Replicación, Transcripción y Traducción del ADN: Fundamentos de la Herencia

1. El ADN como Material Hereditario

Tres experimentos clave demostraron que los ácidos nucleicos son las moléculas responsables de la transmisión de la herencia:

Experimento de Griffith

Griffith aportó la primera evidencia de que el ADN era el material hereditario al buscar una vacuna contra la neumonía. Descubrió dos cepas de la bacteria: las cepas S (lisas y virulentas) y las cepas R (rugosas y no virulentas). Al inyectar bacterias R vivas o muertas, o bacterias S muertas por calor, los ratones sobrevivían. Sin embargo, al inocular ratones con bacterias S muertas por calor y cepas R vivas, los ratones morían y se aislaban bacterias vivas de la cepa S. Griffith dedujo que en las bacterias muertas existía un principio transformante que era captado por las bacterias vivas no virulentas, transformándolas en virulentas.

Experimento de Avery, MacLeod y McCarthy

Avery, MacLeod y McCarthy demostraron que el principio transformante de Griffith era el ADN. Introdujeron distintas muestras de cepas R con diferentes sustancias aisladas de S. Ni los polisacáridos de las cubiertas de S ni otras moléculas lograron la transformación. El principio transformante resultó ser el ADN. Los genes de la cepa S, que contenían la información para producir la cápsula, se introdujeron en las bacterias R.

Experimento de Hershey y Chase

Hershey y Chase trabajaron con un virus formado por ADN y proteínas. A partir de un cultivo con el isótopo radiactivo S35, obtuvieron virus con este isótopo en los aminoácidos de su cápsida proteica. De otro cultivo con el isótopo radiactivo P32, obtuvieron virus con este isótopo en su ADN. Con cada grupo infectaron un cultivo bacteriano distinto, que se sometió a agitación y centrifugación para separar los restos de virus de las bacterias. La radioactividad mostró que el S35 quedó en el exterior de las células, mientras que el P32 entró en las células con el ADN, provocando la formación de nuevos virus.

2. Teoría “Un Gen - Una Enzima”

Según esta hipótesis, un gen contiene la información para que los aminoácidos se unan en un orden determinado y formen una enzima. Trabajando con un moho mutado con rayos X, se comprobó que si se muta un gen que codifica una enzima necesaria para la síntesis de un aminoácido, el moho muere, salvo si se incorpora al medio la sustancia que no puede sintetizar. La hipótesis “un gen-una enzima” fue modificada por “un gen-una cadena polipeptídica”, ya que no todas las proteínas son enzimas y algunas están formadas por más de una cadena polipeptídica.

4. Replicación del ADN

4.1. Hipótesis sobre la Replicación del ADN

Las hipótesis sobre la replicación del ADN son: semiconservativa, conservativa y dispersiva.

4.2. Experimento de Meselson y Stahl

La hipótesis semiconservativa fue confirmada por Meselson y Stahl. Cultivaron bacterias en un medio con nitrógeno pesado (N15) en lugar de nitrógeno normal (N14). Luego, pasaron las bacterias a un medio con nitrógeno normal durante el tiempo necesario para que el ADN se replique una vez e incorpore el isótopo N14 a sus bases nitrogenadas. Al extraer el ADN y centrifugarlo, se observó que el ADN ocupaba una posición intermedia entre el ADN con N15 y el ADN con N14, tratándose de un ADN híbrido. Si se dejaban las bacterias en N14 durante dos divisiones, aparecían dos tipos de ADN: uno híbrido y otro ligero. Esto descartó la hipótesis dispersiva.

4.3. Mecanismo de Replicación del ADN

Replicación en Bacterias

Iniciación: La replicación se inicia en el origen de replicación. La helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras complementarias. Las topoisomerasas eliminan las tensiones cortando y soldando la hélice. Las proteínas SSB impiden que se vuelva a enrollar. Se forma una burbuja de replicación con dos horquillas de replicación, donde se sintetizan las nuevas hebras de ADN. La replicación es bidireccional.

Elongación: Una ARN-polimerasa (primasa) sintetiza un cebador que proporciona el 3'OH necesario para la ADN-polimerasa III. Esta comienza a sintetizar una hebra de ADN de crecimiento continuo. La hebra antiparalela es la hebra retardada, que crece discontinuamente. La primasa sintetiza cebadores y la ADN-polimerasa añade desoxirribonucleótidos hasta que es detenida por el fragmento sintetizado anteriormente (fragmentos de Okazaki). La ADN-polimerasa I retira los cebadores y rellena los huecos con nucleótidos de ADN. La ADN-ligasa une los fragmentos.

Diferencias en Eucariotas

• El ADN está asociado a histonas.
• El proceso es más lento.
• El ADN es más largo y tiene múltiples orígenes de replicación (replicones).
• Los fragmentos de Okazaki son más pequeños.
• Las ADN-polimerasas son más complejas.
• Las cadenas de ADN son lineales.
• La replicación ocurre en la fase S de la interfase.

5. Transcripción

Transcripción en Bacterias

1. Iniciación: Las regiones de ADN que marcan el inicio de la transcripción son los promotores. El factor sigma de la ARN-polimerasa reconoce y se une a los promotores (secuencias consenso: TTGACA y TATAAT). La ARN-polimerasa desenrolla la doble hélice.

2. Elongación: Adición de ribonucleótidos para formar el ARN.

3. Terminación: La ARN-polimerasa reconoce señales de terminación. Hay dos variantes: secuencias ricas en G y C seguidas de A, o la necesidad de la proteína factor rho.

4. Maduración: El ARNm no sufre maduración en bacterias (policistrónico). El ARNr y ARNt se forman a partir de la maduración de un transcrito primario.

