminoma. Es el crecimiento descontrolado de las células
en el cuerpo.
MEIOSIS
DEFINICIÓN
La meiosis es un mecanismo de división celular que permite la obtención a partir de células
diploides (2n) de células haploides (n) con diferentes combinaciones de genes.
OBJETIVOS DE LA MEIOSIS
La meiosis no es un tipo de división celular diferente de la mitosis o una alternativa a ésta. La
meiosis tiene objetivos diferentes. Uno de estos objetivos es la reducción del número de
cromosomas. Otro de sus objetivos es el de establecer reestructuraciones en los cromosomas
homólogos mediante intercambios de material genético. Por lo tanto, la meiosis no es una
simple división celular. La meiosis está directamente relacionada con la sexualidad y tiene,
como veremos más adelante, un profundo sentido para la supervivencia y evolución de las
especies.
IMPORTANCIA
La meiosis permite el aumento de la variabilidad en los organismos, por ejemplo en el caso de
los animales permite la formación de células haploides y variables, que luego maduran para
originar gametos.
En conclusión, la meiosis es la base de la reproducción sexual, y con ello tiene trascendencia
en el proceso de evolución biológica de la mayoría de seres eucariontes (con núcleo celular).
La meiosis incluye dos divisiones sucesivas de una célula eucariótica diploide (2n), de
organismos de reproducción sexual, dando como resultado cuatro células haploides (n) hijas,
cada una con la mitad del material de la célula original, llevándose a cabo el entrecruzamiento
(que producirá variación genética).
Primera división meiótica (meiosis I) y segunda división meiótica (meiosis II)
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La meiosis ocurre en las células diploides. Los cromosomas se duplican y a través de
sucesivas divisiones, se producen cuatro células haploides, cada una de las cuales tiene la
mitad del número de cromosomas que las células "padre". La meiosis se lleva a cabo
solamente en organismos con reproducción sexual. Dependiendo del organismo, se pueden
producir gametos haploides (n), que se fusionan para producir cigotos diploides; también pude
producir esporas haploides, las que por división mitótica de las células, pueden producir
organismos unicelulares o pluricelulares. En animales, donde las células somáticas (las del
cuerpo) son diploides (2n), los productos de la meiosis son los gametos. En muchos hongos y
algunas algas, la meiosis se efectúa inmediatamente después de que dos células haploides se
fusionan y la mitosis produce un organismo multicelular (ejemplo: los hongos filamentosos,
algas) u organismos haploides unicelulares (ejemplo: levaduras y algas unicelulares).
Las plantas y algunas algas tienen etapas multicelulares haploides y diploides. La etapa
multicelular es el esporofito. La meiosis en el esporofito produce esporas haploides. Esas
esporas son capaces de generar una etapa multicelular haploide llamada gametofito. El
gametofito produce gametos por ciclos celulares mitóticos.
La meiosis consiste en dos divisiones nucleares sucesivas, la meiosis I (reduccional) y la
meiosis II (ecuacional). Cada división tiene las siguientes etapas: profase, metafase, anafase y
telofase.
Primera división meiótica (meiosis I) y segunda división meiótica (meiosis II)
INTERFASE PREMEIÓTICA
Antes de iniciarse la meiosis, todos los cromosomas se duplican en un proceso similar a la
duplicación de cromosomas al inicio de la mitosis. Fuera del núcleo de las células animales,
hay dos centrosomas, cada uno conteniendo un par de centriolos. Los dos centrosomas son
producidos por la duplicación de un centrosoma durante la interfase premeiótica. Los
centrosomas funcionan como centros de organización de microtúbulos. Los microtúbulos se
extienden radialmente de los centrosomas formando un áster.
Las células de las plantas no tienen centrosomas. Diferentes clases de centros de organización
de microtúbulos, funcionan como sitios de formación de los husos.
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Los cromosomas se duplican antes de la meiosis.
MEIOSIS I (DIVISIÓN REDUCCIONAL)
PROFASE I
Los cromosomas se hacen visibles, se lleva a cabo el entrecruzamiento, el nucléolo
desaparece, se forma el huso meiótico y la membrana nuclear desaparece.
Al inicio de la profase I, los cromosomas se han duplicado. Durante la profase I, se hacen más
pequeños, cortos, y enrollados y son visibles al microscopio. Los cromosomas homólogos
duplicados se aparean y el entrecruzamiento (el intercambio de partes de cromosomas) se
lleva a cabo. El entrecruzamiento es un proceso fundamental para la recombinación genética.
Cada par de cromosomas homólogos es visible como una tétrada, que es un agrupamiento de
dos cromosomas. Lo sitios de entrecruzamiento es donde se juntan cromátidas de diferentes
cromosomas y el lugar de cruce se conoce como quiasma.
El nucléolo desaparece durante la profase I. En el citoplasma, el huso meiótico, consistente de
microtúbulos y otras proteínas, se forma entre los dos pares de centriolos, cuando estos migran
a los polos opuestos de la célula. La membrana nuclear desaparece y al final de la profase I
permite al huso entrar al núcleo. La profase I es la fase más larga de la meiosis, ocupando el
90% del tiempo de las dos divisiones.
Dada su duración y complejidad se subdivide en seis etapas: preleptonema, leptonema,
cigonema, paquinema, diplot¡nema y diacinesis.
o Preleptonema (Preleptoteno)
En esta etapa los cromosomas son muy difíciles de observar.
o Leptonema (leptoteno)
Los cromosomas aparecen como largos filamentos que de trecho en trecho presentan unos
gránulos: los cromómeros. Cada cromosoma ya está constituido por dos cromátidas, pero
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aún no se observan bien diferenciadas al microscopio óptico, y se encuentran unidos en
diversos puntos a la envoltura nuclear.
o Cigonema (zigoteno)
En esta etapa los cromosomas homólogos se aparean punto por punto en toda su longitud.
Este apareamiento puede comenzar bien por el centro o por los extremos y continuar a
todo lo largo. Cuando los homólogos se aparean cada gen queda yuxtapuesto con su
homólogo.
o Paquinema (paquiteno)
Los pares de cromosomas homólogos aparecen íntimamente unidos: bivalentes. Se puede
ya observar que cada cromosoma tiene sus dos cromátidas. Mientras están estrechamente
unidos tienen lugar roturas entre cromátidas próximas de cromosomas homólogos que
intercambian material cromosómico. Este intercambio se llama entrecruzamiento o
sobrecruzamiento (crossing-over) y supone una redistribución cromosómica del material
genético. Aunque los sobrecruzamientos se producen en esta fase no aún visibles y se
apreciarán más tarde en forma de quiasmas.
o Diplonema (diploteno)
Los bivalentes inician su separación, aunque se mantienen unidos por los puntos donde
tuvo lugar el sobrecruzamiento, estas uniones reciben ahora el nombre de quiasmas y
permiten ver los puntos en los que hubo sobrecruzamientos. En cada par de cromosomas
homólogos pueden persistir uno o varios quiasmas, todo depende de cuántos
sobrecruzamientos hayan tenido lugar a lo largo del bivalente.
o Diacinesis
Las
cromátidas
aparecen
muy
condensadas preparándose para la
metafase I. La separación entre bivalentes
persiste y permanecen los quiasmas. Al
final de la profase la envoltura nuclear ha
desaparecido totalmente y ya se ha
formado el huso acromático.
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Meiosis i: profase i leptonema y paquinema y Meiosis II
cromosoma de cada par.
METAFASE I
Los centriolos se van a los polos opuestos de la célula.
Los pares de cromosomas homólogos, están ahora
fuertemente condensados y enrollados, se empiezan a
acomodar en un plano equidistante de los polos y se
denomina la placa de la metafase. Las fibras del huso que
van de un polo a otro de la célula se unen a un
ANAFASE I
La anafase I empieza cuando los cromosomas
de cada tétrada se separan, y empiezan a
moverse a los polos de la célula, como
resultado de la acción del huso. En la anafase I
las cromátidas permanecen unidas a sus
centrómeros y se mueven hacia los polos. Una
diferencia clave entre mitosis y meiosis, es que
las cromátidas permanecen juntas en la
metafase de la meiosis I, mientras que en la
mitosis se separan.
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TELOFASE I
Los pares de cromosomas homólogos completan su migración a los dos polos, como resultado
de la acción del huso. La membrana nuclear se vuelve a formar alrededor de cada juego de
cromosomas, el huso desaparece y la citoquinésis continúa. en las células animales, la
citoquinésis implica la formación de un surco que corta a la célula en dos células.
Después de la citoquinésis, cada una de las células hijas tiene un núcleo con cromosomas
recombinados diploides. Muchas células que tienen meiosis rápidas, no descondensan sus
cromosomas al final de la telofase I.
INTERCINESIS
Luego de la división citoplasmática, las células hijas formadas aumentan el volumen y duplican
los centriolos. A este periodo se le denomina intercinesis, porque está comprendida entre
ambas divisiones (meiosis I y meiosis II).
MEIOSIS II (DIVISIÓN ECUACIONAL)
La meiosis II empieza sin ninguna replicación de cromosomas.
PROFASE II
Mientras hay duplicación de cromosomas en la meiosis I, en la meiosis II no sucede esto. Los
centríolos se duplican.
Esto
sucede
por
separación de los dos
miembros de un par. Los
dos pares de centríolos
se separan en dos
centrosomas.
La
membrana
nuclear
desaparece y el huso se
forma.
En la profase II, la membrana nuclear desaparece y se forma el huso meiótico
METAFASE II
Cada una de las células hijas completa la formación del huso meiótico Cada cromosoma se
alinea en la placa ecuatorial de la metafase, tal como sucede en la mitosis. Por cada
cromosoma, los microtúbulos cinetocóricos de las cromátidas hermanas las jalan hacia los
polos opuestos.
Los cromosomas se acomodan en la placa ecuatorial de la metafase, parecido a como
sucede en la mitosis. Están unidos al ya completamente formado huso meiótico.
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ANAFASE II
Los centrómeros se separan, y las dos cromátidas de cada cromosoma se mueven hacia los
polos opuestos en el huso. Las cromátidas separadas, ahora pueden llamarse cromosomas por
propio derecho.
Los centrómeros se separan y las cromátidas hijas -ahora cromosomas individualesse mueven hacia los polos opuestos de la célula.
TELOFASE II
La membrana nuclear se forma alrededor de cada juego de cromosomas. La citoquinésis
(citocinesis) tiene lugar, produciendo cuatro células hijas (gametos en animales), cada una con
un juego haploíde de cromosomas. Debido al entrecruzamiento, algunos cromosomas tienen
segmentos recombinados de los cromosomas progenitores originales.
Una membrana nuclear se
forma alrededor de cada
juego de cromosomas y la
citoquinésis se lleva a
cabo, produciendo cuatro
células hijas, cada una
con un juego haploíde de
cromosomas.
Primera división meiótica (meiosis I) y segunda división meiótica (meiosis II)
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La reproducción sexual se caracteriza por dos hechos: la fecundación y la meiosis. Una
vez finalizada la meiosis, las células resultantes tienen una sola dotación cromosómica, el
número haploide de cromosomas (n). Después de la fecundación, el cigoto tiene una
dotación cromosómica doble, o sea, el número diploide (2n).
El proceso meiótico
La meiosis, un tipo especial de división nuclear. Consiste en dos divisiones nucleares
sucesivas, designadas convencionalmente meiosis I y meiosis II. Durante este proceso de
división se redistribuyen los cromosomas y se producen células que tienen un número haploide
de cromosomas (n).
Debido al fenómeno del entrecruzamiento y al de segregación al azar de los cromosomas,
durante la meiosis se recombina el material genético de los progenitores, lo que no ocurre en la
mitosis.
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Comparación de la mitosis y la meiosis. En estos ejemplos, cada célula diploide tiene seis
cromosomas (2n = 6). Las características comunes a ambos procesos están escritas sobre
fondo naranja; las características de la mitosis en rosa y las propias de la meiosis en amarillo.
