Base molecular de la información genética

LA INFORMACIÓN GENÉTICA: BASE MOLECULAR Y
CONSERVACIÓN
1. La base molecular de la información genética.
Desde el nacimiento de la genética mendeliana, el concepto de gen ha evolucionado
notablemente. Así, los trabajos de Gregor Mendel de 1866, redescubiertos a final de ese siglo,
se refieren a unos factores hereditarios (genotipo) responsables de los caracteres morfológicos y
fisiológicos (fenotipo) y de su transmisión de generación en generación a través de los gametos,
pero desconocían su naturaleza física y localización.
En los primeros años del siglo XX, varios investigadores establecen la
correspondencia entre los cromosomas y los factores hereditarios y, después, que es el
ADN el portador de la información genética:
- Morgan, en 1905, realiza la comprobación experimental de lo que se conoce como
teoría cromosómica de la herencia, que afirma que los caracteres
hereditarios se deben a unidades materiales llamadas genes dispuestos
linealmente unos a continuación de otros en los cromosomas. El conjunto
de todos los genes constituye el genoma.
- Experimentos de Griffith sobre transformación bacteriana (1928).
Estudió la virulencia de dos cepas (S y R) del neumococo Diplococcus
pneumoniae (Streptococcus pneumoniae), la bacteria causante de la
neumonía. Observó que los ratones a los que inyectaba bacterias S
(virulentas, capsuladas), morían a los pocos días, mientras que aquellos a
los que inyectaba bacterias R (no virulentas, sin cápsula), permanecían
sanos. Comprobó que si inyectaba formas no virulentas junto con formas
virulentas muertas por calor, los ratones enfermaban y, además, contenían
neumococos S vivos. Dedujo que las bacterias S virulentas muertas por
calor podían transmitir un factor transformante a las R que las convertía en
patógenas (les permitía fabricar la cápsula de naturaleza polisacarídica).
- Experimentos de Avery y sus colaboradores (1944). Intentaron aislar y
determinar el factor transformante de Griffith. Para ello cultivaron las
bacterias en tubos de ensayo. Degradaron primero el polisacárido, pero
comprobaron que se seguía produciendo la transformación. Después
destruyeron el ARN y se repitió la transformación. Por último, destruyeron
el ADN y, por fin, comprobaron que ya no se producía la transformación
de la cepa R en S. A la vez, comprobaron que las bacterias pueden
intercambiar información genética (transformación).
- Chargaff (1950) demostró que la composición del ADN es diferente en
cada especie y que la proporción de bases púricas (adenina y guanina) era
la misma que la de bases pirimidínicas (citosina y timina).
- Experimentos de Hershey y Chase (1952). Hicieron crecer una población
del bacteriófago T2 (virus que parasita bacterias) en un medio con fósforo
radiactivo para marcar selectivamente el ADN; y marcaron con azufre
radiactivo las proteínas que formaban la cápsida en otra población de
bacteriófagos. Cuando los fagos con proteínas marcadas infectaban
bacterias, el azufre no aparecía ni en las bacterias ni en los nuevos fagos.
Sin embargo, al infectarlas con fagos que tenían fósforo radiactivo, éste
aparecía tanto en las bacterias como en los nuevos fagos. Así probaron que
el material genético es el ADN.
- Watson y Crick (1953): la doble hélice. Franklin y Winkins estudiaron el
ADN utilizando el método de la difracción de rayos X. Basándose en estos
estudios y en los datos de Chargaff, Watson y Crick formularon el modelo de la doble
hélice para el ADN: la doble cadena estaría formada por dos cadenas antiparalelas y
complementarias, en las que se enfrentarían A=T y C=G, corroborando que la
información genética está contenida en la secuencia exacta de nucleótidos del ADN.
2. Conservación de la información genética. La replicación del ADN.
2.1. Características de la replicación.
La duplicación del ADN es el paso previo necesario para que la célula madre pueda ceder la
misma información genética a sus dos células hijas.
