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Manual QIR

VOLUMEN IV: MANUAL DE BIOLOGÍA MOLECULAR Y

TÉCNICAS INMUNOLÓGICAS

Autor: Dr. Tomás E. Verdura González

Editora: Dra. Iliana Perdomo López

Manual QIR. VOLUMEN IV: MANUAL DE BIOLOGÍA

MOLECULAR Y TÉCNICAS INMUNOLÓGICAS

Autor: Dr. Tomás E. Verdura González

© Iliana Perdomo López (editora). Depósito legal: DLC 614-2012

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ÍNDICE DE MANUAL DE BIOLOGÍA MOLECULAR Y TÉCNICAS INMUNOLÓGICAS

UNIDAD I: BIOLOGÍA MOLECULAR

1.- COMPONENTES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 1

2.- ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 13

2.1- ESTRUCTURA PRIMARIA 14

2.2- PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 14

3.- ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN 17

3.1- REGLAS DE CHARGAFF 17

3.2.- MODELO DE WATSON Y CRICK: FORMA B DEL ADN 17

3.3.- VARIACIONES EN LA ESTRUCTURA DEL ADN 20

3.4.- PROTEÍNAS DE UNIÓN AL ADN 25

4.- ESTRUCTURAS DE ORDEN SUPERIOR DEL ADN. ESTRUCTURAS DE LOS ARNs 29

4.1.- SUPERENROLLAMIENTO DEL ADN. ESTRUCTURA TERCIARIA 29

4.2.- ESTRUCTURA DE LOS ARNs 33

4.3.- LOS RIBOSOMAS 39

5.- CONDENSACIÓN DEL ADN Y CROMOSOMAS 41

5.1.- COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CROMATINA 41

5.2.- NIVELES DE CONDENSACIÓN DEL ADN NUCLEAR EUCARIÓTICO 43

5.3.- EL CROMOSOMA METAFÁSICO 48

5.4.- DOTACIÓN GENÉTICA EN EUCARIOTAS 55

6.- ORGANIZACIÓN DEL GENOMA DE EUCARIOTAS 57

6.1.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL GENOMA. DIFERENCIAS ENTRE

PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

57

6.2.- COMPLEJIDAD DEL GENOMA EUCARIÓTICO 59

6.3.- COMPLEJIDAD DEL GENOMA HUMANO 60

6.4.- ADN DE COPIA ÚNICA, SIMPLE O NO REPETITIVO 61

6.5.- ADN REPETITIVO 61

6.6.- ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA COMPLEJIDAD 67

7.- EL CICLO CELULAR 71

7.1.- CONTROL DEL CICLO CELULAR 72

7.2.- DIVISIÓN CELULAR 86

7.3.- DIFERENCIAS ENTRE MITOSIS Y MEIOSIS 95

7.4.- LA GAMETOGÉNESIS 95

8.- LA REPLICACIÓN DEL ADN 99

8.1.- CARACTERÍSTICAS 99

8.2.- ENZIMOLOGÍA DE LA REPLICACIÓN 102

8.3.- ETAPAS DE LA REPLICACIÓN 106

8.4.- REPLICACIÓN MITOCONDRIAL 115

8.5.- REPLICACIÓN POR CÍRCULOS RODANTES 115

9.- LA TRANSCRIPCIÓN 117

9.1.- CONCEPTO DE GEN 117

9.2.- ENZIMOLOGÍA DE LA TRANSCRIPCIÓN 119

9.3.- DIFERENCIAS EN LA TRANSCRIPCIÓN DE EUCARIOTAS

CON RESPECTO A LA DE PROCARIOTAS

120

9.4.- ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN 123

9.5.- TRANSCRPCIÓN DEL GENOMA MITOCONDRIAL 129

9.6.- INHIBIDORES DE LA TRANSCRIPCIÓN 129

9.7.- SÍNTESIS DE RNA Y DNA DEPENDIENTES DE RNA 129

10.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS: CONTROL

PRETRANSCRIPCIONAL Y TRANSCRIPCIONAL

133

10.1.- CONTROL PRETRANSCRIPCIONAL 134

10.2.- CONTROL TRANSCRIPCIONAL 140

11.- CONTROL POSTRANSCRIPCIONAL O PROCESAMIENTO DEL ARN 161

11.1.- PROCESAMIENTO DEL ARN MENSAJERO 162

11.2.- PROCESAMIENTO DE LOS ARNs RIBOSÓMICOS Y TRANSFERENTES 169

11.3.- MADURACIÓN DEL ARN MITOCONDRIAL 170

11.4.- REGULACIÓN POSTRANSCRIPCIONAL Y PRETRADUCCIONAL 170

12.- EL CÓDIGO GENÉTICO 171

12.1.- CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO 171

12.2.- DESCIFRAMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO 173

13.- TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 175

13.1.- FASE PREVIA: ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS 176

13.2.- INICIACIÓN 179

13.3.- ELONGACIÓN 183

13.4.- TERMINACIÓN 185

13.5.- ENÉRGETICA 186

13.6.- INHIBIDORES DE LA TRADUCCIÓN 187

13.7.- REGULACIÓN TRADUCCIONAL 189

14.- MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES 191

14.1.- TRÁFICO O DESTINO DE LAS PROTEÍNAS 191

14.2.- MADURACIÓN DEL POLIPÉPTIDO NACIENTE 194

14.3.- DEGRADACIÓN DE LAS PROTEÍNAS 201

15.- MUTACIÓN 205

15.1.- MUTACIONES GÉNICAS 205

15.2.- MECANISMOS DE ORIGEN DE LAS MUTACIONES GÉNICAS 208

15.3.- MUTACIONES CROMOSÓMICAS ESTRUCTURALES 212

16.- REPARACIÓN DEL ADN 213

16.1.- SISTEMAS PREVENTIVOS 213

16.2.- REVERSIÓN DIRECTA DE LA LESIÓN 213

16.3.- REPARACIÓN POR ESCISIÓN 214

16.4.- REPARACIÓN POSREPLICACIÓN 217

16.5.- REPARACIÓN GO 219

17.- MÉTODOS DE HIBRIDACIÓN 221

17.1.- HIBRIDACIÓN EN FASE LÍQUIDA 222

17.2.- HIBRIDACIÓN EN SOPORTE SÓLIDO 222

17.3.- HIBRIDACIÓN IN SITU 224

17.4.- MICROARRAY O MICROCHIP DE ADN 229

17.5.- SÍNTESIS DE ADNc 231

17.6.- TRANSFERENCIA WESTERN 231

18.- CLONACIÓN ACELULAR: REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR) 233

18.1.- OBJETIVO Y APLICACIONES DE LA PCR 233

18.2.- REQUERIMIENTOS 234

18.3.- ETAPAS DEL PROCESO 234

18.4.- CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO 236

18.5.- VARIANTES DEL MÉTODO 237

19.- TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE 241

19.1.- NUCLEASAS 241

19.2.- ENZIMAS DE RESTRICCIÓN 241

19.3.- CLONACIÓN CELULAR DE MOLÉCULAS DE ADN 245

19.4.- GENOTECAS 254

20.- ENFERMEDADES GENÉTICAS. ENFERMEDADES MONOGÉNICAS Y

MULTIFACTORIALES

255

20.1.- CLASIFICACIÓN DE LAS ENFERMEDADES GENÉTICAS 255

20.2.- ENFERMEDADES MONOGÉNICAS NUCLEARES 257

20.3.- ENFERMEDADES MITOCONDRIALES 266

20.4.- ENFERMEDADES POLIGÉNICAS, MULTIFACTORIALES, COMPLEJAS

O MIXTAS

267

20.5.- ENFERMEDADES COMPLEJAS: ENFERMEDAD DE ALZHEIMER 269

21.- BASES MOLECULARES DEL CÁNCER 271

21.1.- GENES RESPONSABLES DEL CÁNCER 271

21.2.- RUTAS REGULADORAS DE LA PROLIFERACIÓN CELULAR 274

22.- MAPA GENÉTICO Y FÍSICO DEL GENOMA 281

22.1.- MAPA GENÉTICO O DE LIGAMIENTO 281

22.2.- MAPA FÍSICO 281

22.3.- SECUENCIACIÓN 286

BIBLIOGRAFÍA 293

UNIDAD II: TÉCNICAS INMUNOLÓGICAS

21.- TÉCNICAS INMUNOLÓGICAS 295

BIBLIOGRAFÍA

343

Biología Molecular InspiracleQIR/2016

1

1. COMPONENTES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. (2014) 128, 220;

(2011) 156; (2010) 160; (2009) 161, 163, 229, 234, 236; (2008) 107, 168; (2007) 66;

(2005) 219; (2004) 224, 240.

