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| Código Genético: El Lenguaje de la Vida De la misma forma que la sucesión de palabras codificadas en un lenguaje no tiene otra finalidad que la expresión de una información, el objetivo de todos los procesos descritos en las reglas del código genético es que la información codificada en el ADN se exprese a través de un alfabeto de cuatro letras, convertido en el alfabeto cifrado de veinte letras que constituye el lenguaje de la vida. |
Bases Moleculares de la Herencia
La Genética Molecular ha secuenciado el genoma humano.
Genética Molecular: conjunto de estudios encaminados a descubrir el efecto de genes concretos a nivel de ADN y de la expresión de esos genes en forma de proteínas, mecanismos de regulación de esos genes, etc.
Esta disciplina estudia las bases moleculares de la herencia: cómo se guarda la información hereditaria, cuál es el mecanismo que permite su transmisión y cómo se expresa esa información en el organismo.
El monje austríaco Gregor Johann Mendel (1822-1884) descubrió las leyes que gobiernan la herencia biológica y propuso que en los organismos existen unos factores o elementos (genes), que transportan la herencia de generación en generación.
La Genética Molecular se ha encargado de corroborar la hipótesis propuesta por Mendel.
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| Space-filling model animation of B-DNA, made with qutemol Animación de la estructura del ADN-B, modelo propuesto por Crick y Watson sobre la estructura secundaria del ADN, y es la forma predominante en las células. |
1. La Naturaleza del Material Hereditario
El ADN es la molécula que guarda la información hereditaria que se transmite de generación en generación.
Su estructura permite copiar fielmente dicha información y posibilita cierta capacidad de cambio.
Está formado por dos cadenas de nucleótidos, cada una de las cuales está dispuesta en espiral, enroscada una sobre otra formando una doble hélice.
Esta conformación se consigue gracias a una disposición concreta de las moléculas que forman cada nucleótido del ADN.
La consecuencia de ello es que las dos hebras del ADN son complementarias entre sí y que existe una relación 1:1 entre las bases púricas y pirimidínicas.
La cantidad de bases púricas será siempre igual a la de las pirimidínicas.
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| Ácido desoxirribonucleico (ADN) Molécula de doble cadena que codifica la información genética; ambas cadenas se mantienen juntas por la fuerza de puentes de hidrógeno entre bases púricas y pirimidínicas: citosina con guanina y adenina con timina. |
El material genético de la célula es el ADN.
En 1953, los estadounidenses Francis Crick (1916-2004) y James Dewey Watson (1928) publicaron un modelo para la molécula de ADN que permitió explicar con acierto las bases moleculares de la herencia biológica.
2. Las Copias para la Herencia: duplicación del ADN
La duplicación del ADN es el proceso mediante el cual se forman dos copias idénticas a la molécula original.
La replicación del ADN es semiconservativa, con ello se quiere indicar que cada una de las moléculas obtenidas tras el proceso porta una hebra de ADN que se ha duplicado.
El proceso es catalizado por la acción de un conjunto de enzimas que forman el complejo enzimático de duplicación; una de estas enzimas es la ADN polimerasa que utiliza de molde una de las hebras del ADN original y va construyendo las nuevas hebras incorporando los nucleótidos según la regla de complementariedad de bases.
Cada una de estas moléculas de ADN constituirá, respectivamente, cada una de las cromátidas del cromosoma metafásico.
3. La Expresión Génica: la información en acción
La expresión génica es el proceso mediante el cual se extrae la información recogida en el ADN.
Esta información se guarda en segmentos discretos de ADN que se denominas genes.
Gen: segmento de la molécula de ADN en el que se codifica la información de un polipéptido o, en sentido más amplio, de un ARN. Incluye también las secuencias de ADN reguladoras y los intrones.
Por tanto, un gen es la secuencia de nucleótidos del ADN en el que se halla codificada la naturaleza y el orden en el que se ensamblan los aminoácidos de un polipéptido (sinónimo de proteína).
Estos son los genes estructurales.
Gen estructural: gen que codifica una proteína estructural.
Otros segmentos de ADN recogen la información de la secuencia de nucleótidos de los distintos ácidos ribonucleicos que están presentes en la célula.