MEIOSIS Y CICLO VITAL
Los gametos (óvulos y espermatozoides) son producidos por meiosis. En la fecundación, los
gametos haploides se fusionan, restableciéndose, en el cigoto, el número diploide. El cigoto
dará lugar a un hombre o a una mujer que, cuando maduren, nuevamente producirán gametos
haploides. Como en el caso de la mayoría del resto de los animales, las células son diploides
durante casi todo el ciclo de vida; la única excepción son los gametos.
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En la especie humana, a partir de cada espermatocito primario diploide se forman, en el
hombre, cuatro espermátidas haploides, que se diferencian en cuatro espermatozoides. En la
mujer, en cambio, a partir de cada ovocito primario diploide, el citoplasma se divide
desigualmente y se produce un solo óvulo haploide; los núcleos haploides restantes forman los
cuerpos o corpúsculos polares que se desintegran.
El ciclo vital de Homo sapiens
La reproducción sexual se caracteriza por la fusión de dos células sexuales haploides para
formar un cigoto diploide, por lo que se deduce, en un ciclo vital sexual, debe ocurrir la meiosis
antes de que los gametos puedan reproducirse.
En animales y otros pocos organismos la meiosis precede de manera inmediata a la formación
de gametos. Las células del cuerpo somáticas de un organismo individual se multiplican por
mitosis y son dipliodes; las únicas células haploides son los gametos. Estos se forman cuando
algunas células de la línea germinativa experimentan la meiosis. La formación de gametos
recibe el nombre de gametogenesis. La gametogenesis masculina denominada
espermatogénesis da por resultado la formación de cuatro espermatozoides haploides por cada
célula que entra en la meiosis. En contraste, la gametogenesis femenina llamada ovogénesis
genera un solo ovulo por cada celular que entra en la meiosis, esto se realiza por un proceso
que asigna virtualmente todo el citoplasma a uno solo de dos núcleos en cada división
meiótica. Al final de la primera división meiótica se retiene un núcleo; el otro, llamado primer
cuerpo polar, se excluye de la célula y por ultimo degenera. De modo general, al final de la
segunda división un núcleo se convierte en el segundo cuerpo polar y el otro núcleo sobrevive.
De esta forma, un núcleo haploide pasa a ser el receptor de la mayor parte del citoplasma y los
nutrimentos acumulados de la célula meiótica original.
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Sin embargo, aunque la meiosis se realiza en algún punto de los ciclos vitales sexuales, no
siempre precede directamente a la formación de gametos. Muchos eucariontes sencillos
(incluso algunos hongos y algas) permanecen haploide (sus células se dividen por mitosis) la
mayor parte de su vida, y los individuos pueden ser unicelulares o pluricelulares.
Dos gametos haploide (producidos por mitosis) se fusionan para formar un cigoto diploide, el
cual experimenta la meiosis para volver al estado haploide.
Los ciclos vitales más complejos se encuentran en vegetales y algunas algas. Estos ciclos
vitales, que se caracterizan por alternancia de generaciones, consisten en una etapa diploide
multicelular, denominada generación esporófita, y una etapa haploide multicelular, a la que se
llama generación gametófita. Las células esporofitas dipliodes experimentan la meiosis para
formar esporas haploide, cada una de las cuales se divide en forma mitótica para producir un
gametofito haploide multicelular. Los gametofitos producen gametos por mitosis. Los gametos
femeninos y masculinos (óvulo y espermatozoides) se fusionan entonces para formar un cigoto
diploide, el cual se divide de manera mitótica para producir un esporofito diploide multicelular.
VARIABILIDAD GENÉTICA
El proceso de meiosis presenta una vital importancia en los ciclos vitales ya que hay una
reducción del número de cromosomas a la mitad, es decir, de una célula diploide (ej: 46
cromosomas en el ser humano) se forman células haploides (23 cromosomas). Esta reducción
a la mitad permite que en la fecundación se mantenga el número de cromosomas de la
especie. También hay una recombinación de información genética, que es heredada del padre
y la madre; el apareamiento de los homólogos y consecuente crossing-over permite el
intercambio de información genética. Por lo tanto el nuevo individuo hereda información
genética única y nueva, y no un cromosoma íntegro de uno de sus parientes.
Otra característica importante en la significación de la meiosis para la reproducción sexual, es
la segregación al azar de cromosomas maternos y paternos. La separación de los cromosomas
paternos y maternos recombinados, durante la anafase I y II, se realiza completamente al azar,
hecho que contribuye al aumento de la diversidad genética. En la anafase I, por cada par de
homólogos existen dos posibilidades: un cromosoma puede ir a un polo mitótico o al otro.
El número de combinaciones posibles por tanto se calcula 2n donde n es el número de pares
de cromosomas homólogos (variaciones con repetición de n elementos en grupos de 2). En el
ser humano, que tiene 23 pares de cromosomas homólogos, tiene la posibilidad de
recombinación con 223 = 8 388 608 combinaciones, sin tener en cuenta las múltiples
combinaciones posibilitadas por la recombinación en el crossing-over.
ANOMALIAS CROMOSÓMICAS
En la meiosis debe ocurrir una correcta separación de las cromatidas hacia los polos durante la
anafase, lo que se conoce como disyunción meiotica, cuando esto no ocurre o hay un retraso
en la primera o segunda división meiotica, conlleva problemas en la configuración de los
cromosomas, alterando el numero correcto de estos, es decir, dejan de ser múltiplos básicos
del numero haploide original de la especie, lo que se conoce como aneuploidía. Entre los
problemas en el material genético encontramos:
o Nulisomía en la que faltan un par de cromosomas homólogos (2n - 2 cromosomas).
o Monosomía (2n - 1 cromosoma).
o Trisomía (2n + 1 cromosoma).
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En los animales sólo son viables monosomías y trisomías. Los individuos nulisómicos no
suelen manifestarse, puesto que es una condición letal en diploides.
MONOSOMÍA
o Monosomía autosomática: produce la muerte en el útero.
o Sindrome de turner: solamente un cromosoma X presente en las mujeres. Los
afectados son hembras estériles, de estatura baja y un repliegue membranoso entre el
cuello y los hombros. Poseen el pecho con forma de escudo y pezones muy separados,
así como ovarios rudimentarios y manchas marrones en las piernas.
TRISOMÍA
o Síndrome de Down - Trisomía del cromosoma 21: es la aneuploidía más viable, con un
0,15% de individuos en la población. Es una trisomía del cromosoma 21, que incluye
retraso mental (C.I de 20 - 50), cara ancha y achatada, estatura pequeña, ojos con
pliegue apicántico y lengua grande y arrugada.
o Síndrome de Patau - Trisomía del cromosoma 13: es una enfermedad genética que
resulta de la presencia de un cromosoma 13 suplementario. Se trata de la trisomía
menos frecuente. Se suele asociar con un problema meiótico materno, más que paterno
y como el síndrome de Down, el riesgo aumenta con la edad de la mujer. Los afectados
mueren poco tiempo después de nacer, la mayoría a los 3 meses, como mucho llegan
al año. Se cree que entre el 80-90% de los fetos con el síndrome no llegan a término.
o Síndrome de Edwards - Trisomía del cromosoma 18: se trata de una enfermedad rara,
cromosómica caracterizada por la presencia de un cromosoma adicional en el par 18.
Clínicamente se caracteriza por: bajo peso al nacer, talla corta, retraso mental, y del
desarrollo psicomotor (coordinación de la actividad muscular y mental), e hipertonía
(tono anormalmente elevado del músculo). Se acompaña de diversas anomalías
viscerales.
o Síndrome de Klinefelter - Un cromosoma de X adicional en varones: produce individuos
altos, con físico ligeramente feminizado, coeficiente intelectual algo reducido,
disposición femenina del vello del pubis, atrofia testicular y desarrollo mamario.
Tenemos una mezcla de ambos sexos.
o Síndrome de XYY - Un cromosoma de Y adicional en varones: en esta anaploidia, el
varón afectado recibe un cromosoma Y adicional. No presenta diferencias a las
personas normales y de hecho se duda del término “síndrome” para esta condición.
o Síndrome Triple X - Un cromosoma de X adicional en hembras: está caracterizada por
un cromosoma X adicional en la mujer; quienes presentan la condición no están en
ningún riesgo creciente para los problemas médicos. Las mujeres con esta condición
son altas, de bajo peso, con irregularidad en el periodo menstrual y rara vez presentan
debilidad mental.
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LA REPLICACION DEL ADN
EL PRINCIPIO TRANSFORMADOR
El experimento de Frederick Griffith
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En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, que investigaba varias cepas de pneumococcus,
inyectó ratones con la cepa S y la cepa R de la bacteria. La cepa S era dañina, mientras que la
rugosa (R), no lo era. Cuando, inactiva por calor, la cepa S era inyectada, no había secuelas y
el ratón vivía. Sorprendentemente, al combinar cepa R (no letal), con cepa S inactivada por
calor (no letal), el ratón murió. Además, Griffith encontró células de cepa S vivas. En apariencia
la cepa R se convirtió en cepa S. Este hallazgo no se pudo explicar, hasta que en 1944 Avery,
Mc Leod, y Mc Carty, cultivaron cepa S y:
1. Produjeron extracto de lisado de células (extracto libre de células).
2. Luego que los lípidos, proteínas y polisacaridos se removieron, el estreptococo aun
conservó su capacidad de replicar su ADN e introducirlo en neumococo R.
La inactivación por calor de Griffith habría dejado intacto el ADN de los cromosomas de las
bacterias, que era el causante de la formación del gen S, y podía ser liberado por las células
destruidas e implantarse en cultivos sucesivos de cepa R.
¿En qué consistió su experimento?
En el año 1928 Frederick Griffith investigando una enfermedad infecciosa mortal la neumonía,
estudió las diferencias entre una cepa de la bacteria Streptococcus peumoniae que producía la
enfermedad y otra que no la causaba. La cepa que causaba la enfermedad estaba rodeada de
una cápsula (también se la conoce como cepa S, del ingles smooth, o sea lisa, que es el
aspecto de la colonia en las placas de Petri). La otra cepa (la R, de rugosa, que es el aspecto
de la colonia en la placa de Petri) no tiene cápsula y no causa neumonía. Griffith inyectó las
diferentes cepas de la bacteria en ratones. La cepa S mataba a los ratones mientras que la
cepa R no lo hacía. Luego comprobó que la cepa S, muerta por calentamiento, no causaba
neumonía cuando se la inyectaba. Sin embargo cuando combinaba la cepa S muerta por
calentamiento, con la cepa R viva, es decir con componentes individuales que no mata a los
ratones e inyectaba la mezcla a los ratones, los ratones contraían la neumonía y morían; en la
sangre de estos ratones muertos Griffith encontró neumococos vivos de la cepa S. Es decir que
en las bacterias S muertas había “algo” capaz de transformar a las bacterias R, antes inocuas,
en patógenas y este cambio era permanente y heredable. Este "algo" fue aislado; luego se
encontró que era ADN Las bacterias que se aislaban de los ratones muertos poseían cápsula y,
cuando se las inyectaba, mataban otros ratones. Frederick Griffith fue capaz de inducir la
transformación de una cepa no patogénica Streptococcus pneumoniae en patogénica. Griffith
postuló la existencia de un factor de transformación como responsable de este fenómeno.
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El problema que quería investigar con su experimento
Frederick Griffith estaba interesado en la virulencia (capacidad de infectar y producir
enfermedad) de las bacterias causantes de la neumonía, llamadas Pneumonococcus. Por este
experimento se pudo alcanzar a llegar a la conclusión de la existencia del ADN.
¿Por qué utilizó células muertas?
Porque necesitaba comprobar que era lo que ocurría si éstas se ponían en contacto con células
vivas, trato de probar si volvían a ser peligrosas para el organismo de las ratas.
¿Qué transformación experimentan las cepas al estar en contacto con células muertas?
Estas cepas se infectaron con la enfermedad y causaron la muerte de las ratas a las cual se les
inyectó.