Los ácidos nucleicos son macromoléculas catenarias compuestas exclusivamente por C,

H, O, N y P y constituidas por monómeros denominados nucleótidos. Existen dos tipos de

ácidos nucleicos, ADN y ARN, formados cada uno por un tipo de nucleótido:

- ADN (ácido desoxirribonucleico) por desoxirribonucleótidos.

- ARN (ácido ribonucleico) por ribonucleótidos.

Independientemente de su tipo, cada nucleótido consta de tres componentes:

1. Una pentosa.

Aparece en su forma más estable, la configuración β: la β-D-ribofuranosa (ribosa) en el

ARN y la β-D-2-desoxirribofuranosa (deoxirribosa) en el ADN. p. 145 (2004)

Fuente: Figura apartado 2.2 (pag 11) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética.,

Barcelona, 1ª ed., 2008”.

2. Una base nitrogenada heterocíclica.

Moléculas con más de un átomo de nitrógeno. Pertenecen a dos familias distintas:

- pirimidínicas: derivadas de la pirimidina, formadas sólo por un anillo. Son tres: citosina (C),

timina (T) y uracilo (U).

- púricas: formadas por dos anillos condensados. Son dos, adenina (A) y guanina (G).

InspiracleQIR/2016 Biología Molecular

4

f) Absorción de luz en el ultravioleta. Debido a su carácter aromático, a pH=7 absorben luz

en el UV con un máximo en 260 nm. Esta propiedad se mantiene en los ácidos nucleicos. p.

236 (2009).

Existen otras bases poco frecuentes que surgen por modificación de las bases

principales, A, G, C y U o de alguno de sus análogos (hipoxantina, H). Las bases

nitrogenadas alteradas o minoritarias sirven a menudo como señales específicas para la

regulación o la protección de la información genética. p. 128 (2014).

Fuente: Figura apartado 2.32 (pag 13) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética.,



17

3. ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN. (2015) 212; (2014) 217;

(2013) 218, 225; (2012) 109, 153; (2010) 210, 226, 230, 247; (2009) 163; (2008)

180, 185; (2007) 10; (2006) 164;(2004) 145, 204; (2003) 196.

3.1. REGLAS DE CHARGAFF

La composición de bases del ADN es característica de cada especie y siempre se

cumplen ciertas relaciones formuladas como las tres primeras reglas de Chargaff.

1. Relación entre bases: en prácticamente todas las especies el contenido de A se aproxima

al de T y el de G al de C. No se cumple si el material genético está formado por ARN o ADN

de cadena sencilla.

A ≈ T → Razón A/T ≈ T/A ≈ 1

G ≈ C → Razón G/C ≈ C/G ≈ 1

2. Relación entre purinas y pirimidinas:

A+G ≈ T+C ≈ 50% → Razón (A+G) / (T+C) ≈ 1

Purinas ≈ pirimidinas ≈ 50% → Razón purinas / pirimidinas ≈ 1

3. Relación entre aminobases y oxobases

(A+C) / (T+G) = 1

Otras relaciones entre bases no se mantienen constantes entre especies, entre ellas

se encuentra la razón de asimetría: (A+T) / (G+C). Su valor no se aproxima a la unidad.

Tiene valor taxonómico puesto que especies evolutivamente relacionadas tienen una razón

de asimetría similar, mientras que especies muy alejadas tienden a tenerla diferente.

3.2. MODELO DE WATSON Y CRICK: FORMA B DEL ADN. p. 225 (2013); 153

(2012); 10 (2007); 145, 204 (2004).

