Genética molecular

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El ADN como portador de la información genética
La Biología molecular se ocupa del estudio de los mecanismos responsables de la transmisión y expresión de la información genética, que en última instancia determinan las funciones y estructuras celulares.

El primer problema al que se enfrentó la Biología Molecular fue el de identificar la molécula responsable de la conservación, transmisión y expresión de la información genética, es decir la naturaleza molecular del gen. La respuesta a dicha cuestión vino gracias a los experimentos realizados por Griffith en 1928, por Avery, MacLeod y McCarty en 1944, y por Hershey y Chase en 1952.

Estos experimentos condujeron a la aceptación de que el ADN es el material genético de las células.

Según la teoría cromosómica de la herencia de Morgan, los genes son fragmentos de cromosomas ubicados en forma lineal y posiciones fijas. La demostración de que el ADN es el material genético de las células permitió esclarecer la naturaleza molecular del gen.

Un gen es una secuencia lineal de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula (ARN y proteínas) con una función celular específica. El gen representa la unidad de almacenamiento de información genética y la unidad de herencia, al transmitir esa información a la descendencia.

Todas las funciones celulares están mediadas por la síntesis de ARN y proteínas, lo que depende tanto del conjunto de genes como de los genes que se expresan en cada momento.

En 1958, el biólogo molecular inglés Francis Harry Compton Crick (1916-2004) propuso la hipótesis de la secuencia, según la cual «existe una relación entre la ordenación lineal de nucleótidos en el ADN y la ordenación lineal de aminoácidos en los polipéptidos». La conversión de la información contenida en una secuencia de ADN en una proteína concreta es lo que se denomina expresión génica, e implica dos pasos consecutivos que, junto con la replicación del ADN, constituyen el dogma central de la biología molecular:
·Transcripción del ADN (gen). El primer paso en la expresión génica es la transcripción del ADN (gen) en ARN. En este punto se produce el primer nivel de regulación de la misma.
·Traducción de la información del ARN. El segundo paso en la expresión génica es la traducción de la información del ARN transcrito en el paso anterior en una proteína concreta. En este punto también existen mecanismos de regulación de la expresión génica, aunque la forma más habitual de regulación es a través de procesos que controlan la actividad de las proteínas después de haber sido sintetizadas.
Transcripción en Procariotas
En 1955, el médico y bioquímico asturiano Severo Ochoa de Albornoz (1905-1993) descubrió y aisló una enzima de la bacteria Escherichia coli, que denominó polinucleótido-fosforilasa y que en 1960 fue estudiada e identificada por el bioquímico norteamericano Jerard Hurwitz (1928) como la enzima responsable de la síntesis del ARN: la ARN polimerasa.

La ARN polimerasa es una enzima que cataliza la unión, en sentido 5 ? 3, de ribonucleótidos trifosfato para formar cadenas de ARN, usando como molde una secuencia de ADN.

En procariotas existe una única ARN polimerasa que cataliza la síntesis de todos los tipos de ARN: el ARNm, el ARNr y el ARNt.

La ARN polimerasa de E. coli es una holoenzima soluble, globular, que está constituida por cinco subunidades diferentes: 2á, â, â, ù, ó. Las cuatro primeras son el núcleo de la enzima, responsable de la iniciación de la transcripción y elongación de la cadena de ARN.
La subunidad ó está unida débilmente y puede disociarse del resto de las subunidades. Es la responsable de la unión específica de la enzima a unas secuencias del ADN, las secuencias consenso, que señalizan el punto donde debe comenzar la transcripción. Las secuencias consenso más frecuentes en procariotas son TATAAT y TTGACA, y se localizan en unas regiones, denominadas promotores, situadas a una distancia aproximada de 10 y 35 pares de bases (pb), respectivamente, hacia la izquierda respecto del punto de inicio de la transcripción.