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| ARN-polimerasa at work Las ARN-polimerasas son un conjunto de enzimas (proteínas) capaces de emplear los ribonucleotidos para sintetizar ARN a partir de una secuencia de ADN que sirve como patrón o molde. |
En 1970, Francis Crick propone el denominado:
Dogma Central de la Biología, en el que establece el flujo que sigue la información genética.
En la mayoría de organismos este flujo se inicia en el ADN, que toma un camino en la dirección de su propia replicación y otro que conduce a la transferencia de la información al ARN a través del proceso de transcripción.
Ácido ribonucleico (ARN): molécula de cadena simple formada por una secuencia lineal de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiester.
Existen tres tipos de ARN: ribosómico (ARNr), mensajero (ARNm) y de transferencia (ARNt).
Finalmente, la información contenida en el ARNm es traducida a polipéptidos.
En algunos virus el flujo de información va primero del ARN al ADN y desde éste sigue la ruta ya descrita.
Otros virus, sin embargo, no necesitan el ADN ni para guardar la información génica ni para expresarla.
La Transcripción
Transcripción: síntesis de una cadena de ARN mensajero complementaria de una de las dos cadenas de una molécula de ADN.
Es el proceso mediante el cual la información recogida en un gen es copiada en un ARNm.
Este proceso es catalizado por la ARN polimerasa, se inicia en el promotor y finaliza en la secuencia de fin.
Maduración del ARN
Al ARNm que se obtiene en primera instancia al transcribir la información del ADN se le denomina transcrito primario.
En él están presentes los segmentos que no contienen información, los intrones, y las secuencias que sí guardan información, los exones.
Tras un proceso de maduración se eliminan los intrones y el transcrito primario es convertido en un ARNm maduro que porta la secuencia lineal de un polipéptido funcional.
El Lenguaje de la Vida: el Código Genético
Código Genético: conjunto de tripletes de base de ADN que determinan el orden de los aminoácidos en las proteínas en función del orden en que esos tripletes se hallan en el ADN y se transcriben al ARNm; cada triplete de bases codifica un aminoácido (o bien el principio o el fin de la secuencia).
El código genético es, por tanto, el conjunto de reglas mediante las cuales se establece la relación entre la ordenación lineal de nucleótidos de la molécula de ADN y la ordenación lineal de aminoácidos de los polipéptidos.
La base del código genético es el triplete o codón, constituido por una secuencia cualquiera de tres nucleótidos de los cuatro posibles.
Codón: secuencia de tres bases de ADN que determina que se inserte en el lugar correspondiente de la cadena proteínica un determinado aminoácido, según lo prescribe el código genético.
Las distintas ordenaciones en que pueden aparecer los nucleótidos en el triplete sirven para especificar los diferentes aminoácidos de un polipéptido.
El código genético cumple además una serie de propiedades:
a) es redundante o degenerado: un aminoácido puede ser codificado por más de un codón;
b) es un código sin superposición: un nucleótido sólo pertenece a un codón y no a varios;
c) la lectura es lineal y sin comas: la lectura del ARNm se inicia en un punto y avanza de codón en codón, sin separación entre ellos (comas);
d) es universal: prácticamente todos los seres vivos utilizan el mismo código para traducir el mensaje del ADN a polipéptidos.
La Traducción
Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm en un alfabeto de cuatro letras, es convertida, siguiendo las reglas del código genético, al alfabeto de veinte letras de los polipéptidos. En este proceso participan los ribosomas, el ARNm, los ARNt y el aparato enzimático que cataliza la formación del correspondiente polipéptido.
4. Los errores que nos matan y nos hacen evolucionar: la Mutación
Una mutación es un cambio permanente en el material génico no debido a la segregación independiente de los cromosomas o a la recombinación que ocurre durante el proceso de meiosis.
Las mutaciones ocurren al azar y son generalmente perjudiciales, aunque en ocasiones pueden ser también beneficiosas.
Se producen de forma natural durante la replicación del ADN y a causa de agentes mutágenos, como las radiaciones ionizantes o diversos compuestos químicos.
Cuando las mutaciones afectan a las células germinales son transmitidas a los descendientes y tienen una gran importancia para la evolución de las especies.
Las mutaciones somáticas son las que afectan al resto de las células y el cambio se transmitirá a las células hijas, pero no a los individuos de la siguiente generación.
Las mutaciones somáticas son la causa del envejecimiento y del mosaicismo somático, es decir, de la aparición en un individuo de dos líneas celulares que difieren genéticamente.