Conclusiones
Con el experimento de Griffith se pudo concluir que el ADN de las bacterias inactivadas
(muertas) con temperatura, había sido en insustancial, ya que éste era el causante de la
formación del gen S (viruela), y podía ser liberado por las células destruidas e implantarse en
cultivos sucesivos de cepa R (cepas sanas), es decir, demostró con sus experimentos que el
ADN era necesario para adquirir la virulencia.
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NATURALEZA QUIMICA DEL PRINCIPIO TRANSFORMADOR
Los datos de Griffith acerca de esta transformación rápidamente fueron confirmados por varios
laboratorios en todo el mundo, incluyendo el de Oswald Avery, inmunólogo en el Rockefeller
Institute. Al principio, Avery dudó que una sustancia liberada por una célula muerta pudiera
alterar el aspecto de la célula viva, pero se convenció cuando Martín Dawson, su joven
ayudante, confirmó los mismos resultados en su laboratorio.
El siguiente paso lo dio J. Lionel Alloway, otro miembro del laboratorio de Avery, quien pudo
solubilizar el agente transformador. El extracto soluble así filtrado mostró la misma capacidad
transformadora que las células originalmente muertas por calor. En los siguientes diez años,
Avery y sus colegas enfocaron su atención en purificar la sustancia causante de la
transformación y en determinar su identidad. Tan sorprendente puede parecer ahora, en aquel
tiempo ningún otro laboratorio del mundo se dedicó a identificar el “principio transformador”,
como lo llamó Avery. Los avances en este problema fueron lentos. Con el tiempo, Avery y sus
colaboradores, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, lograron aislar una sustancia activa del
extracto soluble capaz de causar la transformación de apenas una parte en 600 millones.
Todas las pruebas sugerían que la sustancia activa era ADN: 1.- mostraba muchas de las
propiedades químicas características del ADN; 2.- ningún otro tipo de material detectarse en la
preparación, y 3.- los ensayos con diferentes enzimas mostraron que sólo aquellas capaces de
digerir ADN podían inactivar el principio transformador.
El trabajo publicado en 1944 fue escrito con escrupulosa cautela, sin conclusiones
espectaculares afirmando que los genes estaban constituidos por ADN y no por proteínas.
Algunos biólogos estaban convencidos que las preparaciones de Avery debían estar
contaminadas con cantidades mínimas de proteínas y que ese contaminante, no el ADN, era el
agente transformador activo. Otros se preguntaban si estudios acerca de bacterias publicados
en una revista médica podían tener relevancia alguna en el campo de la genética y
consideraban el fenómeno de la transformación como una peculiaridad de las bacterias.
En los años siguientes a la publicación del trabajo de Avery hubo cambios importantes en la
genética, se reconoció la existencia de cromosomas bacterianos y algunos prominentes
genetistas volvieron su atención a esos procariotes. Estos científicos estaban convencidos de
que el conocimiento logrado por el estudio de organismos celulares muy simples arrojaría luz
sobre los mecanismos que operan en plantas y animales complejos.
EL EXPERIMENTO DE MESELSON Y STHAL
Dos características bien definidas que saltan a la vista de inmediato en el modelo de Watson y
Crack hicieron más evidente el hecho de que el ADN es el material genético. Se sabe que el
ADN puede contener información codificada en su secuencia de bases. El modelo también
sigiere una forma en que esa información puede ser copiada de manera precisa, proceso
conocido como “DUPLICACIÓN” (O REPLICACIÓN) del ADN. La importancia del mecanismo
de duplicación era conocida para Watson y Crack, quienes en un clásico y ahora famoso
ejemplo de exposición escueta al final de su primer artículo, escribieron: “NO HA ESCAPADO A
NUESTRA ATENCIÓN EL HECHO DE QUE EL APAREAMIENTO ESPECÍFICO DE BASES
QUE HEMOS POSTULADO SUGIERE DE INMEDIATO UN POSIBLE MECANISMO DE
COPIADO PARA EL MATERIAL GENÉTICO”.
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Estructura del ADN
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Biología Celular y Molecular
El modelo sugería que, como los nucleótidos se aparean entre sí de manera complementaria,
cada molécula de la cadena del ADN podría servir de plantilla o patrón para la síntesis de la
cadena opuesta. Sólo sería necesario que los enlaces de hidrógeno entre las dos cadenas se
rompieran y que las dos cadenas se separaran. Cada semihélice (cada cadena) podría
entonces aparecer como nucleótidos complementarios para restituir al compañero faltante. El
resultado serían dos dobles hélices de ADN, cada una idéntica a la original y consistente en
una cadena original de la cadena progenitora y una cadena complementaria recién sintetizada.
Este tipo de copiado de información se conoce como mecanismo de “DUPLICACIÓN
SEMICONSERVADORA”.
Si bien el mecanismo de duplicación semiconservadora propuesto por Watson y crack era (y
sigue siendo) un modelo sencillo y atractivo, se requerían pruebas experimentales para
establecer que en efecto el ADN se duplica de esa manera. Primero era necesario descartar
otras posibilidades. Por ejemplo, con un mecanismo de DUPLICACION CONSERVADORA,
ambas cadenas progenitoras (“antiguas”) permanecían juntas, y las cadenas recién
sintetizadas, formarían una segunda doble hélice. En una tercera alternativa, las cadenas
originales y recién sintetizadas podrían mezclarse al azar durante el proceso de duplicación;
esta posibilidad recibió el nombre de DUPLICACIÓN DISPERSA.
Teorías que trataban de explicar la replicación de ADN
Para discriminar entre el mecanismo de duplicación semiconservadora y las otras posibilidades,
era necesario distinguir entre las cadenas originales y las recién sintetizadas del ácido
desoxirribonucleico (ADN).
Un modo de lograr esto es con el empleo de un isótopo pesado del nitrógeno, el nitrógeno 15
con símbolo N15 (el nitrógeno ordinario o liviano es el nitrógeno 14, N14), para marcar cadenas
de ADN haciéndolas más densas. Las moléculas más grandes, como la de ADN, pueden
separarse por diferencias en su densidad mediante una técnica conocida como
“CENTRIFUGACIÓN EN GRADIENTE DE DENSIDAD”. Cuando el ADN se mezcla con la
solución que contiene cloruro de cesio (CsCl) y se centrifuga a alta velocidad, la solución forma
un gradiente de densidad en el tubo de la centrífuga, que va de una región de baja densidad en
la parte superior a una región con la máxima densidad en el fondo. Durante la centrifugación,
las moléculas de ADN emigran a la región del gradiente que tiene valor de densidad idéntico al
suyo.
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El experimento de MatthewW Meselson y Franklin Stahl
En 1957, Matthew Meselson y Franklin Stahl cultivaron células de la bacteria Escherichia coli
en un medio que contenía N15 en la forma de cloruro de amonio (NH4Cl). Las células utilizaban
el N15 para sintetizar bases, que a su vez eran incorporadas en EL ADN. Las moléculas de
ADN resultantes, que contenían nitrógeno pesado, se extrajeron de algunas células; cuando se
sometieron a centrifugación en gradiente de densidad se acumularon en la región de alta
densidad del gradiente. El resto de las bacterias (que también contenían ADN marcado con
N15) se transfirieron a un medio de cultivo y más ligero; ahí se le permitió experimentar varias
divisiones celulares más.
Se esperaba que las cadenas de ADN recién sintetizadas fueron menos densas, por haber
incorporado bases que contenían el isótopo ligero, N14. En efecto, las moléculas de ADN de
células aisladas después de una generación tenían densidad intermedia, lo cual indicaba que
contenían la mitad de átomos de N15 que el ADN “progenitor”. Este hecho apoyaba el modelo
semiconservador, el cual decía que cada doble hélice debe contener una cadena previamente
sintetizada (pesada en este caso) y una recién sintetizada (ligera en este caso). Refutaba el
modelo conservador, que sugería que habrían dos clases de moléculas de doble cadena (una
con dos cadenas pesadas y otra con dos cadenas ligeras).
Después de otro ciclo de división celular en el medio con el isótopo ligero (N14), aparecieron
dos tipos de ADN en el gradiente de densidad. Uno consistía en hélices “HÍOBRIDAS” de ADN
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(con N15 en una cadena y N14 en la otra), en tanto que la otra contenía sólo ADN con el isótopo
ligero natural. Esta observación refutaba el modelo disperso, el cual sugería que todas las
cadenas debían tener densidad intermedia. En cambio, cada cadena de la doble hélice original
se conservaba, pero en una molécula hija “diferente”, tal como lo sugería el modelo de
duplicación semiconservadora.
REPLICACION SEMICONSERVADORA
REPLICACION CONSERVADORA
REPLICACION DISPERSA
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Biología Celular y Molecular
LA REPLICACION DEL ADN
CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO REPLICATIVO
Existen cierto número de características para el proceso de replicación del ADN que son
comunes a todos los organismos, virus, bacterias y células eucariotas. Es sin embargo
importante destacar que la mayor parte del conocimiento que se tiene sobre ellas proviene de
estudios realizados en bacterias y bacteriófagos. En lo que sigue se describirán algunas de
estas características:
1. ESQUEMA SEMICONSERVADOR DE LA REPLICACIÓN: la replicación de una
molécula de ADN de doble cadena es un proceso semiconservador. Esto significa que
cada cadena cuando se copia queda apareada a la cadena hija. Ello implica que
durante el proceso de copia cada cadena debe separarse de su homóloga y que luego
no vuelve a aparearse a ésta, sino que, como ya se dijo, queda ligada a la cadena hija.
2. ORIGEN Y SENTIDO DE LA REPLICACIÓN: por lo menos en virus y bacterias la
replicación del ADN siempre comienza en un punto fijo del cromosoma y de ese punto
puede extenderse unidireccionalmente o bidireccionalmente.
3. ETAPAS DE LA REPLICACIÓN: como todo proceso de polimerización, la síntesis de
ADN tiene tres etapas: la INICIACIÓN, la ELONGACIÓN y la TERMINACIÓN. La
velocidad de síntesis de la molécula se considera que depende eminentemente de la
etapa de iniciación. Sobre esta etapa actúan la mayor parte de factores de regulación.
Se considera que una vez iniciada la síntesis actúan la mayor parte de factores de
regulación. Se considera que una vez iniciada la síntesis, la elongación se hace a
velociada constante.
4. DIRECCIÓN DE LA REPLICACIÓN: el proceso de polimerización consiste en la adición
de nucleótidos en el sentido 5’
3’. Ello significa que, siendo las cadenas del
ADN antiparalelas, o sea, que presentan la disposición.
p 5’
3’ OH
Dirección de la síntesis
Dirección de la síntesis
OH 3’
5’ p
La dirección de la síntesis de las cadenas es especialmente opuesta.
5. DISCONTINUIDAD DE LA REPLICACIÓN: teniendo la replicación un sentido
determinado y siendo la dirección de la síntesis de ambas cadenas opuestas en el
espacio, el sistema está obligado a operar en forma discontinua. Esto significa que el
proceso de replicación da origen temporalmente a la formación de pequeños
segmentos de por lo menos una de las cadenas, que luego son ligados entre sí.
El proceso de REPLICACIÓN se puede dividir en tres etapas: INICIACIÓN, ELONGACIÓN y
TERMINACIÓN:
1. INICIACIÓN.- Las dos cadenas de la doble hélice de ADN se separan y sirven como
moldes para la síntesis de nuevas cadenas complementarias. Las HELICASAS,
enzimas que operan en las horquillas de replicación, separan las dos cadenas de la
doble hélice original. Las TOPOISOMERASAS, evitan el superenrrollamiento,
catalizando la formación y resellado de cortes en una o ambas cadenas delante de las
horquillas de replicación. Las proteínas de unión a cadena simple estabilizan las
cadenas abiertas.
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Como las cadenas no apareadas de un ADN son muy sensibles al ataque por
nucleasas, al producirse la separación, cada cadena es inmediatamente cubierta por
proteínas específicas que la protegen y que se denominan 2PROTEÍNAS DE UNIÓN A
CADENAS SIMPLES”.