Las fases en la transcripción de las procariotas son:
1.Unión
inespecífica de la ARN polimerasa al ADN. La enzima recorre el ADN buscando las secuencias consenso de los promotores.
2.Unión específica de la subunidad ó al promotor. Así se forma el complejo enzima-promotor cerrado, en el que el ADN aún está enrollado en doble hélice.
3.Formación del complejo enzima-promotor abierto. La ARN polimerasa desenrolla unos 15 pb de ADN alrededor del sitio de inicio, lo que permite tener disponible la hebra 3
? 5 del ADN, que servirá como molde para la transcripción.
4.Inicio de la transcripción. Ocurre mediante la incorporación de los dos primeros ribonucleótidos trifosfato, siempre en sentido 5
? 3. Cuando se han unido unos 10 nucleótidos la subunidad ó se separa del núcleo de la polimerasa.
5.Elongación de la cadena de ARN. La polimerasa avanza sobre el molde de ADN tomando del medio los ribonucleótidos (ATP, GTP, CTP o UTP) cuya base sea complementaria con la del ADN que tiene enfrentada, y añadiéndolos a los extremos 3 OH libres de la cadena naciente.
Al avanzar la polimerasa, desenrolla el molde de ADN que tiene delante, y al mismo tiempo vuelve a enrollar el que acaba de transcribir, manteniendo siempre desenrollada una longitud de unos 15 pb en la zona de transcripción.
El resultado es un ARN complementario con la hebra de ADN molde (e idéntico a la otra hebra de ADN, salvo por el cambio de T por U).
6.Terminación de la transcripción. Ocurre cuando la ARN polimerasa encuentra una señal de terminación, en cuyo caso se separan el ARN, la ARN polimerasa y el ADN molde.
La señal de terminación más común en E. coli es una secuencia palindrómica, caracterizada por ser igual en ambas hebras y simétrica, según la complementariedad de bases. Por ejemplo, si empieza con CGG acabará con CCG.
Las secuencias palindrómicas de terminación suelen ser ricas en GC y están seguidas de cuatro o más residuos de A.
En las bacterias, los ribosomas acceden inmediatamente al ARNm mientras este se encuentra aún sintetizando, es decir, la traducción ocurre simultáneamente a la transcripción.

La transcripción del ADN está sometida a procesos de regulación que la controlan. El médico François Jacob (1920) y el biólogo Jacques-Lucien Monod (1910-1976), propusieron el modelo del operón para explicar el mecanismo de regulación de la expresión génica en procariotas.

El operón está formado por los siguientes genes:
·Genes estructurales o cistrones (c). Son los que se transcriben para dar ARNm, que formará proteínas específicas.
·Gen operador (o). Es la región del ADN situada inmediatamente antes de los genes estructurales, a la que se une específicamente una proteína reguladora.
·Gen promotor (p). Es la región del ADN a la que se une específicamente la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes del gen operador.
·Gen regulador (i). Es la secuencia de ADN situada antes del promotor pero no necesariamente adyacente a él. El gen regulador codifica una proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador y se une a él, bloqueando (control negativo) o induciendo (control positivo) la transcripción.
oEn los sistemas de control negativo la proteína reguladora es un represor. Estos sistemas, a su vez, pueden ser de dos tipos:
§Sistemas inducibles (ejemplo, operón lactosa). La proteína reguladora es un represor activo que impide la expresión de los genes estructurales. El inductor del sistema inactiva al represor, permitiendo así la expresión de los cistrones.
§Sistemas represibles (ejemplo, operón triptófano). La proteína reguladora es un represor inactivo, por lo que se expresan los genes estructurales. Es la presencia del correpresor la que activa al represor, lo que bloquea la transcripción.
oEn los sistemas de control positivo de la transcripción la proteína reguladora es un activador, que resulta imprescindible para que tenga lugar la transcripción.
Transcripción en Eucariotas
La transcripción en eucariotas presenta las varias características que la diferencian de la transcripción en procariotas:

  • Existen tres tipos diferentes de ARN polimerasas, cada una específica para un tipo de ARN:
oARN polimerasa II. Transcribe los genes codificadores de proteínas; es decir, es la que fabrica los ARNm.
oARN polimerasa I. Especializada en la transcripción de los genes de ARN ribosómico, localizados en la zona de la cromatina correspondiente a los organizadores nucleolares.
oARN polimerasa III. Transcribe los genes de los ARNt, de un tipo de ARNr y algunos pequeños ARN solubles.
·Las ARN polimerasas eucariotas necesitan interaccionar con un conjunto de factores proteicos de transcripción para formar el complejo de iniciación, imprescindible para poder iniciar la transcripción.
·La secuencia de consenso de los promotores más frecuente en eucariotas es TATAA y se sitúa unos 25-30 nucleótidos hacia la izquierda del sitio de inicio de la transcripción. Esta secuencia se conoce con el nombre de caja TATA.
·La secuencia de terminación suele ser TTATTT, y cuando la ARN polimerasa la encuentra se disocia el complejo transcripcional y se libera el ARN transcrito.
·Todos los ARN eucariotas se sintetizan en forma de ARN transcritos primarios o pre-ARN, que deben sufrir un proceso de maduración para ser funcionales.
La regulación de la transcripción en eucariotas presenta dificultades que no existen en procariotas, ya que el ADN se encuentra empaquetado en el interior del núcleo interaccionando con las histonas, lo que dificulta el acceso al mismo.
Así, la regulación de la transcripción en eucariotas se realiza a dos niveles:
·Modificando el grado de empaquetamiento de la cromatina.
·Estimulando o inhibiendo la actividad de la ARN polimerasa. Se conocen varios puntos de regulación de la transcripción:
oRegiones reguladoras. Sus secuencias consenso son CCAAT (caja CAT) y GGGCGG (caja GC) y se localizan a unos 70 y 100 pares de bases, respectivamente, desde el sitio de inicio de la transcripción hacia la izquierda de la caja TATA. En estas zonas se unen de forma especifica factores activadores que estimulan la transcripción, al ayudar a la ARN polimerasa a situarse en la posición adecuada en el sitio de inicio de la transcripción.
oEstimuladores o enhancers. Son regiones situadas incluso a miles de nucleótidos hacia la izquierda o la derecha de las cajas TATA, GC y CAT. Sobre ellas se unen factores activadores de la transcripción.
oSilenciadores. Son regiones intercaladas entre las anteriores a las que se unen factores represores de la transcripción, que actúan disminuyendo la velocidad de la transcripción, al impedir la unión de los factores activadores o interfiriendo con los factores de transcripción.
En las bacterias, los ribosomas acceden inmediatamente al ARNm mientras este se encuentra aún sintetizando. Sin embargo, en eucariotas el ARNm se sintetiza en forma de un ARN transcrito primario o pre ARNm que debe sufrir una serie de modificaciones antes de ser exportado al citoplasma, donde se unirá a los ribosomas y comenzará la síntesis de proteínas.