Las mutaciones pueden ser:
1. mutaciones genómicas: cuando afectan a cromosomas completos;
2. mutaciones cromosómicas: si ocurren en una parte del cromosoma e involucra a varios genes;
3. mutaciones génicas: si modifican a un sólo gen.
Envejecimiento
A lo largo de la vida van aumentando las mutaciones somáticas como consecuencia de los errores fortuitos que se producen durante la duplicación del ADN y por los agentes mutágenos, produciendo un entorpecimiento de los procesos metabólicos que llevan al envejecimiento y posteriormente a la muerte.
5. Niveles de organización del ADN: el cromosoma eucariótico:
Maduración del ARN
Al ARNm que se obtiene en primera instancia al transcribir la información del ADN se le denomina transcrito primario.
En él están presentes los segmentos que no contienen información, los intrones, y las secuencias que sí guardan información, los exones.
Tras un proceso de maduración se eliminan los intrones y el transcrito primario es convertido en un ARNm maduro que porta la secuencia lineal de un polipéptido funcional.
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| Código Genético Representación del Código Genético con las cuatro bases nitrogenadas en el centro, sus combinaciones en parejas y en codones (tripletes), y los aminoácidos que dan lugar a los codones en el exterior. |
Código Genético: conjunto de tripletes de base de ADN que determinan el orden de los aminoácidos en las proteínas en función del orden en que esos tripletes se hallan en el ADN y se transcriben al ARNm; cada triplete de bases codifica un aminoácido (o bien el principio o el fin de la secuencia).
El código genético es, por tanto, el conjunto de reglas mediante las cuales se establece la relación entre la ordenación lineal de nucleótidos de la molécula de ADN y la ordenación lineal de aminoácidos de los polipéptidos.
La base del código genético es el triplete o codón, constituido por una secuencia cualquiera de tres nucleótidos de los cuatro posibles.
Codón: secuencia de tres bases de ADN que determina que se inserte en el lugar correspondiente de la cadena proteínica un determinado aminoácido, según lo prescribe el código genético.
Las distintas ordenaciones en que pueden aparecer los nucleótidos en el triplete sirven para especificar los diferentes aminoácidos de un polipéptido.
El código genético cumple además una serie de propiedades:
a) es redundante o degenerado: un aminoácido puede ser codificado por más de un codón;
b) es un código sin superposición: un nucleótido sólo pertenece a un codón y no a varios;
c) la lectura es lineal y sin comas: la lectura del ARNm se inicia en un punto y avanza de codón en codón, sin separación entre ellos (comas);
d) es universal: prácticamente todos los seres vivos utilizan el mismo código para traducir el mensaje del ADN a polipéptidos.
La Traducción
Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm en un alfabeto de cuatro letras, es convertida, siguiendo las reglas del código genético, al alfabeto de veinte letras de los polipéptidos. En este proceso participan los ribosomas, el ARNm, los ARNt y el aparato enzimático que cataliza la formación del correspondiente polipéptido.
4. Los errores que nos matan y nos hacen evolucionar: la Mutación
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| Benzopyrene DNA adduct Molécula de benzopireno, mutágeno presente y ejemplo en el humo del tabaco, ligada a una hélice de ADN |
Las mutaciones ocurren al azar y son generalmente perjudiciales, aunque en ocasiones pueden ser también beneficiosas.
Se producen de forma natural durante la replicación del ADN y a causa de agentes mutágenos, como las radiaciones ionizantes o diversos compuestos químicos.
Cuando las mutaciones afectan a las células germinales son transmitidas a los descendientes y tienen una gran importancia para la evolución de las especies.
Las mutaciones somáticas son las que afectan al resto de las células y el cambio se transmitirá a las células hijas, pero no a los individuos de la siguiente generación.
Las mutaciones somáticas son la causa del envejecimiento y del mosaicismo somático, es decir, de la aparición en un individuo de dos líneas celulares que difieren genéticamente.
Las mutaciones pueden ser:
1. mutaciones genómicas: cuando afectan a cromosomas completos;
2. mutaciones cromosómicas: si ocurren en una parte del cromosoma e involucra a varios genes;
3. mutaciones génicas: si modifican a un sólo gen.