La iniciación real de la síntesis de ADN comienza con la formación de una CADENA
INICIADORA o PRIMER (cebador). Curiosamente, esta cadena iniciadora no es de
ADN sino de ARN. La síntesis de la molécula iniciadora es llevada a cabo por una ARN
– polimerasa especial que se denomina INICIASA o PRIMER. La iniciasa, a partir de los
ribonucleótidos trifosfatados, sintetiza una cadena de ARN que ha de ofrecer en su
extremo 3’ el hidroxilo requerido para iniciar la síntesis de la cadena de ADN en la
siguiente etapa.
El proceso de replicación del ADN
El proceso de replicación del ADN
2. ELONGACIÓN.- La ADN polimerasa III cataliza la adición de nucleótidos a ambas
cadenas operando sólo en dirección 5’ a 3’. Para comenzar a añadir nucleótidos, esta
enzima requiere la presencia de un cebador de ARN, unido por puentes de hidrógeno a
la cadena molde que es luego reemplazado por nucleótidos de ADN.
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La cadena adelantada se sintetiza en la dirección 5’ a 3’ en forma continua. En este
caso, el único cebador de ARN está situado en el origen de la replicación. La cadena
rezagada también se sintetiza en la dirección 5’ a 3’, a pesar de que esta dirección es
opuesta a la del movimiento de la horquilla de replicación. El problema se resuelve
mediante la síntesis discontinua de una serie de fragmentos, los FRAGMENTOS DE
OKAZAKI. Cuando un fragmento de Okazaki ha crecido lo suficiente como para
encontrar a un cebador de ARN por delante de él, otra ADN polimerasa (ADN
POLIMERASA I) reemplaza a los nucleótidos de ARN del cebador con nucleótidos de
ADN. Luego, la ADN LIGASA conecta cada fragmento con el fragmento contiguo recién
sintetizado en la cadena.
El proceso de replicación del ADN
3. TERMINACIÓN.- es el menos conocido, y en cromosomas circulares está asociado al
proceso de separación de los dos cromosomas hijos del origen de la replicación así
como también a la generación de superhélices. En estos fenómenos interviene una
familia de enzimas denominadas TOPOISOMERASAS, en particular la ADN - GIRASA.
El ADN de una sola célula humana que, si se extendiera en una hebra única mediría casi 2
metros de largo, puede contener una información equivalente a unas 600,00 páginas impresas
de 500 palabras cada una, o a una biblioteca de aproximadamente 1,000 libros.
Sin duda, la estructura del ADN puede dar cuenta de la enorme diversidad de los seres vivos.
La información se encuentra en la secuencia de bases nitrogenadas y cualquier secuencia de
bases es posible. Dado que el número de pares de bases es de aproximadamente 5,000 en el
virus más simple conocido, hasta una estimación de 5,000 millones en los 46 cromosomas
humanos, el número de variaciones posibles es astronómico. La replicación de los cromosomas
eucarióticos se inicia en orígenes múltiples. Cada burbuja de replicación individual se extiende
hasta que finalmente se encuentra con otra y ambas se unen.
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Esquema de cómo se produce el enrollamiento del ADN para formar los cromosomas
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EL PROCESO DE LA TRANSCRIPCION O SINTESIS DEL ARN MENSAJERO
INTRODUCCION
Los seres vivos poseen una complejidad morfológica y estructural que está determinada por la
síntesis y ensamblaje precisos de macromoléculas a lo largo del ciclo vital de la célula o bien
en momentos determinados del desarrollo embrionario. Así mismo, las actividades metabólicas
se realizan gracias a las propiedades funcionales específicas de algunas macromoléculas; las
más relevantes en este aspecto son las inherentes a las proteínas.
En los organismos vivientes la información necesaria para la síntesis de proteínas está
contenida en el ADN en forma de secuencias discretas, contínuas o discontínuas, denominadas
genes. Esta información se estructuró a través del largo proceso de evolución biológica,
durante el cual los mecanismos de recombinación y mutación, sumados a una selección
adecuada, determinan la producción del diccionario genético o genoteca de cada individuo
viviente. La información contenida en el ADN se expresa en las células por medio de una
cadena de procesos denominad “FLUJO DE INFORMACIÓN”. Es así como la información
genética almacenada en los genes no se traduce directamente a proteínas, sino mediante la
síntesis de otras macromoléculas intermediarias, los ARNs.
EL PROCESO DE LA TRANSCRIPCION
Las moléculas de ARNm son largas copias (o transcriptos) de secuencias de ADN de 500 a
10,000 nucleótidos y de cadena simple pero, a diferencia de las moléculas de ADN, las de ARN
se encuentran en su mayoría como moléculas de cadena única. Cada nueva molécula de
ARNm se copia –o transcribe- de una de las dos cadenas de DAN (la cadena molde) según el
principio de apareamiento de bases que gobierna la replicación del ADN. Al igual que una
cadena de ADN, cada molécula tiene un extremo 5’ y un extremo 3’. Como en la síntesis del
ADN, los ribonucleótidos, que están presentes en la célula como trifosfatos, se añaden uno por
vez al extremo 3’ de la cadena en crecimiento de ARN. El proceso, conocido como
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TRANSCRIPCION, es catalizado por la enzima “ARN POLIMERASA”. Esta enzima opera de la
misma forma que la ADN polimerasa, moviéndose en dirección 3’ a 5’ a lo largo de la cadena
molde de ADN, sintetizando una nueva cadena complementaria de nucleótidos (en este caso
de ribonucleótidos) en la dirección 5’ A 3’. Así, la cadena de ARNm es antiparalela a la cadena
molde de ADN de la cual es transcripta.
La ARN POLIMERASA, a diferencia de la
ADN polimerasa, no requiere cebador para
comenzar la síntesis de ARN, ya que es
capaz de iniciar una nueva cadena uniendo
dos ribonucleótidos. En procariotas, hay un
único tipo de ARN POLIMERASA que, en
realidad,
es
un
gran
complejo
multienzimático asociado con varias
proteínas que participan en diferentes
momentos de la transcripción. Cuando va a
iniciar la transcripción, la ARN
POLIMERASA sen une al ADN en una
secuencia
específica
denominada
secuencia promotora o promotor; abre la
doble hélice en una pequeña región y, así,
quedan expuestos los nucleótidos de una
secuencia corta de ADN. Luego, la enzima
va añadiendo ribonucleótidos, moviéndose
a lo largo de la cadena molde,
desenrollando la hélice y exponiendo así
nuevas regiones con las que se aparearán
los ribonucleótidos complementarios. El
proceso de elongación de la nueva cadena
de ARNm continúa hasta que la enzima
encuentra otra secuencia especial en el
transcripto naciente, la señal de
terminación. En este momento la ARN
POLIMERASA se detiene y libera a la
cadena de ADN molde y a la recién sintetizada cadena de ARNm.
El proceso de la transcripción del ARNm descrito para procariotas es similar en eucariotas,
aunque presenta algunas diferencias importantes. Entre ellas, se puede mencionar que, si bien
en procariotas las moléculas de ARNm se producen directamente por transcripción del ADN, en
eucariotas superiores, la mayor parte de los transcriptos sufren un procesamiento posterior a la
transcripción, llamado “SPLICING” (CORTE) del ARN, antes de dejar el núcleo e ingresar al
citoplasma (CITOSOL).
El ARN mensajero transcrito a partir del ADN es. Entonces, la copia activa de la información
genética. Incorporando las instrucciones codificadas en el ADN, el ARNm dicta la secuencia de
aminoácidos en las proteínas.
Químicamente, el ARN es muy semejante al ADN, pero hay dos diferencias en sus nucleótidos:
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1. Una diferencia es el azúcar que lo compone. En lugar de desoxirribosa, el ARN
contiene ribosa, en la cual el grupo hidroxilo reemplaza a un hidrógeno en el carbono 2’.
2. La otra diferencia es que, en lugar de timina, el ARN contiene una pirimidina
íntimamente relacionada con ésta, el uracilo (U). El uracilo, al igual que la timina, se
aparea sólo con la adenina (A).
3. Una tercera y muy importante diferencia entre los dos ácidos nucleicos es que, en la
mayoría de los casos, el ARN se encuentra como cadena simple y no forma una
estructura helicoidal regular como el ADN.
MECANISMO DE LA SINTESIS DEL ARN
El ARN se sintetiza usando como “TEMPLADO O MOLDE” al ADN de cadena doble. Sin
embargo, sólo una de las dos hélices del ADN se transcribe para producir moléculas de ARN
con la codificación adecuada. Esto determina una de las propiedades más sobresalientes del
proceso de transcripción, “LA ASIMETRÍA”. Así mismo, la dirección de la síntesis del ARN
sobre la cadena del ADN apropiada se realiza siempre unidireccionalmente con la polaridad
3’
5’ tomando como referencia al templado de ADN. Si se toma como referencia la
polaridad del ARN, la síntesis se efectúa en el sentido 5’
3’.
A diferencia de lo que ocurre en el caso de las ADN – POLIMERASAS durante la replicación
del ADN, las ARN POLIMERASA dependientes de ADN no requieren para su funcionamiento
de la presencia de UNA MOLÉCULA INICIADORA o PRIMER. El proceso de polimerización se
realiza mediante la síntesis de un enlace covalente denominado UNIÓN FOSFODIESTER (su
mecanismo intrínseco consiste en u ataque nucleofílico que el hidroxilo 3’ de la ribosa del
último nucleótido polimerizado lleva a cabo sobre el nucleotidilfosfato interno del nucleósido
trifosfato entrante; esta reacción continúa luego por la energía obtenida de la hidrólisis de
pirofosfato inorgánico perteneciente al nucleótido trifosfato entrante). Por lo tanto, siempre el
primer nucleósido retiene su grupo fosfato en el extremo 5’ de la ribosa. En la gran mayoría de
los casos la reacción se inicia con un ATP o GTP, y por lo general el segundo nucleóitido
incorporado es CTP o UTP.
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LA ARN POLIMERASA
La transcripción de la información genética se realiza mediante la síntesis de una de las
especies de RNA. El proceso es catalizado por un grupo de enzimas de estructuras complejas
denominadas ARN – POLIMERASA DEPENDIENTES DE ADN. Estas enzimas son capaces de
sintetizar polinucleótidos discretos, respetando con fidelidad señales o sitios precisos de
iniciación y terminación y, por ello, de la fase de lectura de ADN. Finalmente, la función de
estas enzimas está regulada por factores intracelulares y extracelulares que modulan su
concentración, su unión al sustrato y su actividad catalítica.
La “ARN POLIMERASA” de Escherichia coli, que puede tomarse como modelo de este tipo de
enzimas, es una proteína compleja formada por CINCO SUBUNIDADES:
4 Los péptidos componentes de la enzima se denominan: ALFA, BETA, BETA PRIMA,
SIGMA y OMEGA.
4 La enzima activa, llamada HOLOENZIMA, está compuesta por DOS CADENAS ALFA,
UNA CADENA BETA, UNA CADENA BETA PRIMA, UNA CADENA SIGMA y UNA
CADENA OMEGA.
4 Aún cuando es necesaria la presencia de todas esta subunidades para que la
holoenzima cumpla su función, no se conoce muy bien la función específica de cada
una de ellas.
4 Se sabe que la SUBUNIDAD BETA reconoce como sustratos a los ribonucleótidos
trifosfatos (ATP, GTP, UTP y CTP), mientras que la SUBUNIDAD BETA PRIMA es
necsaria para que la holoenzima se una al templado de ADN y permanezca unida a
éste durante el proceso de síntesis de ARN. Las funciones de ALFA y OMEGA se
desconocen. Así mismo la SUBUNIDAD SIGMA permite el correcto inicio de la síntesis
del ARNm y la asimetría de la transcripción.
4 Luego de producida la iniciación la subunidad sigma se disocia de la holoenzima
dejando una enzima formada por: dos alfas, una beta, una beta prima y una omega, a la
cual se denomina ENZIMA RESIDUAL o CORE y es responsable de la elongación de la
cadena de ARN.