El conjunto de modificaciones que sufre este pre-ARNm se denomina maduración e implica los siguientes procesos:

·Modificación del extremo 5 mediante la unión de un resto de 7-metilguanosina, lo que forma la denominada estructura Cap o caperuza, responsable de la unión y alineación del ARNm sobre el ribosoma durante la traducción. La incorporación de la estructura Cap se realiza durante la transcripción, cuando el pre-ARN naciente tiene unos 25 o 30 nucleótidos.
·Modificación del extremo 3 mediante la incorporación de una cadena de 50 a 250 residuos de adenina, la cola poli-A, que estabiliza el ARNm y regula la traducción.
·Eliminación de intrones, es decir, secuencias no codificantes, situadas entre los exones o secuencias codificantes. La eliminación de los intrones se hace mediante un mecanismo de corte y empalme o ayuste, llevado a cabo por los ayustosomas, formado por la agrupación de varias ribonucleoproteínas pequeñas (RNPpn o snurps=small nucleo ribonucleoproteins). El ayustosoma se une al ARNm y pliega el intrón en forma de bucle, al mismo tiempo que cataliza la escisión enzimática del intrón y también el empalme de los dos extremos libres de los exones.
Al final de este proceso se encuentra el ARNm maduro, que se podrá traducir en proteínas.
Traducción: El código genético
La traducción es la última etapa de la expresión génica, en la que se sintetizan proteínas usando como molde una hebra del ARNm fabricado durante la transcripción.

Los ribosomas son los orgánulos que llevan a cabo esta etapa mediante un mecanismo que debe acoplar la información del ARN y la de las proteínas, relacionando los nucleótidos y los aminoácidos.

En este mecanismo participan moléculas de ARNt, cada una de las cuales lleva unido un aminoácido que es colocado en su sitio debido al apareamiento entre secuencias de bases concretas en el ARNt y en el ARNm.

Este acoplamiento depende del denominado Código Genético que es el conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético se traduce en proteínas (secuencias de aminoácidos) en las células vivas. El código define la relación entre secuencias de tres nucleótidos, llamadas codones, y aminoácidos. Sus características son:
·El código está organizado en tripletes o codones, es decir, cada grupo de tres nucleótidos o bases nitrogenadas en el ARN (triplete) determina un aminoácido. Si cada base nitrogenada (A, G, C y U) determinara un aminoácido, solamente se podrían codificar cuatro aminoácidos diferentes (VR14 = 41 = 4). Si cada dos bases nitrogenadas codificaran un aminoácido, habría un total de 16 combinaciones binarias (VR24 = 42 = 16), siendo aún insuficiente para los veinte tipos de aminoácidos que existen. Con grupos de tres bases nitrogenadas se forman 64 tripletes diferentes (VR34 = 43 = 64), cifra más que suficiente para codificar los 20 aminoácidos distintos.
El código genético es degenerado: existen más codones que aminoácidos, de forma que un determinado aminoácido puede estar codificado por más de un triplete. Los codones sinónimos suelen diferir solo en la base del extremo 3; es lo que se conoce como balanceo de la última base. El código genético no es solapado,es decir, una base nunca pertenece a dos codones a la vez. En el código genético la lectura es «sin comas». Se realiza de tres en tres bases a partir de un punto de inicio, sin espacios vacíos. Los codones que marcan los puntos de inicio y de fin de la traducción son: oLa señal de inicio suele ser el codón AUG, que además codifica el aminoácido metionina en eucariotas o la formilmetionina en procariotas.
oLa señal de terminación viene dada por tres codones sin sentido que no codifican aminoácidos y que son UAA, UAG y UGA.
·El código genético es casi universal. Cada codón codifica el mismo aminoácido en la mayoría de los organismos, tanto eucariotas como procariotas. La principal excepción a esta generalidad se encuentra en el código genético mitocondrial.
Mecanismo de la Traducción
La traducción implica la interacción entre tres tipos de ARN: ARN transferente, ARN mensajero y ARN ribosómico, además de numerosos factores proteicos y enzimas.