El modelo tridimensional propuesto por James Watson y Francis Crick en 1953

corresponde a la actualmente denominada forma B del ADN, la más común y estable que

puede adoptar un ADN en condiciones fisiológicas. Se basó en el análisis por difracción de

rayos X, las reglas de Chargaff y resultados de otras técnicas. Presenta las siguientes

características:

a) Complementariedad de las bases nitrogenadas. La estructura química de las bases

permite la formación de tres enlaces específicos por puente de hidrógeno entre G y C y dos

entre A y T (o A y U). A estas bases se les denomina bases complementarias o pares de

bases. Vemos así que las reglas de Chargaff se cumplen cuando se considera la

composición total del ADN de doble hebra, pero no para cada hebra por separado.

A valores de pH inferiores o superiores al fisiológico, se rompen los puentes de

hidrógeno y se separan las hebras, fenómeno denominado desnaturalización.


22

Fuente: Modelos ADN (pag 54) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética.,


Las diferencias son originadas por una distinta conformación de la desoxirribosa. En el

A-ADN, el C3´ sobresale del plano formado por los otros tres carbonos de la pentosa,

mientras que en el B-ADN es el C2´. Esto determina que en la forma A del ADN los dos

grupos fosfato consecutivos estén más próximos entre sí, lo que explica que los pares de

bases sucesivos se acerquen, acortando la cadena.

Forma Z del ADN. p. 196 (2003)

Se ha observado in vivo en algunas regiones del genoma de células eucariotas. Su

función parece estar relacionada con el control de la expresión génica y con la

recombinación.

La hélice Z es levógira, la más estrecha, la más larga y la que tiene mayor número de

pares de bases por vuelta. En su superficie forma un solo surco profundo (correspondiente a

la posición del surco menor en A- y B- ADN).

En las formas A y B todas las bases se orientan alejadas del anillo de pentosa, en la

llamada conformación anti, mientras que en el ADN Z sólo lo hacen las pirimidinas; las

purinas tienden a situarse sobre la pentosa (conformación sin). Por ello, en las secuencias

de purinas y pirimidinas alternantes, como CGCGCGCGCG, típicas del Z-ADN, se favorece


29

4. ESTRUCTURAS DE ORDEN SUPERIOR DEL ADN.

ESTRUCTURA DE LOS ARNs. (2015) 184; (2014) 196; (2013) 156, 200,

215, 224, 226; (2011) 160, 247, 249; (2010) 215, 236; (2009) 139, 152, 153, 173

(2008) 161, 163, 192, 234; (2006) 252; (2005) 176, 214; (2004) 146, 256.

Los ácidos nucleicos se encuentran en las células más compactados, que es su

estructura secundaria. Para el ADN, parte de la condensación se debe al

superenrollamiento, y parte a la asociación con proteínas.

4.1. SUPERENROLLAMIENTO DEL ADN. ESTRUCTURA TERCIARIA.

Se entiende por superenrollamiento del ADN al retorcimiento o giro sobre sí misma

de la doble hélice (que ya lleva implícito el enrollamiento de las dos hebras), de forma que

su eje no sigue una línea recta, sino otra hélice, una “superhélice”. La causa es la

introducción de una tensión estructural en la molécula. Aparece en todos los ADNs celulares

y están regulados in vivo por las topoisomerasas.

El superenrollamiento es plectonémico, es decir, la disposición topológica impide

que las dos cadenas de una hélice se separen sin desenrollarse.

4.1.1. Superenrollamiento del ADN en procariotas y mitocondrias y cloroplastos. p.

214 (2005)

La conformación adoptada por el ADN en su forma B corresponde a un estado de

máxima estabilidad y de mínima energía, que se considera no superenrollado o relajado

cuando el eje de la doble hélice se puede disponer completamente sobre un plano.

Pero en las células, el ADN se encuentra en un estado no relajado, superenrollado

y más compacto. Esto es originado por las topoisomerasas, que al cortar una o las dos

hebras del ADN, aumentan o disminuyen el número de vueltas de hélice. Se produce

entonces una tensión estructural debida a un plegamiento local de las hebras y a una

posición de los nucleótidos diferente de la energéticamente más estable. Esta tensión se

contrarresta formando un superenrollamiento: la cadena entera gira sobre sí misma de

forma que las bases puedan disponerse del modo más próximo al B-ADN.

