TEMA 14. Fisiología celular. Genética molecular. La genética molecular es la parte de la Biología que se encarga de estudiar las moléculas que contienen, transmiten de una generación a la siguiente y permiten la expresión de la información genética. Estudia también, a nivel molécular, los procesos relacionados con la transmisión y la expresión de la información genética. 1-El ADN como depositario de la información genética. Durante la primera mitad del siglo XX los científicos discutieron sobre cual era la molécula o moléculas que contenían la información genética. Había dos candidatos para esta función: los ácidos nucleicos y las proteínas. Las primeras pistas para establecer en que molécula residía la información genética fueron obtenidas por F. Griffith en 1928, experimentando con la bacteria Streptococcus pneumoniae.

En 1944 G. Avery demostró que el ADN era la molécula que permitía la transformación de las bacterias de la neumonía, usando una nucleasa, enzima que degrada específicamente el ADN sin afectar a las proteínas, consiguió impedir la transformación de las bacterias S en bacterias R. Más tarde, en 1952 D. Hershey y M. Chase pusieron a punto los experimentos que permitieron demostrar que todos los seres vivos (no sólo las bacterias) guardan su información genética en el ADN.

2-Autoduplicación o replicación del ADN. Síntesis de ADN: La síntesis del ADN tiene lugar en el periodo S de la interfase del ciclo celular. Es un proceso que permite la formación de dos moléculas idénticas de ADN a partir de una única molécula que actúa como molde. Este proceso (autoduplicación del ADN) permite hacer copias de la información genética que está contenida en la secuencia de las bases nitrogenadas del ADN. El proceso de la replicación comienza cuando una serie de proteínas se unen a puntos concretos de la molécula de ADN (origen de replicación) y la desnaturalizan, es decir, separan las dos cadenas o hebras al romper los puentes de hidrógeno que las mantienen unidas. A continuación a cada cadena o hebra se une una enzima llamada ADN–polimerasa.

Una vez unida a las cadenas de ADN, la ADN-polimerasa empieza a desplazarse sobre la cadena y van fabricando una cadena complementaria sobre la que se desplaza. La ADN-

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polimerasa va polimerizando desoxirribonucleótidos de guanina, timina, citosina y adenina, con una secuencia complementaria a la de la cadena que utiliza como molde. La molécula de ADN que se fabrica es antiparalela respecto de la cadena de ADN que sirve como molde.

El proceso termina cuando las ADN–polimerasas llegan al extremo de la cadena. Se forman dos moléculas idénticas de ADN. El proceso de la replicación del ADN se dice que es semiconservativa porque dos moléculas que se han formado contienen una hebra o cadena preexistente y otra de nueva síntesis.

La ADN–polimerasa es muy eficaz en su función, en el sentido en que se equivoca muy raramente a la hora de colocar los nuevos nucleótidos en la cadena que está sintetizando. Cualquier error en la introducción de nucleótidos supone una mutación a nivel molecular. Una mutación es cualquier cambio que se produzca en la información genética. En general las mutaciones resultan perjudiciales para las células ya que alteran su funcionamiento. El proceso de la replicación es muy similar en las células procarióticas y eucarióticas, las principales diferencias son: -En procariotas sólo hay un único lugar de iniciación de la replicación, mientras que en eucariotas existen muchos puntos de iniciación en cada cromosoma. -En procariotas existen tres tipos de ADN-polimerasa (I, II, y III) mientras que en eucariotas existen 5 tipos, cada uno con diferente función). 3. Algunos datos sobre el genoma y la replicación. El genoma humano tiene unos 3.500 millones de pares de bases y contiene unos 30.000 genes. Sólo un 10 % del genoma tiene información útil para la síntesis de proteínas, el 90 % restante se distribuye entre los microsatélites o ADN altamente repetitivo (la secuencia ACAAACT se repite 12 millones de veces en el genoma de Drosophila) y los intrones (porciones de los genes que no se expresan). La ADN Polimerasa es capaz de encadenar nucleótidos a una velocidad de 45.000 nucleótidos/min. Sólo se equivoca en una ocasión de cada 50 millones de nucleótidos encadenados. El sistema de corrección de errores de la replicación deja sin corregir sólo 1 de cada 100.000 errores.

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4.Transcripción: Es el proceso de síntesis del ARN. Los distintos tipos de ARN se sintetizan utilizando como molde determinadas secuencias de nucleótidos del ADN de las células. El proceso de la transcripción comienza con la desnaturalización de puntos concretos (llamados promotores) de la molécula de ADN, este proceso lo realizan las proteínas desnaturalizantes. Estos puntos del ADN son reconocidos por unas enzimas denominadas ARN–polimerasas que se fijan a una de las cadenas de ADN y comienzan a polimerizar ribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y uracilo en una secuencia complementaria a la que aparece en la molécula de ADN que utiliza como molde. La ARN–polimerasa reconoce como base nitrogenada complementaria de adenina al uracilo en lugar a la timina.