Puede concluirse entonces que la actividad funcional específica de las ARN POLIMERASAS
depende de su estructura molecular, de tal modo que todas las subunidades de la holoenzima
son importantes en la reacción. Otra definición que debe de quedar bien en claro es que cada
componente actúa en una etapa bien definida de la reacción en forma aislada y coordinada con
las demás. Para un mejor entendimiento, se pasará a describir más detalladamente la
transcripción dividiéndola en tres etapas: INICIACION, ELONGACION y TERMINACION.
• INICIACION: La iniciación de la transcripción se produce cuando la holoenzima se une
al templado de ADN. Como se explicó antes en esta etapa es fundamental la presencia
de la SUBUNIDAD SIGMA. La unión de la ARN – POLIMERASA se realiza sobre un
segmento de ADN que antecede al comienzo del gen y que se denomina PROMOTOR.
Los promotores tienen tres segmentos funcionales con los cuales la ARN –
POLIMERASA interactúa con el ADN: un sitio de “RECONOCIMIENTO”, un sitio de
“UNION” y un sitio de “INICIACION”.
Las secuencias de reconocimiento se ubican aproximadamente 10 nucleótidos antes
del comienzo del gen. Las secuencias de reconocimiento están compuestas por
aproximadamente 7 a 8 nucleótidos y son específicos para cada gen.
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El proceso de la transcripción
Inicio del proceso de transcripción
• ELONGACIÓN: La finalización de la iniciación está marcada por la salida de la
SUBUNIDAD SIGMA de la holoenzima, la traslocación de ésta y la unión del primer
nucleósido trifosfato /ATP oGTP); la adición posterior de los nucleósidos trifosfatos
correspondientes se realiza a una velocidad de 50 – 60 nucleótidos por segundo; en
dirección 5’
3’. Con respecto al ARN.
Durante la elongación ocurre una apertura regional transitoria de la doble hélice de ADN
en los sitios donde se encuentra la ARN – POLIMERASA; se cree que esta
desnaturalización es producida por la misma enzima. La fidelidad de la transcripción es
relativamente baja, ya que las ARN – POLIMERASAS no cuentan con mecanismo de
corrección de errores, como sucede con las ADN – POLIMERASAS. Sin embargo, el
gran número de copias de capa tipo de ARN producidas por las ARN – POLIMERASAS
garantiza siempre una cantidad óptima de producto final fundamentalmente
competente.
• TERMINACION: Sobre el ADN hay señales de terminación del proceso de la
transcripción. Estas señales están formadas por secuencias ricas en bases GC que dan
lugar a la formación de estructuras terciarias especiales a modo de RULOS (LOOPS) o
de zonas palindrómicas que determinan una disminución significativa de la velocidad de
síntesis; esto, sumado a secuencias no afines a la RNA – POLIMERASA, hacen que la
ENZIMA RESIDUAL o CORE se disocie del DNA y quede liberada la cadena de RNA.
Actualmente se piensa que una proteína llamada “RHO” participa activamente en la
terminación específica de la transcripción en algunos genes. La “PROTEÍNA RHO” está
compuesta por cuatro cadenas polipeptídicas idénticas con un peso molecular de
50,000 cada una. Esta configuración tetramérica le otorgaría a esa proteína una
afinidad alta por la doble hélice del DNA. Los datos experimentales sugieren que “RHO”
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se uniría al segmento terminal del gen (extremo 5’ de la cadena molde) y comenzaría a
desplazarse en dirección 3’, es decir, en sentido contrario al de la polimerasa. Su
llegada a zonas en donde la velocidad de elongación de síntesis de la enzima
disminuye por efecto de las secuencias de terminación determinaría el desplazamiento
de ésta fuera del templado, con la consiguiente liberación del RNA recién sintetizado.
MODIFICACIONES POST – TRANSCRIPCIONALES
En los seres vivientes existen básicamente tres clases principales de RNA: RIBOSÓMICOS
(RNAr), MENSAJEROS (RNAm) y de TRANSFERENCIA (RNAt). Todos los RNAs, sin
excepción, son sintetizados por copia del DNA mediante la transcripción selectiva de genes.
Los productos primarios de la transcripción son, salvo contadas excepciones, precursores de
mayor peso molecular que sus productos finales. Estos precursores son PROCESADOS o
MODIFICADOS adecuadamente a fin de producir moléculas de RNA competentes para realizar
sus funciones específicas en la síntesis de proteínas. El conjunto de reacciones que dan lugar
al PROCESAMIENTO y MODIFICACIONES de los RNAs precursores se denomina
“MADURACIÓN POST – TRANSCRIPCIONAL”. Todos estos procesos representan para la
célula importantes etapas en la regulación de la expresión genética, mediante las cuales se
establece la cantidad óptima de cada especie de RNA y la oportunidad de su síntesis.
Los procesos de maduración POST – TRANSCRIPCIONAL más importantes son:
1. Procesamiento de los RNA precursores por acción combinada de endonucleasas y
exonucleasas que determinan un acortamiento de las moléculas del transcrito primario.
Este proceso se produce tanto en los RNAm y RNAt de procariotas y eucariotas, como en
la mayor parte de los RNAm de eucariotas.
2. Modificaciones químicas internas de los polinucleótidos. La metilación de los ribosomas en
sitios precisos de los precursores de RNAs ribosómicos en eucariotas son obligatorios para
su posterior clivaje por nucleasas.
3. Modificaciones de los extremos de las moléculas de RNAm. El agregado post –
transcripcional de aproximadamente 200 “RESIDUOS DE ADENILATO” al extremo 3’ – OH
(POLI A) de la mayor parte de los RNA mensajeros de eucariotas o de sus precursores
(poliadenilación) es esencial para un procesamiento adecuado de la molécula, para la
eficiencia de su transporte al citoplasma y para proporcionar al RNAm maduro estabilidad
metabólica. Otra modificación de los RNAm eucariotas es el agregado POST –
TRANSCRIPCIONAL al extremo 5’ del transcrito primario de un nucleótido modificado, la 7
– METILGUANOSINA. Esta modificación, llamada “CAP” se conserva durante el
procesamiento del precursor, protege al RNA del ataque de nucleasas y fosfatasas y es
sumamente importante para una efectiva iniciación de la síntesis de proteínas.
Maduración post-transcripcional de los extremos
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4 Procesamiento de los RNAm. Un hecho extraordinariamente importante y recién
descubierto es que las secuencias codificantes o expresables denominadas “EXONES”, de
los genes se encuentran interrumpidas por secuencias intercaladas que no se expresan y
se llaman “INTRONES”. Esta discontinuidad real de los segmentos expresables presentes
en el DNA son transcritos como tales (INTRONES Y EXONES) y se hallan en el precursor
del RNA mensajero. El número de intrones varía para cada gen. Un fenómeno post –
transcripcional relevante es, pues, la remoción de esas secuencias intercaladas, seguida
luego por el ligamiento preciso de todos los segmentos codificantes.
Esquema de las reacciones que dan lugar al procesamiento de una molécula de RNAm o
exones para que mantengan las secuencias adecuadas de bases. Estos procesos, conocidos
en el idioma como SPLICING (cortar y reunir), son catalizados por un sistema enzimático de
nucleasa – ligasa, cuya identificación y aislamiento están todavía en desarrollo. Se cree posible
que en el mecanismo molecular del SPLICING intervenga un tipo de RNAs de bajo peso
molecular presente en el núcleo celular. La participación de estos RNAs pequeños sería a
través de su unión o hibridación al RNA precursor, produciendo sitios de doble cadena
reconocibles específicamente por las enzimas del SPLICING así como el alineamiento
adecuado de los exones para su ligamiento correcto.
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EL PROCESO DE LA TRADUCCIÓN O BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS
INTRODUCCION
Las letras A, G, T y C corresponden a los nucleótidos encontrados en el DNA. Están
organizadas en palabras claves de tres letras llamadas codones y el conjunto de los codones
constituye el código genético. Un ordenamiento lineal de los codones (un gen) especifica la
síntesis de varias moléculas de RNA, la mayor parte responsable de algún aspecto de la
TRADUCCIÓN o BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS. Este proceso se lleva a cabo en tres etapas
principales: INICIACIÓN, ELONGACIÓN y TERMINACIÓN. Es semejante a la replicación y
transcripción del DNA en sus características generales y en el hecho de que también sigue
la polaridad 5 ’
3’.
El flujo de la información genética
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Antes de dilucidar el código genético era imposible comprender la síntesis proteica o explicar
las mutaciones. El código genético proporciona la base de la forma en que los defectos de las
proteínas pueden causar enfermedad y sirve para el diagnóstico y quizá para el tratamiento de
las enfermedades genéticas. Además, la fisiopatología de numerosas infecciones virales se
relaciona con la capacidad de estos medicamentos de interrumpir la síntesis proteica en la
célula huésped.
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LA INFORMACIÓN GENÉTICA FLUYE DEL DNA AL RNA Y DE ESTE ÚLTIMO A LA
PROTEÍNA
La información genética contenida en la secuencia de nucleótidos del DNA es transcrita en el
núcleo celular a la secuencia específica de un nucleótido de una molécula de RNAm. La
secuencia de nucleótidos del RNA es complementaria de la secuencia de la tira codificante de
su gen en concordancia con las reglas del apareamiento de bases. Varias clases diferentes del
RNA se combinan para dirigir la síntesis de proteínas.
En los PROCARIOTAS hay una correspondencia lineal entre el gen, el RNAm transcrito del gen
y el producto polipeptídico. La situación es más complicada en los EUCARIOTAS
SUPERIORES, en los cuales la transcripción del RNAm nuclear es de mayor tamaño que el
RNAm maduro. El RNAm es procesado en el núcleo y los intrones, que a menudo constituyen
una porción mayor del RNAm que los exones, son removidos. A continuación, los exones son
empalmados para formar RNAm maduro, que es transportado al citoplasma, donde se traduce
la proteína.
La célula debe poseer la maquinaria necesaria para de manera precisa y eficiente traducir la
información de la secuencia de nucleótidos de un RNAm, en la secuencia de aminoácidos de la
correspondiente proteína específica. Para aclarar la comprensión de este proceso, al que se ha
denominado TRADUCCIÓN, se esperaba el descifrado del código genético que pronto fue
comprendido, que las moléculas de RNAm no tienen por sí mismas, afinidad para los
aminoácidos y, por lo tanto, que la traducción de la información de la secuencia de nucleótidos
del RNAm en la secuencia de aminoácidos de una proteína requiere de una molécula
adaptadora intermediaria. Esta molécula adaptadora debe reconocer una secuencia específica
de nucleótidos por una parte, así como un aminoácido específico por la otra. Con tal molécula
adaptadora, la célula puede dirigir un aminoácido específico hacia la posición secuencial
apropiada de la proteína como lo dicta la secuencia de nucleótidos del RNAm específico. De
hecho, los grupos funcionales de los aminoácidos en realidad no se ponen en contacto con el
molde del RNAm.
La síntesis de proteínas ocurre en los ribosomas que consisten en dos subunidades, una
grande y una pequeña, cada una formada por RNAr y proteínas específicas. Para la síntesis de
proteínas, también se requiere de moléculas de RNAt, que están plegadas en una estructura
secundaria con forma de hoja de trébol. Estas moléculas pequeñas pueden llevar un
aminoácido en un extremo y tienen un triplete de bases, el anticodón en un asa central, en el
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extremo opuesto de la molécula. La molécula de RNAt es el adaptador que aparea el
aminoácido correcto con cada codón de RNAm durante la síntesis de proteínas. Hay al menos
un tipo de molécula de RNAt para cada tipo de aminoácido presente en las células. Las
enzimas conocidas como aminoacil-RNAt sintetasas catalizan la unión de cada aminoácido a
su molécula de RNAt específica.