Se propusieron tres posibles formas diferentes de replicación del ADN. La hipótesis
conservativa suponía que la doble cadena original se mantenía y se sintetizaba una doble cadena
complementaria nueva (una de las células hijas se lleva la doble hélice antigua y la otra se lleva
la doble hélice de nueva formación). La semiconservativa, propuesta por Watson y Crick,
consideraba que una de las hebras de cada doble hélice procedía de la original, mientras que la
otra se sintetizaba nuevamente. La hipótesis dispersiva suponía que en cada doble hélice
existían fragmentos de la original y fragmentos nuevos. La confirmación experimental de la
duplicación semiconservativa del ADN se debe a las experiencias realizadas por Meselson y
Stahl (1958). Tras cultivar bacterias E. coli en un medio con N15 (pesado) para permitir que todo
el nitrógeno de su ADN fuera pesado, pasó el cultivo a un medio con N14 (ligero) para que los
siguientes ciclos de replicación usaran el nitrógeno ligero. Comparó la densidad del ADN inicial
con el ADN de sucesivas generaciones y corroboró que el mecanismo de duplicación es
semiconservativo, es decir, que la doble cadena de una molécula, que podemos llamar ADN
materno, da lugar a dos dobles cadenas hijas, cada una de las cuales conserva una cadena
materna intacta, mientras que la otra es de nueva síntesis. Según este modelo, la doble hélice del
ADN se abre como una cremallera para su replicación y presenta varias características
importantes:
- Es semiconservativa. Cada molécula de ADN está constituida por una cadena de ADN original
y otra recién formada.
- Se produce por adición de mononucleótidos en el sentido 5’ → 3’.
- Es bidireccional: a partir de un punto cualquiera del cromosoma, la replicación avanza en
ambos sentidos, formándose dos horquillas de replicación.
- En virus y bacterias hay un único punto de inicio, mientras que en células eucariotas, al ser de
mayor longitud su ADN, existen varios puntos de inicio.
- Es semidiscontinua. En una cadena, llamada conductora, se sintetizan fragmentos de ADN
bastante largos de forma continua, mientras que en la otra, llamada retardada, la síntesis es
discontinua, es decir, se forman pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki).
El proceso tiene analogías y diferencias entre organismos procariotas y eucariotas. Se ha
estudiado con gran detalle en bacterias (procariotas).
2.2. Los enzimas de la replicación.
La duplicación del ADN es un proceso bastante complejo en el que intervienen numerosas
proteínas con actividad enzimática:
· Primasas (ARN polimerasas). Sintetizan ARN cebador usando como molde una cadena de
ADN.
· Helicasas. Rompen puentes de hidrógeno entre las dos cadenas complementarias y las separan
para que sirvan de molde: desenrollan la hélice de ADN.
· Topoisomerasas. Rompen las cadenas de ADN y luego las vuelven a unir eliminando las
tensiones que originan las helicasas al desenrollar la doble hélice.
· Proteínas SSB. Se unen a las cadenas sencillas de ADN en sitios en los que se ha desenrollado
la hélice molde, para impedir que se enrolle el ADN y permitir que se copie.
· Nucleasas. Rompen los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos: separan nucleótidos, de uno en
uno, empezando por el extremo hidroxilo libre 3’, o por el 5’, según el tipo de nucleasa.
· Ligasas. Unen los fragmentos de ADN adyacentes mediante enlaces fosfodiéster: sellan los
huecos existentes entre los fragmentos de Okazaki.
· ADN polimerasas. Catalizan la formación de enlaces fosfodiéster entre nucleótidos,
utilizando desoxirribonucleótidos trifosfato que aportan la energía necesaria, y liberando
pirofosfato inorgánico (dos moléculas de ácido fosfórico unidas). Hay varios tipos:
- En procariotas hay cinco tipos de ADN polimerasas, I, II, III, IV y V, cada uno con
una función definida.
- En eucariotas hay otras cinco ADN polimerasas, α, ß, γ, δ y ε, cada una también con su
función específica.
2.3. La replicación del ADN en procariotas.
· Inicio. En los procariotas, la duplicación comienza a partir de un único punto de la molécula
desnuda que forma el cromosoma circular, donde hay una determinada secuencia de nucleótidos
que actúa como señal de iniciación (abundan las secuencias de bases GATC). Ciertos factores
proteicos, las proteínas SSB reconocen este punto y favorecen la acción de helicasas y
topoisomerasas que deshacen la estructura helicoidal. Como el proceso es bidireccional, hay una
helicasa actuando en un sentido y otra en el opuesto. Se forma así una burbuja de replicación en
la que hay dos zonas en forma de “Y”, llamadas horquillas de replicación, donde se sintetizan
las nuevas cadenas de ADN.