La molécula de ARN que se fabrica es antiparalela respecto de la molécula de ADN que sirve como molde. El proceso de la transcripción termina cuando la ARN–polimerasa llega a un punto sobre el ADN denominado sitio de terminación de la transcripción. En ese punto la ARN– polimerasa libera la molécula de ARN y se separa del ADN.

Podemos ahora definir un Gen como el fragmento de ADN que contiene la información genética necesaria para fabricar un determinado tipo de ARN. El gen es la unidad de información genética, y excepto en los casos de los genes que codifican los ARNt y los ARNr, cada gen codifica una determinada proteína. 5. Maduración postranscripcional del ARN: Los distintos tipos de ARN son transformados después de su síntesis para poder realizar su función en las células. A ese conjunto de transformaciones se le denomina maduración transcripcional del ARN. Este proceso sólo tiene lugar en las células eucarióticas. 5.1 Adición de Poli – A: Es la primera transformación. Sólo lo sufren los ARNm y consiste en la unión en los extremos 3’ del ARN de una cadena de entre 25 – 30 nucleótidos de adenina. La función del poli – A parece ser la de proteger al ARN de la degradación enzimática dentro de las células. También le sirve al ARNm poder unirse al ribosoma durante la síntesis de proteínas. 5.2 Eliminación de los Intrones: La sufren todos los tipos de ARN de las células eucarióticas. Después de la transcripción se cortan determinados fragmentos del ARN. Estos fragmentos no realizan ninguna función en las células y son degradados; reciben el nombre de intrones. Los fragmentos que permanecen en el ARN se denominan exones.

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6. Traducción: La traducción es la síntesis de proteínas, se realiza a partir de la información genética contenida en el ADN y transcrita en el ARN. 5.1 Características del código genético: El código genético es la clave que identifica la equivalencia entre aminoácidos(aa) de una proteína y secuencia de bases nitrogenadas del ARN. Es un código de tripletes, cada trío de bases nitrogenadas del ARN (codón o codon) señala un a.a. Hay más codones que a.a., esto le confiere al ADN una propiedad, es degenerado o redundante, un mismo a.a. es codificado por más de un codón. La redundancia o degeneración del código genético es muy importante para los seres vivos ya que permite algunas mutaciones sin que produzcan cambios en las proteínas (mutaciones silenciosas). Existen tripletes o codones de fin (o mudos) que no codifican ningún a.a. indican el final del mensaje genético, el final de la traducción. El código genético es universal, es decir, es igual para todos los seres vivos. La correspondencia en bases nitrogenadas del ADN y aa de las proteínas es la misma en todos los seres vivos. El código genético

5.2 Síntesis de proteínas: Es un proceso complejo que tiene lugar en el citoplasma de la célula, en él intervienen los tres tipos de ARN (mensajero, transferente, ribosómico). Tiene lugar en los ribosomas y se divide en cuatro fases: 5.2.1 Activación de los a.a.: consiste en la unión de a.a. a una molécula de ARNt. Cada a.a. se une a una ARNt específico. El ARNt posee tres brazos y en el extremo de uno de ellos aparece un triplete de bases nitrogenadas denominado anticodón y es distinto para cada uno de los tipos de ARNt.

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5.2.2 Iniciación: en esta fase el ARNm que contiene la información necesaria para fabricar una determinada proteína se une a la subunidad pequeña del ribosoma. A continuación sobre el primer codón del ARNm se une, utilizando su anticodon que es complementario, el primer ARN de transferencia que lleva unido el primer a.a. de la proteína. La unión entre el ARNm y el ARNt se produce porque las bases nitrogenadas del codón son complementarias con las del anticodón y se forman los correspondientes puentes de hidrógeno (todos los ARNm tienen como primer codón AUG). A continuación se une la subunidad grande del ribosoma.

5.2.3 Elongación: en esta fase se van a encadenar los a.a. de la proteína. Comienza al entrar en el ribosoma el segundo ARNt cargado con el segundo a.a. Ese segundo ARNt se une por su anticodón al segundo codón del ARNm con el que es complementario. A continuación se forma el enlace peptídico entre esos dos a.a. y se libera el primer ARNt. Lo siguiente que ocurre es que el ribosoma avanza un codón sobre ARNm en dirección 5’ – 3’. Después entra el tercer ARNt cargado con su a.a. cuyo anticodón es complementario en el tercer codón del ARNm y se vuelve a formar un nuevo enlace peptídico. A partir de aquí el proceso se repite tantas veces como a.a. posea la proteína (igual al número de codones que tenga el ARNm).