En el lugar donde la cadena de RNAm está en contacto con un ribosoma, se unen RNAts
temporalmente a la cadena de RNAm. Esta unión ocurre por apareamiento de bases
complementarias entre el codón de RNAm y el anticodón de RNAt. Cada molécula de RNAt
lleva el aminoácido específico requerido por el codón de RNAm, al cual se une el RNAt. Así,
siguiendo la secuencia dictada originalmente por el DNA, las unidades de aminoácidos son
alineadas una tras otra y, a medida que se forman los enlaces peptídicos entre ellas, se unen
en una cadena polipeptídica.
TRES SON LOS TIPOS DE RNA QUE SE FORMAN
1. EL ACIDO RIBONUCLEICO MENSAJERO (RNAm).- Lleva el mensaje genético que
codifica la producción de las distintas proteínas necesarias para la vida. Esta información
es recogida en TRIPLETES DE BASES (CODONES).
2. EL ACIDO RIBONUCLEICO RIBOSÓMICO (RNAr).- Es el encargado de la traducción del
mensaje del RNAm y lugar donde se lleva a cabo la polimerización de los aminoácidos.
Cosnta de dos subunidades que normalmente están separadas y, de acuerdo con su
constante de sedimentación, se denominan 50s, 30s en procariotas y 80s, 40s en
eucariotas. Existen dos lugares funcionales: AMINOACIL o aceptor donde se unen los
aminoácidos y PEPTIDIL o dador.
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3. EL
ACIDO
RIBONUCLEICO
DE
TRANSFERENCIA (RNAt).- Es el encargado
de transportar los aminoácidos necesarios al
ribosoma para realizar la síntesis de proteínas.
Consta de un extremo, donde existe un triplete
de bases, complementario a los distintos
codones (ANTICODÓN). De esta forma,
existen tantos tipos de RNAt como
aminoácidos. En otro de sus extremos se une
específicamente un aminoácido, que será
distinto según el triplete del anticodón.
EL PROCESO DE LA SÍNTESIS PROTEICA CONSTA DE TRES ETAPAS: INICIACIÓN,
ELONGACIÓN Y TERMINACIÓN
• INICIACIÓN.- Comienza con la disociación del ribosoma 70s en sus subunidades 30s y
50s. Luego, la subunidad 30s se une la RNAm. El aminoácido que comienza la síntesis, la
formilmetionina (fMet) en procariotas y metionina (Met) en eucariotas, se agrupan formando
el complejo de iniciación. Posteriormente se acopla el ribosoma 50s y se forma el 70s
funcionante.
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La subunidad ribosómica más pequeña se une al extremo 5' de una molécula de RNAm. La
primera molécula de RNAt, que lleva el aminoácido modificado fMet, se acopla con el
codón iniciador AUG de la molécula de RNAm. La subunidad ribosómica más grande se
ubica en su lugar, el complejo RNAt-fMet ocupa el sitio P (peptídil). El sitio A (aminoacil)
está vacante. El complejo de iniciación está completo ahora.
• ELONGACIÓN.- Se compone de una serie de estadíos repetitivos, que son el
RECONOCIMIENTO, TRANSFERENCIA y TRANSLOCACIÓN.
1. RECONOCIMIENTO.- Al ribosoma 70s con fmet (o Met) y su correspondiente RNAt se
une un nuevo aminoácido con su RNAt en el lugar A, determinado por el codón del
RNAm.
2. TRANSFERENCIA.- Mediante este proceso, el primer aminoácido (fMet) se une al
segundo y se inicia la cadena polipeptídica.
3. TRANSLOCACIÓN.- El ribosoma se mueve para leer el mensaje de otro codón; en este
proceso, la cadena polipeptídica pasa al lugar P: queda libre el RNAt que vehiculaba la
fMet, y el lugar A queda vacante para ser ocupado por otro RNAt con su aminoácido.
Estos pasos se repiten sucesivamente de forma continua hasta completar la síntesis de la
proteína.
Un segundo RNAt, con su aminoácido unido, se coloca en el sitio A y su anticodón se
acopla con el RNAm. Se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos reunidos en
el ribosoma. Al mismo tiempo, se rompe el enlace entre el primer aminoácido y su RNAt. El
ribosoma se mueve a lo largo de la cadena de RNAm en una dirección 5' a 3', y el segundo
RNAt, con el dipéptido unido, se mueve desde el sitio A al sitio P, a medida que el primer
RNAt se desprende del ribosoma. Un tercer aminoacil-RNAt se coloca en el sitio A y se
forma otro enlace peptídico. La cadena peptídica naciente siempre está unida al RNAt que
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se está moviendo del sitio A al sitio P y el RNAt entrante que lleva el siguiente aminoácido
siempre ocupa el sitio A. Este paso se repite una y otra vez hasta que se completa el
polipéptido.
• TERMINACIÓN.- El proceso termina en el lugar del RNAm, donde existe uno de estos
tripletes (codones), UAA, UAG o UGA, para los que normalmente no existe RNAt
correcpondiente (y por ello aminoácidos), y también gracias a la intervención de factores de
terminación al final quedan libres el polipéptido, el último RNAt, el ribosoma 70s y el RNAm.
Cuando el ribosoma alcanza un codón de terminación (en este ejemplo UGA), el polipéptido
se escinde del último RNAt y el RNAt se desprende del sitio P. El sitio A es ocupado por un
factor de liberación que produce la disociación de las dos subunidades del ribosoma.
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EL CODIGO GENETICO
INTRODUCCION
El código genético es la regla de correspondencia entre la serie de nucleótidos en que se
basan los ácidos nucleicos y las series de aminoácidos (polipéptidos) en que se basan las
proteínas. Es como el diccionario que permite traducir la información genética a estructura de
proteína. A, T, G, y C son las "letras" del código genético y representan las bases nitrogenadas
adenina, timina, guanina y citosina, respectivamente. Cada una de estas bases forma, junto
con un glúcido (pentosa) y un grupo fosfato, un nucleótido; el ADN y el ARN son polímeros
formados por nucleótidos encadenados.
Durante el proceso de traducción (síntesis de proteína) el mensaje genético es leído de una
cadena de ARN, colocando cada vez el aminoácido indicado por el codón siguiente según la
regla que llamamos código genético.
ES NUCLEÓTIDOS CONTIENEN LA INFORMACIÓN PARA UN AMINOÁCIDO
La unidad hereditaria que contiene la información para codificar un aminoácido es el CODÓN,
que está formado por tres nucleótidos (triplete). Esta información se transcribe en el ARN
mensajero (ARNm) que tiene una secuencia de bases complementarias a la del ADN. Tanto el
ADN como el ARN mensajero poseen sólo 4 bases diferentes, mientras que las proteínas
contienen 20 aminoácidos distintos.
El CODIGO GENÉTICO se lee en grupos de tres bases; EL TRIPLETE (CODÓN) es pues el
número menor de bases (o nucleótidos) capaz de codificar los aminoácidos, si el código
consistiera de dos bases, el número posible de codones 42 = 16 sería insuficiente; en cambio,
con tripletes el número posible de codones es de 43 = 64, que es suficiente. Si el código
genético fuera de 4 bases el número posible de codones sería excesivo (44 = 256).
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La longitud de la porción del gen que
codifica depende del número de
aminoácidos en la proteína. Por
ejemplo,
para
codificar
500
aminoácidos se necesitan 500
codones, o sea 1500 nucleótidos. La
lectura del mensaje se hace desde un
punto fijo de partida, y este sitio está
determinado por un codón de
iniciación especial.
La secuencia de codones determina la
de los aminoácidos en la proteína;
pero, por su parte, los aminoácidos
son
incapaces
de
reconocer
directamente
los
codones
correspondientes en el ARNm. Para
que esto ocurra se requiere la intervención de otra molécula que sirve como adaptador, el ARN
DE TRANSFERENCIA (ARNt). El ARNt tiene un sitio que se une al aminoácido y otro, el
ANTICODÓN, que reconoce al codón en el ARNm. CADA ANTICODÓN TIENE TRES
NUCLEÓTIDOS QUE SON COMPLEMENTARIOS DE LOS CODONES. La traducción del
mensaje, o sea, la síntesis de la proteína, se produce en los ribosomas, los que aseguran la
interacción ordenada de todos los componentes que intervienen en ella.
EL CÓDIGO GENÉTICO ES
INEQUÍVOCO, NO TRASLAPANTE,
SIN PUNTUACIÓN, DEGENERADO
Y UNIVERSAL
TRES CODONES no cifran para
aminoácidos específicos, estos han
sido llamados CODONES SIN
SENTIDO. Ellos son utilizados en la
célula como señales de terminación;
estas especifican donde detener la
polimerización de los aminoácidos en
la molécula de proteína. Los 61
codones restantes codifican para 20
aminoácidos. Así, debe haber una “DEGENERACIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO”; es decir
varios codones codifican para un mismo aminoácido, pero un aminoácido puede ser
decodificado por varios codones; por ejemplo, seis codones diferentes especifican serina. Otros
aminoácidos como metionina y triptofano, sólo tienen un codón. En general el tercer nucleótido
en un codón es menos importante que los otros dos para determinar el aminoácido específico
por ser incorporado y esto da cuenta de la mayor parte de la degeneración del código genético.
Sin embargo, para cualquier codón específico sólo está indicado un aminoácido único; EL
CÓDIGO GENÉTICO NO ES AMBIGUO, es decir, dado un codón específico, sólo un
aminoácido está determinado. La distinción entre ambigüedad y degeneración es un concepto
importante para ser enfatizado.
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El código genético no ambiguo, pero
degenerado, puede ser descrito en
términos moleculares. El reconocimiento
de codones específicos en el ARNm por
las moléculas adaptadoras del RNAt
depende de su región anticodón y de las
reglas de apareamiento de bases. Cada
molécula de ARNt contiene una
secuencia específica, complementaria
de UN CODÓN, llamado “ANTICODÓN”.
Para un codón dado en el ARNm, sólo
una única especie de molécula de ARNt
posee el anticodón apropiado. Dado que
cada molécula de ARNt puede ser
cargada por un solo aminoácido, cada
codón, por lo tanto, especifica
únicamente un aminoácido. Sin
embargo, algunas moléculas de ARNt
pueden utilizar el anticodón para
reconocer más de un codón. Con algunas excepciones, para un codón específico, sólo un
aminoácido específico será incorporado; aunque dado un aminoácido, más de un codón puede
requerirlo.
La lectura del código genético durante el proceso de la síntesis de proteínas no incluye traslapo
alguno de codones. Por tanto, el código genético no se traslapa. Además, una vez que se
comienza la lectura de un codón específico, no hay puntuación entre los codones y el mensaje
es leído en una secuencia
contínua de tripletes de
nucleótidos hasta que se
alcanza un codón sin
sentido
(codón
de
terminación).
Hasta hace poco, se pensó
que el código genético era
universal. En la actualidad
se ha desmostrado que el
conjunto de moléculas del
ARNt en las mitocondrias
(las cuales poseen su
propia y distinta maquinaria
de traducción) de eucariotas
inferiores y superiores,
incluyendo al ser humano,
leen cuatro codones de
modo diferente a las
moléculas de ARNt del
citoplasma, aún en las
mismas células. El CODÓN
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“AUA” se lee como Met (METIONINA) y el “UGA” codifica para Trp (TRIPTOFANO) en las
mitocondrias de los mamíferos. Además, los codones “AGA” y “AGG” son leídos como
CODONES DE TERMINACIÓN de cadenas más que como ARGININA. Como consecuencia,
las mitocondrias sólo requieren 22 moléculas de ARNt para leer su código genético en tanto
que en el citoplasma se tiene un complemento total de 31 especies de ARNt. Anotadas estas
excepciones EL CÓDIGO GENÉTICO ES UNIVERSAL. Los cuadros de uso de los codones se
están haciendo cada vez más exactos conforme aumenta la secuenciación de los genes. Su
importancia es grande debido a que con frecuencia los investigadores necesitan deducir la
estructura del ARNm a partir de la secuencia primaria de la proteína para sintetizar una sonda
de oligonucleótidos a iniciar un proyecto de clonación de ADN recombinante.