· Elongación. A continuación, una primasa (o ARN polimerasa dependiente de ADN) va
emparejando y añadiendo ribonucleótidos 5' → 3' mientras lee la cadena de ADN de sentido
3' → 5' formando un fragmento de ARN de unos 40 o 50 nucleótidos (ARN cebador). Sobre
este ARN cebador se
fija la ADN
polimerasa-III que
comienza a añadir
desoxirribonucleótidos
complementarios a los
de la cadena 3' → 5', en
sentido contrario
(5’→ 3’). Al mismo
tiempo, en la otra
cadena sucede lo
mismo pero en sentido
opuesto, es decir, la
dirección de avance de
la ADN polimerasa III
sigue siendo 3' → 5'.
Se empieza a formar
una “V” u horquilla de
replicación, que
progresa a derecha e
izquierda conforme
avanza el proceso, tomando el conjunto el aspecto de una burbuja de replicación.
Una cadena, llamada conductora, se sintetiza de forma continua y la otra, llamada retardada, lo
hace de forma discontinua y con cierto retraso con respecto a la primera: cuando la horquilla se
ha abierto un tramo, empieza la síntesis de la otra cadena, con la formación de un pequeño
fragmento de ARN (5' → 3'), el efecto es como si se echara marcha atrás desde el vértice de la
horquilla hacia el punto de iniciación. A este ARN se une otro fragmento corto de ADN, por
acción de la polimerasa-III, también con su mismo sentido (5' → 3') y el proceso se repite hasta
completar la parte abierta de la horquilla. Éstos son los llamados fragmentos de Okazaki (con
1.000 o 2.000 nucleótidos de ADN y el fragmento cebador de 40 o 50 nucleótidos de ARN).
Después, se repite el avance de la polimerasa-III abriendo un nuevo tramo de horquilla y así
sucesivamente. A continuación, los trozos de ARN cebadores de los fragmentos de Okazaki son
retirados por la ADN polimerasa-I que los sustituye por fragmentos de desoxirribonucleótidos.
Finalmente, las ADN ligasas unen unos fragmentos con otros. Conforme avanza la horquilla, la
parte ya duplicada de cadenas hijas se va plegando de nuevo para formar cada una la doble
hélice, hasta que terminan por separarse y repartirse entre las células hijas cuando se produzca la
división celular.
· Terminación. Tiene lugar cuando las dos horquillas de replicación del cromosoma circular de
Escherichia coli se encuentran, y se han formado dos cromosomas circulares completos que
permanecen ligados.
La replicación es fiel a las cadenas originales prácticamente en un 100% (en Escherichia coli se
comete un error cada 109 o 1010 nucleótidos incorporados) gracias a procesos que tratan de
prevenirlos (las ADN-asa I y ADN-asa III) y otros que los corrigen una vez producidos.
2.4. La replicación del ADN en eucariotas.
Aunque el proceso es similar en células eucariotas, existen diferencias significativas,
relacionadas con el mayor tamaño y la mayor complejidad del material genético de los
eucariotas:
- La asociación con las histonas formando los nucleosomas, dificulta la acción de las ADN
polimerasas.
- La cantidad de ADN en eucariotas es mucho mayor (50 mm, frente a 1 mm de longitud), por
lo que en eucariotas existen muchos replicones (cada uno con un punto de origen y dos puntos
de terminación), mientras que en procariotas hay un solo punto de origen.
- El tamaño de los fragmentos de Okazaki es diferente: de 1.000 a 2.000 nucleótidos en
procariotas, y de 150 a 200 en eucariotas.
- La replicación tiene lugar en el citosol en procariotas, y en el interior del núcleo en el caso de
eucariotas.
- Las ADN polimerasas son diferentes. Además, la cadena conductora y la retardada son
sintetizadas por la misma polimerasa en procariotas, ADN-asa III, mientras que en eucariotas lo
hacen dos tipos diferentes (ADN-asa α y ADN-asa δ).
La replicación de los telómeros en eucariotas no puede completarse porque después de
eliminar el último ARN cebador de la cadena retardada, la ADN-asa no puede rellenar el hueco,
ya que es incapaz de sintetizar en sentido 3' → 5'.