Los

ARN transferentes (ARNt) son secuencias polinucleotídicas de 70-80 ribonucleótidos, plegados en forma de hoja de trébol, en las que se distinguen dos regiones imprescindibles para que puedan actuar como adaptadores entre los codones y los aminoácidos en el proceso de traducción:
·Secuencia 3ACC. Los aminoácidos se unen a esta región covalentemente, mediante un enlace ester entre el extremo - COOH del aminoácido y el grupo 3 - OH de la ribosa de la adenosina terminal en una reacción catalizada por un grupo de enzimas conocidas como aminoacil ARNt sintetasas. Los ARNt con su aminoácido unido se denominan aminoacil ARNt.
·Secuencia del anticodón.Secuencia de tres nucleótidos que se encuentra situada en el bucle central del ARNt. Esta secuencia es la que aparea específicamente con las bases del codón en el ARNm.
Los ribosomas son las partículas ribonucleoproteicas responsables de la síntesis de las proteínas. Están formados por dos subunidades: una grande y otra pequeña. En un ribosoma existen tres sitios de unión de los ARNt: el sitio P (peptidil), el sitio A (aminoacil) y el sitio E (expulsión). Estos sitios A, P y E están formados por ARNr con actividad enzimática (ribozimas). Los ARNm pueden ser leídos simultáneamente por varios ribosomas, espaciados entre ellos unos 80 nucleótidos, formándose un polirribosoma o polisoma. Tanto en procariotas como en eucariotas los extremos 5' y 3' del ARNm no son codificantes, es decir no son traducibles, ya que la traducción se inicia en la secuencia AUG que no está exactamente en el extremo 5' y finaliza antes de alcanzar el extremo 3'. Aunque el codón de inicio es AUG tanto para eucariotas como para procariotas, en procariotas el primer aminoácido es formilmetionina en lugar de metionina.

Para el proceso de traducción, ambos tipos celulares necesitan factores proteicos de iniciación, de elongación y de liberación; estos factores son más numerosos en eucariotas que en procariotas

En las procariotas los ARNm codifican varias cadenas polipeptídicas a partir de distintos sitios de iniciación independientes que aparecen a lo largo del ARNm: son los llamados ARNm policistrónicos, mientras que en las eucariotas los ARNm codifican una única cadena polipeptídica: son los llamados ARNm monocistrónicos.

En las procariotas, al existir varios puntos de iniciación, los codones de iniciación AUG son precedidos por una secuencia de inicio específica, la secuencia de Shine-Delgarno que es complementaria de una secuencia situada en el ARNr de la subunidad menor del ribosoma. En cambio, en eucariotas los ribosomas se unen al ARNm mediante el reconocimienoso de la 7-metilguanosina del extremo 5 cap; una vez unidos recorren el ARNm hasta encontrar el codón de inicio AUG.


La traducción se puede dividir en tres etapas:
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Iniciación. Según se trate de células eucariotas o procariotas, un número variable de factores de iniciación interaccionan con la subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el primer aminoacil-ARNt (metionina en eucariotas y formilmetionina en procariotas). Este aminoacil-ARNt se une, conducido por los factores de iniciación, al sitio P de la subunidad pequeña del ribosoma, formando el complejo de iniciación que, a su vez, se ancla a la estructura Cap (eucariotas) o a la secuencia de Shine-Delgarno (procariotas).Este complejo de iniciación comienza entonces a recorrer la molécula de ARNm hasta que encuentra el codón de inicio AUG, en cuyo caso los factores de iniciación se disocian y permiten, así, la unión de la subunidad grande del ribosoma. Elongación. En el sitio A del ribosoma entra el correspondiente aminoacil-ARNt, ayudado por un factor de elongación, y se sitúa correctamente en él por apareamiento entre las bases del codón y del anticodón. Un complejo enzimático de la subunidad grande (integrado por ARNr y proteínas), denominado peptidiltransferasa, separa la metionina del ARNt que hay en el sitio P, al mismo tiempo que cataliza su unión por enlace peptídico al aminoácido que porta el ARNt del sitio A. En el dipéptido recién formado ya se observa la polaridad que presentan las proteínas: la síntesis es siempre del extremo N-terminal al extremo C-terminal o, lo que es lo mismo, el primer aminoácido de la cadena es siempre el NH2-terminal.Seguidamente, el ribosoma se desplaza (traslocación) la distancia equivalente a un codón, con lo que el ARNt que ha perdido la metionina pasa al sitio E y de aquí es expulsado al citosol. El ARNt que porta el dipéptido recién formado pasa al sitio P, y en el sitio A entra un nuevo aminoacil-ARNt, con lo que se inicia un segundo ciclo de elongación. Terminación. Cuando en el sitio A ribosómico entra un codón de terminación (UAA, UAG, UGA), se une a él un factor de liberación con una estructura muy similar a la de un ARNt. Esta unión fuerza la separación de la cadena polipeptídica de su ARNt y su liberación en el citosol, al mismo tiempo que se disocian el ARNm, el ARNt y las dos subunidades ribosómicas. De esta manera finaliza la traducción con la formación de la proteína correspondiente.Tras la traducción, las proteínas, para ser funcionales, deben plegarse adecuadamente, es decir, adoptar su conformación nativa con la ayuda de las proteínas chaperonas.
Replicación del ADN
La reproducción requiere la transmisión fiel de la información genética de padres a hijos y, puesto que esta reside en el ADN, resulta imprescindible la existencia de un mecanismo que permita la replicación exacta del ADN.La replicación del ADN ocurre en la fase S del ciclo celular y tiene tres características:

Modelo de replicación

El que se admite se denomina modelo de replicación semiconservativa, demostrado experimentalmente en 1958 por los biólogos moleculares estadounidenses Matthew Stanley Meselson (1930) y Franklin William Stahl (1929). En este modelo cada una de las moléculas hijas posee una hebra del ADN progenitor y otra completamente nueva. Para ello es necesario que se separen las dos hebras del ADN progenitor, que servirán como molde para la síntesis de dos nuevas hebras complementarias.

Sentido de la replicación

La replicación comienza en unas regiones de secuencias específicas que marcan la posición del origen de replicación, en el cual ambas hebras de ADN se separan para comenzar su autorreplicación. A partir del origen de replicación existen dos posibilidades:
·Replicación unidireccional. La separación de las dos hebras avanza en un único sentido a partir del origen de replicación, y en el frente de avance se forma una horquilla de replicación. Este tipo de replicación aparece en casos excepcionales, como el ADN mitocondrial, algunos plásmidos bacterianos o algunos virus bacterianos de cadena simple.<

Replicación bidireccional. La separación de las dos hebras avanza en sentidos opuestos a partir del origen de replicación, y en ambos frentes de avance se forman dos horquillas de replicación. La replicación bidireccional es la mayoritariamente extendida en las células procariotas y eucariotas.Replicación semidiscontinua.

En 1956, el bioquímico estadounidense Arthur Kornberg (1918-2007) aisló y purificó la primera ADN polimerasa procedente de la bacteria Escherichia coli: la ADN polimerasa I. Posteriormente se descubrieron otras dos ADN polimerasas: la ADN polimerasa III y la ADN polimerasa II. Las ADN polimerasas I y III participan en la replicación del ADN, mientras que la II tiene un papel poco conocido todavía.

En eucariotas se conocen cinco polimerasas: ã, á, â, ä y å. La ADN polimerasa ã es la responsable de la duplicación del ADN mitocondrial, y las ADN polimerasas á, ä y å intervienen de forma directa en la replicación del ADN nuclear, mientras que la â participa fundamentalmente en la reparación del ADN dañado.

Todas las ADN polimerasas comparten las siguientes propiedades fundamentales:
·Son incapaces de desenrollar el ADN a medida que lo van copiando. En esto difieren de las ARN polimerasas, que sí son capaces de desenrollar el ADN y volver a enrollarlo a medida que progresa la transcripción.
·Algunas poseen actividad exonucleasa 3 ? 5, lo que les permite retroceder, si se incorpora un nucleótido erróneo, para escindirlo y reparar el error. Las ARN polimerasas no tienen esta capacidad, por lo que la tasa de error en la transcripción es mucho más alta que en la replicación.
·Necesitan un extremo 3 OH cebador perteneciente a una hebra preformada unida por enlaces de hidrógeno a la hebra molde. Solo con un extremo 3 OH cebador, las ADN polimerasas pueden comenzar la adición de los desoxirribonucleótidos trifosfato, pues son incapaces de comenzar la síntesis de ADN de novo, catalizando la unión de los dos primeros desoxirribonucleótidos trifosfato a partir de los del medio. Las ARN polimerasas, en cambio, sí son capaces de iniciar la síntesis de una nueva hebra de ARN sin necesidad de cebador.
·Sintetizan ADN en una sola dirección 5 ? 3 (actividad polimerasa 5 ? 3); es decir, añaden los desoxirribonucleótidos trifosfato al extremo 3 OH de la cadena en crecimiento.
Una de las cadenas, la que copia la hebra 3 ? 5, se sintetiza de manera continua en sentido 5 ? 3 siguiendo el avance de la horquilla de replicación. Es la denominada hebra o cadena adelantada.
La otra hebra, la hebra o cadena retrasada, que copia la hebra 5 ? 3, se sintetiza en sentido contrario al avance de la horquilla de replicación, por lo que inevitablemente tiene que hacerlo de manera discontinua en forma de cortos fragmentos de ADN, descubiertos en 1968 por la bióloga japonesa Reiji Okazaki (1930-1975) y conocidos con el nombre de fragmentos de Okazaki. Estos inician su síntesis en el punto de apertura de la horquilla de replicación, y desde aquí crecen hasta encontrarse con el formado inmediatamente antes; el paso siguiente será la unión de ambos fragmentos.
? Replicación en Procariotas
El proceso de replicación en procariotas fue estudiado en la bacteria Escherichia coli, y comprende los siguientes procesos:

1.Formación de la horquilla de replicación

En bacterias existe un único origen de replicación, el Ori C, al que se unen las proteínas iniciadoras separando las dos hebras complementarias para formar la burbuja de replicación.

En cada extremo de dicha burbuja se une una proteína, la helicasa, cuya función es desenrollar el ADN en dos sentidos (replicación bidireccional); así se crean dos horquillas de replicación, que representan las regiones de la síntesis activa del ADN o replisomas. Para evitar que las dos cadenas de ADN separadas por las helicasas vuelvan a unirse, se asocian a ellas numerosas proteínas SSB.

El desenrollamiento de la doble hélice en las horquillas de replicación origina tensiones de superenrollamiento en el resto de la cadena de ADN. Este problema es solucionado por la girasa del ADN, enzima que actúa cortando las hebras y, una vez eliminadas las tensiones, las vuelve a unir.

Como las ADN polimerasas necesitan un cebador de unos diez ribonucleótidos, este es sintetizado por una ARN polimerasa, denominada primasa, que se asocia a la helicasa formando el primosoma.

La ADN polimerasa III es un complejo multienzimático en el que se distinguen las siguientes partes:
- el domino catalítico con actividad polimerasa 5 ? 3
- unas abrazaderas deslizantes, en forma de rosquilla, que evitan que la ADN polimerasa III se disocie del ADN
- un complejo de carga responsable del ensamblaje correcto de las abrazaderas.
2.Síntesis de las nuevas cadenas de ADN

En cada una de las horquillas de replicación formadas existe una hebra de ADN en sentido 3 ? 5, que servirá de molde para la síntesis de una hebra adelantada, y otra hebra en sentido 5 ? 3, que será copiada de forma discontinua, por lo que constituye el molde de la hebra retrasada. Por tanto, en cada horquilla se fabrican una hebra adelantada y una retrasada.

Síntesis de las hebras adelantadas

Una vez que la primasa ha sintetizado el ARN cebador a partir de su extremo 3 OH, la ADN polimerasa III cataliza la síntesis continua de la cadena adelantada (complementaria con la cadena 3 ? 5 del ADN) en el sentido de apertura de la horquilla de replicación 5 ? 3.
Síntesis de las hebras retrasadas
La hebra retrasada se sintetiza en forma de pequeños fragmentos discontinuas de ADN, los fragmentos de Okazaki, que se fabrican en el sentido inverso al de apertura de la horquilla de replicación.
La síntesis de estos fragmentos se realiza en varias etapas:

- La ADN polimerasa III se une a los extremos 3 OH de los cebadores de ARN, fabricados por la primasa, sobre los que añade desoxirribonucleótidos complementarios con la hebra de ADN molde. De esta manera se fabrican unos fragmentos mixtos de ARN-ADN.

- La ADN polimerasa I, gracias a sus dos actividades, exonucleasa 5 ? 3 y polimerasa 5 ? 3, realiza una reacción denominada traslación de mella. Esta reacción consiste en la eliminación de ribonucleótidos del extremo 5 del ARN cebador y la adición simultánea de desoxirribonucleótidos en el extremo 3 del fragmento de Okazaki precedente, de forma que el cebador es sustituido por ADN.