HAY 61 CODONES PARA CODIFICAR 20 AMINOÁCIDOS Y POR LO TANTO HAY
CODONES SINÓNIMOS
En 1964, ya se habían descrifrado los 64 codones posibles, 61 codones corresponden a los 20
aminoácidos y tres representan SEÑALES DE TERMINACIÓN de la síntesis.
Si existen 61 codones para los 20 aminoácidos, es evidente que varios tripletes pueden
codificar un mismo aminoácido, o sea que algunos tripletes SON SINÓNIMOS (degeneración
del código genético). Por ejemplo la prolina es codificada por CCU, CCA, CCG, CCC.
Observando este ejemplo y la primera tabla, se puede llegar a la conclusión de que la mayoría
de los casos los codones sinónimos sólo difieren en la última de las tres bases; en
consecuencia, las dos primeras son más importantes en la codificación. Por este motivo una
mutación que se produzca en la tercera base pasa inadvertida, ya que no cambia la
composición de los aminoácidos de la proteína. Los estudios sobre la secuencia del ADN han
confirmado que la célula utiliza todos los codones. Esto tiene una ventaja selectiva, puesto que
reduce el posible efecto de las mutaciones dañinas. Si muchos codones no se usaran, las
mutaciones podrían interferir más seriamente con la secuencia normal de la síntesis de
proteínas.
El uso de los 61 codones para los 20 aminoácidos plantea el problema de si hay un ARNt
especial para cada codón. Los estudios sobre ARNt han revelado que hay menos de 61 de
estas moléculas. Es preciso admitir pues que un ARNt puede reconocer más de un codón
(aunque siempre para el mismo aminoácido). Crack propuso que esto sería posible si la tercera
base del anticodón tuviera cierto grado de movimiento que le permitiese establecer puentes de
hidrógeno con otras bases que no fuesen las complementarias normales.
Esta hipótesis probó ser correcta. Y es así como G en la tercera posición puede aparearse con
Y o C en el ARNm, y U puede interaccionar con A o C.
EL CODÓN DE INICIACIÓN ES EL AUG Y EL DE TERMINACIÓN UAG, UAA y UGA
El ARNm se traduce en la dirección 5’
3’, la misma que se usó en la transcripción. La
cadena polipeptídica siempre se origina a partir del extremo que lleva el NH2 (amino terminal).
La “SEÑAL PARA LA INICIACIÓN” de la síntesis de proteínas es el CODÓN AUG, que tiene
una doble función. Cuando se halla en el comienzo del mensaje, el AUG representa el CODÓN
DE INICIACIÓN, que en las bacterias (procariotas) codifica la N – formilmetionina (F- met);
mientras que cualquier otra posición codifica metinina. En los mensajeros de eucariotas el
comienzo es también por el codón AUG, que utiliza un ARNt especial que dirige la
incorporación de la metionina en vez de f – met.
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La SEÑAL DE TERMINACIÓN está dada por los codones UAG, UAA y UGA, denominados
CODONES SIN SENTIDO. Cuando al ribosoma llega el codón de terminación, la cadena
polipeptídica se completa y es liberada. LOS CODONES UAG, UAA y UGA no son reconocidos
por ARNt especiales, pero si por ciertas proteínas, los FACTORES DE LIBERACIÓN, que
ayudan en la terminación de la síntesis de proteínas.
La DEGENERACIÓN DEL CÓDIGO GENÉTCIO reside en su mayor parte en el último
nucleótido del triplete codón, sugiriendo que el apareamiento de bases entre este último
nucleótido del triplete codón, sugiriendo que el apareamiento de bases entre este último
nucleótido y el nucleótido correspondiente del anticodón no es estricto. Este fenómeno se
denomina “BAMBOLEO”; el apareamiento del codón y del anticodón puede bambolearse en
este sitio de apareamiento específico de nucleótido a nucleótido. Por ejemplo los dos codones
para la arginina, AGA, AGG, se pueden unir al mismo codón que tiene uracilo en su extremo 5’.
De manera semejante tres codones para la glicina, GGU, GGC y GGA pueden formar un par de
bases a partir de un anticodón CCI. I es un nucleótido de INOSINA, una de las bases
peculiares que aparecen en las moléculas de ARNt.
El código de tres nucleótidos, o código de tripletes, fue ampliamente adoptado como hipótesis
de trabajo. Sin embargo, su existencia no fue realmente demostrada hasta que el código fue
finalmente descifrado, una década después que Watson y Crack presentaran por primera vez
su modelo de la estructura del ADN.
De todas maneras, aunque existen desviaciones del código universal, éstas son sólo
variaciones menores. La casi universalidad del código indica un origen único. Si bien las
variaciones ocasionales muestran que las asignaciones de codones pueden cambiar, estos
cambios ocurren muy raramente; aunque en la evolución temprana del código, estos cambios
podrían haber sido más frecuentes.
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LA REGULACIÓN GENÉTICA
INTRODUCCION
¿Por qué las células PROCARIOTAS y las EUCARIOTAS tienen estrategias claramente
destintas para regular la actividad de sus genes?
En gran medida, estas diferencias reflejan las formas en que los organismos llevan su propia
vida. Como las células bacterianas existen de manera independiente, cada célula debe ser
capaz de realizar todas sus funciones esenciales. Y dado que se desarrollan con rapidez y
tienen tiempo de vida relativamente breve, portan poco “exceso de equipaje”.
El tema dominante en la REGULACIÓN GENÉTICA de los PROCARIOTAS es “economía”, y
controlar la transcripción suele ser la forma más eficaz en términos de costo para regular la
expresión genética. La organización de genes relacionados en operones que pueden activarse
y desactivarse como unidades permite a estas células sintetizar sólo dos productos genéticos
requeridos en un momento dado. Para este tipo de regulación es necesario un rápido recambio
de ARNm, de modo que los mensajes no se acumulen y no sigan siendo traducidos cuando no
se les requiere. Las bacterias rara vez regulan las concentraciones de enzimas degradando
proteínas. Una vez que la síntesis de una proteína concluye, las moléculas proteínicas
sintetizadas con anterioridad se diluyen tan rápido en las subsecuentes divisiones celulares que
no suele ser necesario degradarlas. Sólo cuando las células padecen inanición o se privan de
aminoácidos esenciales se emplean enzimas que digieren proteínas a fin de degradar las que
ya no son necesarias para la supervivencia, y sus aminoácidos se recirculan.
Las CÉLULAS EUCARIOTAS tienen diferentes requerimientos reguladores. En los organismos
multicelulares, grupos de células cooperan entre sí en una división del trabajo. Como un solo
gen puede requerir regulación de diferentes formas en varios tipos de células, la regulación de
genes eucarióticos es compleja y se realiza no sólo a nivel de la transcripción, sino también a
otros niveles de expresión genética. Además las células eucariotas suelen tener ciclos de vida
largos, durante los cuales deben reaccionar en forma repetida a diversos estímulos. En lugar
de sintetizar nuevas enzimas cada vez que reaccionan a un estímulo, estas células hacen
amplio uso de enzimas preformadas y otras proteínas que pueden pasar con rapidez de un
estado inactivo a otro activo.
En los organismos multicelulares, la regulación genética se basa fundamentalmente en la
especificidad de la forma y la función de las células de cada tejido. Cada tipo de célula tiene
determinados genes activos y otros que tal vez nunca se utilicen. Al parecer, las ventajas
adaptativas de la cooperación celular en los eucariotas superan, con mucho, a los efectos
adversos de portar una carga de genes inactivos a través de muchas divisiones celulares.
Las células cuentan con dos maneras básicas de controlar su actividad metabólica: pueden
regular la actividad de algunas enzimas o controlar el número de enzimas presentes.
La regulación implica interacciones entre el ambiente químico de la célula y proteínas
reguladoras especiales, codificadas por genes reguladores. Por ejemplo, las células de
Escherichia coli abastecidas con el disacárido lactosa como fuente de carbono y energía,
requieren de la enzima beta-galactosidasa para escindir (partir, dividir) ese disacárido. Las
células que crecen en un medio con lactosa fabrican aproximadamente 3,000 moléculas de
beta-galactosidasa. Sin embargo, en ausencia de lactosa hay un promedio de una molecula de
enzima por célula. En conclusión, la presencia de lactosa provoca la inducción de la producción
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de las moléculas de enzima necesarias para degradarla. Se dice, entonces, que estas enzimas
son INDUCIBLES.
Por el contrario, la presencia de un nutriente determinado puede inhibir la transcripción de un
grupo de genes estructurales. La Escherichia coli, como otras bacterias, puede sintetizar cada
uno de sus aminoácidos a partir de amoníaco y de una fuente de carbono. Los genes
estructurales que codifican las enzimas necesarias para la biosíntesis del aminoácido
triptófano, por ejemplo, están agrupadas y se transcriben en una única molécula de ARNm.
Este ARNm es producido continuamente por células en crecimiento si el triptófano no está
presente. En presencia de triptófano, se detiene la producción de las enzimas. Estas enzimas,
cuya síntesis se reduce en presencia de los productos de las reacciones que catalizan, se
denominan REPRESIBLES.
1. La velocidad de síntesis de beta-galactosidasa, una enzima inducible producida por
Escherichia coli, se incrementa dramáticamente cuando se añade lactosa al medio de
crecimiento circundante. En tanto la lactosa sea abundante en el medio, la producción de
enzima continúa a su velocidad máxima. Sin embargo, cuando se elimina la lactosa del
medio, la velocidad de síntesis de beta-galactosidasa cae inmediatamente.
2. En ausencia de un sustrato esencial, como el aminoácido triptófano, las enzimas requeridas
para su producción se sintetizan a velocidad máxima. Sin embargo, si se añade triptófano
al medio, la síntesis de estas enzimas se reprime rápidamente.
EL SISTEMA DE OPERONES
Todas las células presentan mecanismos para regular la expresión de los genes. De esta
manera, las células procariotas y eucariotas, sintetizan en cada momento solamente aquellos
elementos que necesitan.
A principio de los años sesenta, JACOB y MONOD, del “Instituto Pasteur de París”, propusieron
un modelo denominado OPERÓN para la regulación de la expresión génica en las bacterias.
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En CADA OPERÓN se diferencian DOS CLASES DE GENES:
1. Los GENES ESTRUCTURALES (E1, E2, E3…), que codifican proteínas, participantes en
un determinado proceso bioquímico.
2. Un GEN REGULADOR (R), que codifica a una proteína represora (PR) que puede
encontrarse en la forma activa o inactiva y es el agente que controla materialmente la
expresión.
Existen además DOS REGIONES que intervienen en la regulación:
1. El PROMOTOR (p), es una zona donde se une la ARN-polimerasa y decide el inicio de la
transcripción.
2. El OPERADOR (O), que posee una secuencia reconocida por la “proteína represora
activa”, cuando se bloquea el operador con la proteína represora, impide el avance de la
ARN-polimerasa y la transcripción se interrumpe, con lo que se origina el proceso conocido
como represión génica.
Un medio principal de regulación genética en las bacterias es el sistema operón. Un operón
comprende al promotor, a los genes estructurales y el operador.
Los genes estructurales del operón codifican un grupo de proteínas funcionalmente
relacionadas y se transcriben como una sola molécula de ARNm. La transcripción es
controlada por secuencias en el promotor y en el operador, adyacentes a los genes
estructurales y capaces de unir proteínas específicas. El promotor contiene un sitio de unión a
la ARN-polimerasa y puede contener un sitio de unión para el complejo CAP-AMP CICLICO. El
operador es el sitio de unión para un represor, proteína codificada por otro gen, el regulador,
que puede estar localizado a cierta distancia en el cromosoma bacteriano. El operador se
puede superponer con el promotor, con el primer gen estructural, o con ambos; cuando el
represor se une a la molécula de ADN en el sitio operador, la ARN-polimerasa no puede iniciar
la transcripción del ARNm. Cuando el represor no está presente, la ARN-polimerasa puede
unirse al ADN y comenzar su movimiento a lo largo del cromosoma permitiendo que ocurra la
transcripción y la síntesis de proteínas.