Envejecimiento
A lo largo de la vida van aumentando las mutaciones somáticas como consecuencia de los errores fortuitos que se producen durante la duplicación del ADN y por los agentes mutágenos, produciendo un entorpecimiento de los procesos metabólicos que llevan al envejecimiento y posteriormente a la muerte.
5. Niveles de organización del ADN: el cromosoma eucariótico:
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| Nucleosome core particle |
Cromosoma: cada una de las estructuras altamente organizadas, formadas por ADN y proteínas, que contiene la mayor parte de la información genética de un individuo.
El término cromosoma ha experimentado distintas acepciones a lo largo de la historia.
Actualmente es la molécula de ácido nucleico que actúa como portadora de la información hereditaria.
Es, por tanto, el ARN de algunos virus, la molécula de ADN de procariotas y cada una de las que se encuentran en el núcleo de la célula eucariota.
El ADN es la mayor de las moléculas que portan los seres vivos.
A lo largo del ciclo celular experimenta distintos grados de condensación.
El menor es el que presenta la euro-cromatina y el máximo es el del cromosoma metafásico, pasando por el de la heterocromatina.
El nivel de organización más elemental se alcanza a través de la unión del ADN a una proteínas denominadas histonas.
Esta unión da lugar a una estructura llamada nucleosoma y representa la unidad básica de condensación del ADN.
Los sucesivos niveles se consiguen gracias a que los nucleosomas se pliegan unos sobre otros de una manera ordenada formando una fibra de 30 nm.
Posteriores enrollamientos de estas fibras proporcionan el grado final de condensación representado en el cromosoma metafásico.
Cromosomas eucarióticos: moléculas muy largas de ADN de doble hélice que están estrechamente relacionadas con proteínas llamadas histonas y otras.
El cromosoma eucariótico está formado por ADN de diferente naturaleza. Un 10% está constituido por ADN altamente repetitivo.
Su función no es conocida y no hay pruebas de que se transcriba.
Otro 20% lo forma el ADN moderadamente repetitivo, relacionado con zonas de reconocimiento para la actuación de determinadas enzimas, con genes que se encuentran en múltiples copias tales como las del ARNr o los de las histonas y con los genes de los anticuerpos.
El 70% restante son secuencias de copia única o escasamente repetitivas, en su mayoría genes estructurales.
No obstante, de este 70% la mayor parte está constituido por intrones, por lo que se estima que realmente sólo entre un 1-5% del ADN es transcrito y traducido a cadenas polipeptidas.
El conjunto de todos los genes de un individuo constituyen su genoma. En nuestra especie está formado por unos 50.000 genes.
Las secuencias reguladoras son segmentos no codificantes relacionados con: el punto de comienzo de la replicación; los puntos de inicio de la recombinación del ADN; el inicio y final de la transcripción de los genes estructurales; y la regulación de la expresión génica.
Genoma: conjunto total de genes portados por los miembros de una especie; todas las secuencias de ADN de un organismo.
El Proyecto Genoma Humano fue fundado en 1990 en el Departamento de Energía de EE.UU. bajo la dirección de Francis Collins.
En el año 2.000 concluía la 1ª fase del trabajo y se hacían públicos los resultados.
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| Genoma Humano Los últimos datos tras la secuenciación del ADN humano en el año 2000, cifran en unos 50.000 los genes del genoma del ser humano. Actualmente, sólo se conocen cuatro mil de los cincuenta mil genes que tendría nuestro genoma. Muchos aspectos relacionados con la actividad génica se irán dilucidando gracias a la secuenciación de las cuarenta y seis moléculas de ADN que constituye el cariotipo. |
6. Regulación de la Expresión Génica
Los procesos de regulación génica son aquellos que hacen que las células de un individuo, a pesar de llevar la misma información, se diferencien morfológica y fisiológicamente (diferenciación celular), y adquieran conformaciones espaciales particulares dando origen a órganos y otras estructuras corporales (organogénesis y morfogénesis).
También son los responsables de que los distintos polipéptidos de una célula se sinteticen sólo en los momentos en que son necesarios.
La regulación de la expresión génica en una célula se lleva a cabo a corto y a largo plazo.
La realizada a corto plazo está relacionada, en general, con el metabolismo celular y provoca la alteración pasajera de la expresión génica.
En ella intervienen genes reguladores que codifican proteínas reguladoras.