- Una vez eliminados todos los ribonucleótidos, la ADN polimerasa topa con una estructura que no puede cerrar, es decir una mella, en la que hay un extremo 3 hidroxilo y otro 5 fosfato. En este caso, la enzima ADN ligasa cataliza la formación del enlace fosfodiester entre ambos extremos, con lo que se cierra la mella y se obtiene una hebra de ADN intacta.
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 Replicación en Eucariotas
En eucariotas la replicación presenta varias diferencias con la de las procariotas:
·En eucariotas existen varios orígenes de replicación a lo largo del ADN lineal que forma los cromosomas, mientras que en procariotas existe un único origen de replicación en su cromosoma circular.
·En eucariotas los cebadores son cortos fragmentos mixtos de ARN-ADN fabricados por el complejo primasa-ADN polimerasa á (pol á), mientras que en procariotas los cebadores son de ARN fabricados por primasa.
·En eucariotas la hebra adelantada es sintetizada por las ADN polimerasa ä y å (complejo pol ä / å), mientras que en procariotas es sintetizada por la ADN polimerasa III
·En eucariotas los fragmentos de Okazaki se sintetizan por el complejo pol ä / å a partir del extremo 3' de los cebadores, mientras que en procariotas son sintetizados por la ADN polimerasa III a partir del mismo extremo.
·En eucariotas la ADN polimerasa ä (y posiblemente también la ADN polimerasa å) elimina los fragmentos cortos de ARN-ADN cebadores de los fragmentos de Okazaki y rellena los huecos dejados entre estos, mientras que en procariotas es la ADN polimerasa I la que elimina el ARN cebador de los fragmentos de Okazaki y rellena los huecos dejados entre estos.
La replicación del ADN en eucariotas presenta un problema añadido: al ser su ADN lineal, no circular, los extremos 5 de las cadenas retrasadas quedan incompletos, ya que las ADN polimerasas siempre necesitan un extremo 3 OH sobre el que añadir desoxirribonucleótidos mientras eliminan los ARN cebadores. Las cadenas adelantadas no presentan este problema.

En los eucariotas unicelulares y las células embrionarias de los pluricelulares existe una enzima, la telomerasa, que lleva asociado un ARN cebador, que proporciona los extremos 3 necesarios para catalizar la síntesis de los extremos 5 de ADN que quedaron incompletos; de esta forma, gracias a la telomerasa, en estas células no se pierde información en los extremos 5 de las cadenas retrasadas. La telomerasa tiene la peculiaridad de sintetizar ADN
usando como molde ARN (proceso inverso de la transcripción) por lo que se considera una transcriptasa inversa o retrotranscriptasa.

En las células somáticas diferenciadas la actividad telomerasa se inactiva. Así, estas células comienzan a perder de sus extremos cromosómicos (telómeros) entre 50 y 100 nucleótidos (longitud igual a la del cebador de ARN) en cada ciclo de replicación. El ADN telomérico está constituido por secuencias de seis nucleótidos que se repiten miles de veces, lo que, de alguna manera, minimiza el efecto de la pérdida de estos nucleótidos terminales.