El número de vueltas de hélice es indicativo exacto del superenrollamiento, de forma

que:

- Si se reduce el número de vueltas, por desenrollamiento de la hélice, se forma

una superhélice a la que se asigna un valor negativo de superenrollamiento.

- Si se aumenta el número de vueltas, por superenrollamiento de la hélice, se forma

una superhélice de sentido opuesto, con un superenrollamiento positivo.


31

En el ADN celular el grado de desenrollamiento oscila entre σ = - 0,05 a – 0,07. El

signo negativo indica que la variación es por desenrollamiento → SUPERENROLLAMIENTO

NEGATIVO.

En determinadas condiciones el ADN puede estar superenrollado →

SUPERENROLLAMIENTO POSITIVO.

c. Número de torsión (Tw), Twisting number. Es el número de giros de la doble hélice,

depende de la torsión local entre pares de bases adyacentes.

d. Número de retorcimientos (Wr), Writhing number. Es el número de vueltas de

superenrollamiento, una medida del enrollamiento del eje de la hélice.

Lk = Tw + Wr

4.1.2. Las topoisomerasas. p. 184 (2015); 156, 215 (2013); 226 (2012); 192 (2008)

Catalizan cambios en el número de enlace y con ello aumentan o disminuyen el

grado de enrollamiento. Hay dos tipos:

- Topoisomerasas de tipo I: Cortan transitoriamente una cadena del ADN, hacen pasar la

hebra intacta a través del corte y vuelven a unir los extremos cortados. Un extremo de la

hebra cortada se une covalentemente a una tirosina del centro activo de la enzima mientras

se manipula el extremo o los extremos libres. Utilizan Mg2+ como cofactor. Cambian L en

una unidad.

Ejemplos: Topoisomerasas I y III de E. coli; topoisomerasa III de levadura y humana;

girasa inversa arqueobacteriana y topoisomerasa I eucariota.

- Topoisomerasas de tipo II: cortan las dos hebras de la molécula de ADN y modifican L en

dos unidades. Requieren Mg2+ y ATP. Ej. Topoisomerasas II procariótica (DNA girasa) y IV

(decatenasa, encargada de separar las dos moléculas hijas tras la replicación) de E. coli y la

topisomerasa II eucarionte. p. 184 (2015); 215 (2013); 226 (2012)


41

5. CONDENSACIÓN DEL ADN Y CROMOSOMAS. (2015) 140;

(2014) 124, 204; (2013) 204; (2008) 190; (2007) 5, 14, 69; (2006) 189, 205, 236;

(2005) 241; (2003) 152.

En eucariotas la condensación del ADN comprende dos aspectos, el

superenrollamiento negativo similar al de procariotas y el empaquetamiento debido a la

asociación con proteínas.

La condensación del ADN desde cromatina a cromosomas ocurre de forma gradual

durante la fase G2 del ciclo celular y la descondensación comienza después de la división y

continúa durante G1.

5.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CROMATINA. p. 140 (2015); 124 (2014); 5,

14(2007); 205, 236 (2006)

Los principales componentes que se obtienen cuando se aísla la cromatina de los

núcleos interfásicos son el ADN, las proteínas histónicas, las proteínas no histónicas y el

ARN. Si se toma como unidad de comparación la cantidad de ADN, los demás componentes

aparecen en las siguientes proporciones:

ADN HISTONAS NO HISTONAS ARN

1 1 0,5 - 1,5 0,05

La cantidad de las proteínas no histónicas puede variar de unos tejidos a otros en el mismo individuo y dentro del mismo tejido

a lo largo del desarrollo.

Histonas. p. 124 (2014); 5, 14 (2007); 205 (2006); 236 (2006)

Son las principales proteínas componentes del material genético, equivalen en masa

al ADN y contribuyen estabilizando la estructura del ADN para facilitar su empaquetamiento

en unidades estructurales denominadas nucleosomas. Son proteínas pequeñas, con casi un

tercio de aminoácidos básicos (lisina y arginina) y carga positiva a pH fisiológico que se

asocian por interacciones electrostáticas con los grupos fosfato.