5.2.4 Finalización de la síntesis de proteínas: comienza cuando el ribosoma llega a un codón de fin. No existe ningún ARNt que tenga un anticodón complementario con los codones de fin, por lo que el ribosoma se detiene en ese punto liberándose la proteína con el último ARNt, también se separa las dos subunidades de ribosoma quedando libre el ARNm.

El proceso de la traducción es muy similar en las células procarióticas y eucarióticas, las principales diferencias son: -En el extremo 5’ del ARNm de eucariotas aparece una metil-guanosina-trifosfato (caperuza) que no aparece en procariotas, y cuya función es la unión al ribosoma. -Los ARNm de eucariotas son monocistrónicos (llevan información para una única proteína) mientras que en procariotas son policistrónicos.

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6. Idea central de la biología molecular: El flujo de información genética es unidireccional y va desde el ADN hasta las proteínas pasando siempre por el ARN. La información genética contenida en el ADN se expresa mediante la síntesis de proteínas, que son las moléculas que directamente regulan el funcionamiento de las células.

Todo esto es cierto para las células, pero si hablamos de virus existe un grupo de estos organismos denominados retrovirus, que contienen su información genética en una molécula de ARN y poseen una enzima denominada transcriptasa inversa que es capaz de sintetizar ADN con una secuencia complementaria a la de su ARN. 7. Mutaciones. Alteraciones de la información genética Cualquier alteración de la información genética de un individuo recibe el nombre de mutación. El individuo que porta una mutación recibe el nombre de mutante. En general las mutaciones son perjudiciales para las células, aunque en ocasiones son beneficiosas y constituyen la base de la variabilidad genética, en la que se apoya la evolución de las especies. 7.1 Existen tres tipos de mutaciones: 7.1.1 Mutaciones puntuales o génicas. Son alteraciones de la secuencia de bases de un único gen. Pueden ser de varios tipos: Sustituciones (se cambia una base nitrogenada del ADN por otra), Deleciones (se elimina un nucleótido del ADN) o Inserciones (se añade un nucleótido al ADN). Los dos últimos tipos suelen tener consecuencias graves para la célula, pues provocan un corrimiento en el marco de lectura del ADN, y por tanto el cambio en la secuencia de aminoácidos de la proteína a partir del punto en que se producen (una sustitución sólo provoca el cambio de un aminoácido).

7.1.2 Mutaciones cromosómicas. Afectan a la estructura de uno o más cromosomas. Pueden ser de varios tipos: deficiencias o deleciones (si falta un fragmento de un cromosoma), duplicaciones o repeticiones (si un segmento de un cromosoma aparece más de una vez), translocaciones (si un trozo de un cromosoma aparece con distinta localización) e inversiones (si un fragmento de cromosoma aparece invertido). En general los dos primeros tipos son más graves para los seres vivos. 7.1.3 Mutaciones genómicas. Son variaciones en el número normal de cromosomas. Existen dos tipos: -Euploidías. Son alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas. Los individuos que tienen tres juegos de cromosomas se dice que son triploides (3n), con 4n tetraploides y en general poliploides. -Aneuploidías. Son alteraciones en las que falta o hay un cromosoma de más. Las más comunes son las trisomías (un cromosoma de más) y las monosomías un cromosoma de menos).

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7.2 Mutaciones y evolución. En general las mutaciones son perjudiciales para las células, aunque en ocasiones son beneficiosas y constituyen el origen de la variabilidad genética en el que se apoya la evolución de las especies. Si la única causa de variabilidad genética fuera la mutación, la evolución sería muy lenta, las otras causas son la reconbinación y la mezcla de información genética asociada a la reproducción sexual. 7.3 Mutaciones y cancer. En general las mutaciones que tienen importancia para los seres vivos son aquellas que se producen en las células de la línea germinal, es decir las células que originan los gametos. Estas mutaciones se transmiten a la siguiente generación. Las mutaciones que se producen en las células somáticas (no de la línea germinal) no tienen mucha importancia (sólo afectan a esa célula y a las que origine por mitosis) excepto que ocurran durante el desarrollo embrionario (malformaciones congénitas) o que afecten a genes que regulan el ciclo celular (protooncogenes) en cuyo caso pueden dar lugar a que la célula se reproduzca sin control originando un cancer (el gen mutante que origina una reproducción incontrolada de la célula se denomina oncogen). 8. Agentes mutagénicos. Son los factores físicos o químicos que producen mutaciones. Actúan dañando o alterando la estructura del ADN. Se suelen clasificar en dos grupos: -Mutágenos físicos. Son las radiaciones, tanto las ionizantes (rayos X, rayos , etc...) y las no ionizantes (rayos UV). -Mutágenos químicos. Son compuestos químicos que reaccionan con el ADN, como el ac. Nitroso, los agentes alquilantes etc...

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