La bióloga española María Antonia Blasco, investigadora del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), que dirige el grupo de telómeros y telomerasa, ha demostrado que la integridad de los telómeros es imprescindible para la estabilidad de los cromosomas, de forma que, a medida que se repiten los ciclos de replicación y las células envejecen, las secuencias repetidas de los telómeros son cada vez más cortas, lo que provoca la inestabilidad cromosómica y la muerte celular por envejecimiento.
Las mutaciones Una mutación es una alteración o cambio en la información genética (genotipo) de un ser vivo y, por lo tanto, se puede transmitir a la descendencia. La unidad genética capaz de mutar es el gen. Las únicas mutaciones que se pueden heredar son las que afectan a las células de la línea germinal o mutaciones germinales. Las mutaciones somáticas son las que afectan al resto de las células del cuerpo y no son heredables. Las mutaciones se pueden clasificar en: 1. Mutaciones génicas o moleculares Son mutaciones puntuales que afectan a uno o a varios de los nucleótidos del ADN. No se observan al microscopio y pueden ser de dos tipos: o Mutación por sustitución de bases. Se producen al cambiar en una posición un par de bases por otro. Dependiendo de las bases que se intercambien, estas mutaciones se clasifican en: § Mutaciones transicionales. Una base púrica se cambia por otra púrica (A?G), o una pirimidínica por otra también pirimidínica (T?C). § Mutaciones transversionales. Una base púrica se cambia por una pirimidínica (A;G?T;C), o una pirimidínica por una púrica (T;C?A;G). o Mutaciones de corrimiento estructural. Se producen cuando se añaden o se quitan pares de bases, lo que altera la longitud de la cadena. A su vez, se clasifican en: § Mutación por pérdida o deleción de bases, cuando se pierden uno o más nucleótidos de la cadena. § Mutación por inserción de bases, si, por el contrario, se insertan nucleótidos adicionales en la cadena de ADN, interpuestos entre los que ya había. Las mutaciones génicas pueden tener cuatro consecuencias sobre las proteína: - Mutación silenciosa, ya que no alteran la secuencia de aminoácidos de la proteína, bien porque ocurren en intrones o bien porque forman codones sinónimos, que codifican para el mismo aminoácido: AGA (Arg)?AGG (Arg). - Mutación con sentido erróneo, debido a que aparece un nuevo triplete que codifica para un aminoácido diferente; la proteína tiene un aminoácido cambiado. Es lo que le ocurre a la cadena â de la hemoglobina en la anemia falciforme; en esta cadena el sexto aminoácido es una valina, en lugar de ácido glutámico: GAG (Glu)?GUG (Val). - Mutación sin sentido, ya que aparece un codón de terminación, CAG (Gln)?UAG (FIN), por lo que la proteína es más corta. - Mutación por cambio de pauta de lectura que tiene lugar por adición o deleción de un número de nucleótidos que no sea múltiplo de tres, con lo que el marco de lectura se desplaza y la proteína es completamente diferente a partir del punto de mutación. 2. Mutaciones cromosómicas Las mutaciones cromosómicas son cambios en la estructura interna de los cromosomas y, por tanto, resultan visibles al microscopio. Con frecuencia alteran el apareamiento correcto de los cromosomas durante la meiosis, lo que disminuye la fertilidad. Pueden ser de cuatro tipos: o Mutación por inversión de un fragmento cromosómico. Es el cambio de sentido de un fragmento dentro de su cromosoma. o Mutación por deleción o pérdida de un fragmento cromosómico. o Mutación por duplicación de un fragmento cromosómico o Mutación por translocación o cambio de posición de un fragmento cromosómico. La translocación puede ser recíproca, si se intercambian fragmentos entre dos cromosomas, y no recíproca, en cuyo caso se denomina transposición. 3. Mutaciones cariotípicas o genómicas Afectan al número de cromosomas y también son visibles al microscopio. Pueden ser de dos tipos: o Euploidía. Son mutaciones que afectan al número de dotaciones haploides de cromosomas. Puede ser: § Poliploidía, si existen más de dos juegos haploides de cromosomas. Así, se habla de individuos triploides (3n), tetraploides (4n)...La poliploidía en plantas suele ir acompañada de un aumento en el tamaño de los ejemplares. En humanos, las triploidías son las responsables de numerosos abortos espontáneos, tal es el caso de las triploidías 69, XXX o 69, XXY. § Haploidía o monoploidía, si existe un único juego n de cromosomas. o Aneuploidía. Son mutaciones que afectan solo al número de ejemplares de una pareja de cromosomas. Puede ser: § Nulisomías (falta la pareja completa). § Monosomías (falta un cromosoma de la pareja). En humanos la más frecuente es el síndrome de Turner o monosomía sexual XO. § Trisomías (hay un cromosoma de más en la pareja). En humanos las más frecuentes son la trisomía 21 o síndrome de Down, la trisomía 18 o síndrome de Edwards, la trisomía 13 o síndrome de Patau, la trisomía sexual XXX o síndrome del triple X, la trisomía sexual XXY o síndrome de Klinefelter y la trisomía sexual XYY o síndrome del doble Y. § Tetrasomías (hay dos cromosomas de más en la pareja). Principio del formulario Final del formularioBac 2b 40 <http://www.maristas-oviedo.org/ava/user/view.php?id=376&course=8> (Salir <http://www.maristas-oviedo.org/ava/login/logout.php?sesskey=bUnwFnv6vD>)

Causas de las mutaciones
Dependiendo del agente mutágeno que las origine, existen dos tipos de mutaciones: espontáneas e inducidas.

Mutaciones espontáneas

Se deben fundamentalmente a:
·Errores en la replicación
Los más comunes debidos a la tautomería, un tipo de isomería.
·Lesiones fortuitas en el ADN
Pueden originarse por despurinización, que es la rotura del enlace glucosídico entre el anillo de purina y la desoxirribosa; por desaminación, que es la pérdida de grupos amino; o bien daños oxidativos en el ADN debidos a los radicales libres: oxigeno (O2), peróxido de hidrógeno (H2O2) o hidroxilo (- OH) originados en el metabolismo.
·Elementos genéticos transponibles o transposones
Son secuencias de ADN que tienen la propiedad de cambiar de posición dentro del genoma, de forma que generan deleciones en el gen de donde salen y adiciones en el gen en el que se insertan.
Mutaciones inducidas

Las mutaciones inducidas surgen como consecuencia de la exposición a mutágenos químicos o a radiaciones, siendo los más importantes:
·Mutágenos que reemplazan una base en el ADN, conocidos como análogos de bases.
·Mutágenos que alteran las bases que producen emparejamientos erróneos.
·Mutágenos intercalantes que se introducen entre las bases nitrogenadas del ADN y causan adiciones o deleciones.
·Mutágenos que producen pérdida del emparejamiento específico. Estos mutágenos dañan gran cantidad de bases nitrogenadas y causan un bloqueo de la replicación del ADN. Entre ellos están la luz ultravioleta, que produce la formación de dímeros de pirimidinas mediante la formación de enlaces covalentes entre dos pirimidinas contiguas, y las radiaciones ionizantes, como los rayos X o los rayos gamma, que pueden romper los enlaces fosfodiester y fragmentar, así, el ADN.