El OPERÓN LAC es un ejemplo de un OPERÓN INDUCIBLE. Pasa de “DESCONECTADO” A
“CONECTADO” cuando un inductor se une al represor y lo inactiva. Otros operones, como el
OPERÓN TRP, son OPERONES REPRESIBLES. Estos pasan de “CONECTADO” a
“DESCONECTADO” por la acción de un correpresor, que se une a un represor inactivo. Éste
activa al represor y se une al operador. Tanto la inducción como la represión son formas de
regulación negativa.
La regulación positiva de algunos operones la suministra la unión del complejo CAP-AMPc. Por
ejemplo, cuando hay glucosa en la célula, los niveles de AMP cíclico son bajos y el complejo
CAP-AMPc no se forma. Cuando la glucosa se agota, aumentan los niveles de AMPc y se
forman complejos CAP-AMPc que se unen luego al promotor. Con la lactosa presente (y el
represor inactivo) y el complejo CAP-AMPc en su lugar, la ARN-polimerasa también se une al
promotor y ocurre la transcripción desde el operón.
En un operón, la síntesis de proteínas está regulada por interacciones que involucran a un
represor y a un inductor o bien a un represor y a un correpresor.
o En los SISTEMAS INDUCIBLES, como el OPERÓN LAC, la molécula del represor es
activa, hasta que se combina con el inductor (en este caso, alolactosa).
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o En los SISTEMAS REPRESIBLES, como el OPERÓN TRP, el represor se activa sólo
cuando se combina con el correpresor.
Los operones inducibles y represibles son ambos desconectados por proteínas represoras
codificadas por genes reguladores. El represor se une al ADN en el operador y evita, de esta
forma, que la ARN-polimerasa inicie la transcripción.
En los operones inducibles, el inductor contrarresta el efecto del represor uniéndose a él
y manteniéndolo en una forma inactiva. Así, cuando el inductor está presente, el represor
ya no puede unirse al operador y pueden proseguir la transcripción y la traducción
1. La INDUCCIÓN ENZIMÁTICA, como en el caso del operón lactosa, que regula la síntesis
de las enzimas encargadas de metabolizar la lactosa.
Las tres enzimas necesarias para la utilización de la lactosa son:
o BETA-GALACTOSIDASA
o BETA-GALACTOSIDO PERMEASA
o TRANSACETILASA
La síntesis de todas ellas Regulada de manera coordinada por una unidad denominada
OPERÓN. El “operón lactosa” está compuesto por tres genes estructurales, Z, Y y A, que
codifican las tres enzimas mencionadas y por dos elementos reguladores, el PROMOTOR
(P) y el OPERADOR (O). Los genes para las tres enzimas siempre son transcritos a la vez
en un solo ARNm policistrónico, lo que implica por que siempre se expresan juntos.
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Como puede verse en el esquema, cuando aparece la lactosa (molécula inductora), se
une a la proteína represora inactivándola; entonces el complejo inductor-represor se
separa del operador, permitiendo el funcionamiento del operón.
EL INDUCTOR SE UNE A LA PROTEÍNA REPRESORA
La afinidad de la unión del represor al operador está regulada por el INDUCTOR, una
pequeña molécula que puede unirse al represor. El inductor natural del operón lactosa es la
AALOLACTOSA, un metabolito de la lactosa; cada subunidad del represor tiene un sitio de
unión para el inductor, que provoca un cambio conformacional por el cual el represor no
puede unirse al operador. De esta manera la presencia del inductor permite la transcripción
del operón LAC, que ya no es bloqueado por el represor.
LOS REPRESORES SE UNEN DENTRO DE LOS PROMOTORES A IMPIDEN LA
INSERCIÓN DE LA ARN POLIMERASA
El PROMOTOR (P) es el segmento de ADN donde se fija la ARN-polimerasa al iniciarse la
transcripción. La ARN-polimerasa se une a una región de aproximadamente
80mnucleótidos de ADN y, el sitio de unión de la ARN-polimerasa se superpone a la región
cubierta por el represor (es decir, el operador). Experimentos “IN VITRO” han demostrado
que el represor unido al operador bloquea la fijación de la ARN-polimerasa. En
consecuencia la forma como funcionan los represores es muy simple; se unen al promotor
e impiden la fijación de la ARN-polimerasa.
2. La REPRESIÓN ENZIMÁTICA, el ejemplo es el operón triptófano, que regula la síntesis de
las enzimas que intervienen en la síntesis del triptófano.
El OPERÓN TRIPTÓFANO codifica las cinco enzimas que se requieren para la síntesis de
este aminoácido. Desde hace mucho tiempo se sabía que la expresión de este operón era
regulada por el nivel de triptófano en el medio de cultivo, y que su presencia producía
“represión” de la síntesis de enzimas Trp. Este otro mecanismo que permite la síntesis de
enzimas únicamente cuando las necesita.
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En los operones represibles, en ausencia del correpresor, el represor se encuentra
inactivo. En este estado, la transcripción y la traducción ocurren permanentemente. En
presencia de un correpresor, se forma un complejo represor-correpresor y el represor
se activa. Así puede unirse al operador bloqueando la transcripción.
También puede explicarse la represión enzimática sobre la base de un modelo parecido al
descrito para la inducción enzimática en el operón lactosa. En la represión enzimática el
gen regulador produce una proteína que normalmente es inactiva. El represor, al unirse con
un metabolito denominado “CORREPRESOR” (en este caso el aminoácido triptófano) sufre
un cambio de configuración que le permite unirse al operador e inhibir la unión de la ARN–
polimerasa al promotor Trp. La afinidad del represor para unirse al operador es
normalmente baja, pero aumenta por la acción del correpresor. Esto es lo contrario de lo
que ocurre con el operón lac, que tiene actividad propia y pierde afinidad por el operador
cuando se une al inductor.
MECANISMO DEL OPERON
La transcripción de los genes estructurales depende frecuentemente de la actividad de otro
gen, EL REGULADOR, que puede estar localizado en cualquier lugar del cromosoma
bacteriano. Este gen codifica para una proteína llamada REPRESOR(A), que se une al
OPERADOR. Cuando un REPRESOR está unido al OPERADOR, obstruye al PROMOTOR. En
consecuencia, la ANR-polimerasa no puede unirse a la molécula de ADN, o, si se une, no
puede comenzar su movimiento a lo largo de la molécula. El resultado en cualquier caso es el
mismo: “no hay transcripción del ARNm”. Sin embargo, cuando se remueve el represor puede
comenzar la transcripción.
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La capacidad del REPRESOR para unirse al OPERADOR y así bloquear la síntesis de
proteínas depende a la vez de otra molécula que funciona como un EFECTOR. Dependiendo
del operón, el efector puede activar o bien inactivar al represor para ese operón en particular.
Por ejemplo cuando está presente la lactosa en el medio de cultivo, el primer paso en su
metabolismo produce un azúcar íntimamente relacionado, la ALOLACTOSA que se une al
REPRESOR y lo inactiva, separándolo del OPERADOR del operón lactosa.
Como resultado de esto, la ARN-polimerasa puede comenzar su movimiento a lo largo de la
molécula de ADN, transcribiendo los genes estructurales del operón en ARNm. En el caso del
operón triptófano (trp), la presencia del aminoácido activa al represor, que luego se une al
operador y bloquea la síntesis de las enzimas innecesarias. Tanto la alolactosa como el
triptófano, así como las moléculas que establecen interacciones con los represores de otros
operones, son efectores alostéricos, que ejercen sus efectos causando un cambio en la
configuración de la molécula del represor.
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FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA Y FARMACIA
SECCIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
ASIGNATURA
BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR
Contenido:
• CAPITULO TRES
: “EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA”
o Reproducción celular: Ciclo celular, mitosis y meiosis
o Flujo de la información genética: Replicación, transcripción y traducción
El código genético y la regulación genética
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CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
CAPÍTULO TRES
1. Con respecto al proceso de MEIOSIS, escribir en las líneas punteadas la etapa que usted cree que es la
correcta:
…………………
……….………..
……..……..…….
…………………
PROFASE I
METAFASE I
ANAFASE I
TELOFASE I
PROFASE II
METAFASE II
ANAFASE II
TELOFASE II
2. La UNIDAD HEREDITARIA que contiene la información genética para codificar un aminoácido es el (la):
A. RNAm
B. Nucleótido
C. Codón
D. RNAt
E. Anticodón
3. Es llamado CODÓN SIN SENTIDO:
A. UAU
B. AUG
C. GUA
D. AGU
E. UAG
4. Los espacios que van quedando entre los SEGMENTOS DE OKASAKI son completados por la:
A. DNA girasa B. DNA polimerasa III C. RNA polimerasa
D. Helicasa
E. DNA polimerasa I
5. Periodo más importante de la INTERFASE DEL CICLO CELULAR:
A. Periodo G1
B. Periodo G2
C. Periodo So
6. El CROSSING OVER (recombinación) tiene lugar durante el (la):
A. Paquinema
B. Leptonema
C. Cigonema
D. Periodo S1
D. Diplonema
E. Periodo S
E. Diacinesis
7. Fase de la MEIOSIS durante la cual las cromátidas hermanas de cada homólogo, unidas por sus
centrómeros se dirigen a sus respectivos polos:
A. Metafase I
B. Profase II
C. Telofase I
D. Anafase I
E. Anafase II
8. Grupo de genes que se encuentran muy próximos entre sí en el DNA y que pueden ser controlados
(activados o desactivados) de una manera unificada:
A. Genes reguladores B. Genes estructurales C. Gen operador D. Gen promotor E. Gen represor
9. En el operón lactosa, es la proteína que impide el proceso de transcripción:
A. Proteína activa
B. Proteína inductora
C. Proteína represora
E. Proteína reguladora
D. Proteína estructural
10. ENUNCIADO.-Conteste usted correctamente las preguntas que se le presentan a continuación,
encerrando en un círculo la letra que usted crea conveniente:
“ERITROMICINA”
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Acción farmacológica.- Antibacteriano, la eritromicina es un antimicrobiano macrólido. Sin embargo puede ser
bactericida en altas concentraciones o cuando es usado contra organismos altamente susceptibles. Se cree que
penetra la membrana celular bacteriana y se une de manera reversible a la subunidad 50 S de los ribosomas
bacterianos; no inhibe directamente la formación de péptidos, pero inhibe más bien la translocación de péptidos
del sitio aceptor sobre el ribosoma del sitio donador, inhibiendo subsecuentemente la síntesis de proteínas.
¿Cuál es la acción farmacológica precisa del la “eritromicina”?
A. Inhibe la unión del codón del ARN de transferencia con el anticodón del ARN mensajero.
B. Inhibe la unión del aminoácido del punto “P” con el aminoácido del punto “A”, dentro de un ARN ribosómico.
C. Inhibe que todo lo que está en el punto “P” (luego de ser leído) salga, para que lo que está en el punto “A”
pase al punto “P” (dentro de un mismo rIbosoma).
D. Inhibe la unión del codón del ARN mensajero con el anticodón del ARN de transferencia.
E. Inhibe la formación del enlace peptídico entre dos aminoácidos consecutivos.
F. Inhibe que todo lo que está en el punto “A” (luego de ser leído) salga, para que lo que está en el punto “P”
pase al punto “A” (dentro de un mismo rIbosoma).
RESPUESTAS:
01. ANAFASE I, TELOFASE II, PROFASE I, ANAFASE II
02. C
03. E
04. E
05. E
06. A
07. D
08. B
09. C
10. C
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y WEBGRAFÍAS
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Lumbreras Editores, Lima – Perú.
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o De Robertis, E. y E. De Robertis 1997. Biología Celular y Molecular. 12ava edición.
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Ciencias
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o Proyecto biósfera. Ministerio de Educación y Ciencia (Biología y Geología). España.
http://www.recursos.cnice.mec.es/.../recursos_galeria2.htm
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