Transcripción en Eucariotas

1. Iniciación: La ARN-polimerasa II se fija a centros promotores (secuencias consenso: CAAT y TATA) con la ayuda de factores de inicio de la transcripción.

2. Elongación: La cadena de ARN crece en dirección 5'→3'. Se añade una “carapucha” en el extremo 5' y una cola poli-A en el extremo 3'.

3. Terminación: La señal de terminación está relacionada con la secuencia TTATTT.

4. Maduración: Se eliminan los intrones y se unen los exones (splicing). El ARNm maduro es monocistrónico.

Diferencias entre Procariotas y Eucariotas

6. Traducción

El código genético es universal, degenerado, sin imperfecciones y sin solapamiento.

6.3. Mecanismo de Traducción

Se realiza en los ribosomas y transcurre de igual forma en procariotas y eucariotas.

1. Activación de aminoácidos: Cada ARNt busca su aminoácido específico y se une a él por la aminoacil-ARNt-sintetasa, formando el complejo aminoacil-ARNt.

2. Traducción:

2.1. Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen cerca del codón iniciador AUG. Entra el aminoacil-ARNt complementario (f-Met en bacterias, Met en eucariotas). Se forma el complejo de iniciación. La subunidad mayor del ribosoma se une al complejo, formando un ribosoma completo con tres sitios de fijación: P, A y E.

2.2. Elongación:

Primera fase: Un segundo aminoacil-ARNt llega al sitio A.

Segunda fase: Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido en el sitio P y el nuevo aminoácido en el sitio A.

Tercera fase: Translocación ribosomal: el ribosoma se desplaza 3 nucleótidos. El ARNt del sitio P pasa al sitio E y el dipeptidil-ARNt al sitio P. El sitio A queda libre. El ciclo se repite.

2.3. Terminación: El ribosoma llega a un codón de terminación. Factores de liberación separan la cadena polipeptídica del ARNt. El ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma, que se disocia. Un mismo ARNm puede ser traducido por varios ribosomas (polisoma).

3. Plegamiento del polipéptido: El polipéptido se pliega para adoptar su forma tridimensional activa.

7. Regulación de la Expresión Génica

En Procariotas

El modelo del operón incluye: genes estructurales, gen regulador, promotor, operador y represor. Un inductor puede inducir la expresión de los genes.

En Eucariotas

Hay dos tipos de hormonas: lipídicas (se unen a receptores intracelulares y forman complejos HR que inducen la transcripción) y proteicas (se unen a receptores de membrana y activan proteínas reguladoras de la transcripción).

Mutaciones e Ingeniería Genética

1.1. Tipos de Mutaciones

Mutaciones Genéticas

Alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. Pueden ser sustituciones de bases (transiciones o transversiones) o mutaciones por corrimiento de la pauta de lectura (inserciones o deleciones).

Mutaciones Cromosómicas

Cambios en la estructura de los cromosomas: deleción, duplicación, translocación e inversión.

Mutaciones Genómicas

Variaciones en el número de cromosomas: euploidías (monoploidía y poliploidía) y aneuploidías (nulisomía, monosomía y trisomía).

1.2. Agentes Mutagénicos

Las mutaciones pueden ser espontáneas (errores de la ADN-polimerasa) o inducidas (por agentes mutagénicos).

1.3. Mecanismos de Reparación del ADN

Incluyen la corrección de formas tautoméricas de las bases nitrogenadas.

(2ª parte). Ingeniería Genética y sus Aplicaciones

1. Ingeniería Genética

Conjunto de técnicas para manipular el ADN y crear nuevas formas de vida. Permite formar ADN recombinante.

2. Clonación del ADN

Producción de múltiples copias de un gen o fragmento de ADN.

2.1. Clonación “in vivo”

El ADN a transferir y el ADN del plásmido se cortan con enzimas de restricción. Los extremos cohesivos se unen. Las ADN ligasas unen el fragmento de ADN aislado. El ADN recombinante se introduce en la célula receptora. Se utilizan plásmidos, fagos y cósmidos como vectores. Se comprueba que la bacteria fabrica la proteína deseada. La bacteria se reproduce y origina clones.

2.2. Clonación “in vitro”. Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

Permite clonar ADN sin células vivas. Se necesita ADN, cebadores, desoxirribonucleótidos trifosfato y ADN-polimerasa resistente al calor (Taq polimerasa). El ciclo consta de tres etapas: desnaturalización, hibridación y elongación. Se repite el ciclo hasta obtener el número de copias de ADN necesario.

Aplicaciones de la PCR: Secuenciación, biología evolutiva, estudios de mapeo, diagnóstico, medicina forense y pruebas de paternidad.

3. Aplicaciones de la Ingeniería Genética

3.1. Biotecnología Tradicional en la Industria

Uso de microorganismos para transformar moléculas. Se utilizan bacterias, actinomicetos, fermentos y mohos. Aplicaciones en la industria alimentaria, energética, farmacéutica, química y minera.

3.2. Ingeniería Genética en la Agricultura

3.2.1. Obtención de Vegetales Transgénicos

Organismos con ADN de otro ser vivo (transgenes). Se introduce un plásmido en una planta con Ti.

3.2.2. Aplicaciones en la Agricultura

Plantas resistentes a herbicidas e insectos, mejora de la resistencia a cambios ambientales, mejora de la calidad del producto, obtención de vacunas y ahorro de fertilizantes.

3.3. Ingeniería Genética en la Ganadería y Acuicultura

3.3.1. Obtención de Animales Transgénicos

Transgénesis por microinyección de cigotos, microinyección en células germinales y manipulación de células embrionarias.

3.3.2. Clonación de Animales

Disgregación de células embrionarias y transferencia nuclear.