Gen regulador: gen que contiene la información para sintetizar una proteína reguladora que puede funcionar como represor o inductor.
Estas proteínas se unen a las secuencias reguladoras del ADN impidiendo que la ARN polimerasa pueda transcribir los correspondientes genes estructurales.
Existen moléculas llamadas inductores que, al unirse a ciertas proteínas reguladoras, hacen que cambie la estructura tridimensional de éstas y que se separen de las secuencias reguladoras, permitiendo con ello la transcripción de los genes estructurales que bloqueaban. Los correpresores, sin embargo, son moléculas que al unirse a las proteínas reguladoras hacen que adopten la estructura tridimensional adecuada para acoplarse a las secuencias reguladoras e impedir la transcripción de los correspondientes genes estructurales.
Regulación de la Expresión Génica a Corto Plazo
El modelo del operón representa un ejemplo de cómo se realiza la regulación de la expresión génica a corto plazo en los procariotas.
Operón: unidad genética de transcripción consistente en varios genes estructurales que se transcriben conjuntamente; esta unidad de transcripción contiene además dos regiones más:
el operador y el promotor.
En este modelo se explica de qué forma se regula en la bacteria E. coli la síntesis de las enzimas que intervienen en la degradación de la lactosa.
Una molécula denominada represor, cuya secuencia es codificada por un gen regulador, se une al operador (secuencia reguladora) impidiendo con ello la transcripción de los genes lac. Cuando en el medio hay lactosa, un metabolito de ésta actúa como inductor y se une al represor separándolo de la secuencia reguladora.
De esta forma se pueden transcribir los genes lac y producirse las enzimas que degradarán a la lactosa.
Cuando esto ocurra, desaparecerá también el inductor (es un metabolito de la lactosa) y un nuevo represor se unirá al operador finalizando la transcripción de los genes lac.
Regulación de la Expresión Génica a Largo Plazo
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| Felix silvestris catus La pigmentación del pelo de los gatos depende de un gen localizado en el cromosoma X. Las gatas heterocigotas presentan un pelaje abigarrado debido a la inactivación de uno de los cromosomas X de las células encargadas de la formación del pelo. |
Ambas están implicadas en dicha diferenciación, ya que gracias a ellas cada tipo celular, neurona, glía, fibra muscular, etc., expresa determinadas propiedades relacionadas directamente con aquellos genes que no han sido metilados o condensados.
La metilación y condensación suelen suceder en las primeras etapas del desarrollo y, una vez que se han producido, tanto las zonas metiladas como las altamente condensadas se heredan a través de la mitosis.
Un ejemplo de condensación lo representa el fenómeno de inactivación del cromosoma X en las hembras de los mamíferos.
En ellas, todas sus células presentan uno de los cromosomas X condensado, inactivado, formando lo que se denomina cromatina sexual o corpúsculo de Barr.
Por este motivo, los genes situados sobre el cromosoma inactivo no pueden expresarse.
Ello hace que cuando un determinado locus del cromosoma X se presenta en heterocigosis, las células manifestarán un fenotipo u otro para ese locus, dependiendo del alelo que esté inactivado en ellas.
A este fenómeno se le llama mosaicismo.
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| De izquierda a derecha, las estructuras de ADN-A; ADN-B; y ADN-Z Como puede observarse el ADN está formado por dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor de un eje central imaginario. Una de las propiedades que debe cumplir el material genético es que pueda guardar información. Las preguntas planteadas por los científicos fueron: "¿cómo con las cuatro letras del ADN podemos almacenar información acerca de las veinte letras de los polipéptidos?" "¿cómo está codificada en el ADN y en el ARNm la información referente a la secuencia de aminiácidos de un polipéptido?" Dado que la naturaleza del ADN y la de los polipéptidos es distinta, esa información debe ser guardada de forma cifrada de acuerdo con un código. Según los biopsicólogos: "Sólo conocemos 4.000 de los 50.000 genes que parece tener nuestro genoma. Quedan, por tanto, por identificar un gran número de genes inmersos en esa sopa de seis mil millones de letras que representa nuestro ADN, determinar sus funciones, averiguar cómo se regula su expresión y estudiar cómo interaccionan entre ellos y con el ambiente para hacer posible, por ejemplo, la aparición de comportamientos tan complejos como los relacionados con el amor, la depresión o el arte". |