Existen cinco tipos de histonas, H1, H2A, H2B, H3 y H4, que difieren en su

composición y en su papel en la organización del cromosoma. La H1 presenta mayor

variabilidad de secuencia y tamaño (de 215 a 244 aminoácidos) en distintas especies y en

eritrocitos nucleados de peces, anfibios y aves es sustituida por la histona H5 que refuerza

la compactación. Las histonas H3 y H4 tienen secuencias de aminoácidos prácticamente

idénticas en todos los eucariotas, lo cual sugiere que sus funciones se han conservado

rigurosamente a lo largo de la evolución. El grado de condensación del ADN se regula en

parte mediante la acetilación y fosforilación de las histonas, la mayoría se produce en las


56

heterogamético. El par XX está formado por cromosomas homólogos, sin embargo sólo

una pequeña parte del X e Y son homólogas y se llama región pseudoautosómica.

Las células con más de 2n cromosomas se denominan poliploides.

RESUMEN SOBRE CROMOSOMAS:

La unidad fundamental de organización de la cromatina de las células eucarióticas es

el nucleosoma, formado por histonas y un segmento de DNA de 200 pares de bases.

Un núcleo proteico o core con ocho histonas (dos copias de cada una de las histonas

H2A, H2B, H3 y H4) y otras proteínas no histónicas (nucleoplasmina y proteína N1),

el cual está rodeado por un segmento de DNA (146 pares de bases) en forma de

superhélice solenoidal levógira.

Los nucleosomas forman fibras de 30 nm que se pliegan de manera compacta para

alcanzar la relación de empaquetamiento de 10.000 veces necesaria para alojar un

cromosoma eucariótico típico en el núcleo celular. El plegamiento de orden superior

requiere la unión a un armazón nuclear que contiene histona H1, topoisomerasa II y

proteínas SMC.

Los cromosomas bacterianos también están densamente compactados en el

nucleoide, pero el cromosoma posee una estructura mucho más dinámica e irregular

que la cromatina eucariótica. En eucariotas la tasa de replicación es mucho más

lenta, en cada uno de los cromosomas existen cientos o miles de orígenes de

replicación. Esta diferencia entre células eucariotas y bacterianas es acorde con un

ciclo celular más corto y el metabolismo más activo de las células bacterianas. p. 69

(2007).


57

6. ORGANIZACIÓN DEL GENOMA DE EUCARIOTAS. (2015) 209;

(2014) 213, 219; (2012) 212, 227; (2010) 132, 135; (2007) 54; (2005) 219; (2004)

237.

6.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL GENOMA. DIFERENCIAS

ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS. p. 209 (2015); 213 (2014); 227

(2012); 219 (2005)

Se entiende por genoma el conjunto total de material genético hereditario presente

en una célula, tanto nuclear como extranuclear. En la mayoría de los organismos está

constituido por ADN y sólo en algunos virus es de ARN. p. 227 (2012)

El genoma de procariotas

Es de pequeño tamaño, formado por una molécula circular de ADN localizada en

suspensión en el citosol, en la llamada zona nuclear o nucleoide, sin membrana que la

delimite. Es frecuente que haya pequeñas moléculas de ADN circulares no esenciales

denominadas plásmidos, con replicación autónoma, que confieren resistencia a antibióticos

u otras sustancias tóxicas y se emplean como vectores en ingeniería genética. p. 219 (2005)

El genoma de eucariotas

La cantidad total de ADN de una célula diploide eucariota es entre 8 y 200 veces

superior a la de una célula procariota. En forma lineal, la longitud total del ADN de una célula

humana somática sería de unos 2 metros. El genoma nuclear aparece bajo dos formas

diferentes durante el ciclo celular: cromatina (material filamentoso disperso por el núcleo) en

interfase y cromosomas en división. El genoma de orgánulos, mitocondrias y cloroplastos,

está constituido por varias moléculas de ADN bicatenario circular.

a) El genoma nuclear

Supone más del 90% del ADN celular, está repartido en varios cromosomas en

número variable según la especie. La magnitud del genoma viene determinada por la

cantidad total de ADN en el conjunto de cromosomas y se puede expresar de varias formas:

- en número de cromosomas. En organismos haploides n y en diploides 2n.

- en masa de ADN en pg (picogramos).

- en longitud, como pb (pares de bases en hebra doble), nt (nucleótidos en hebra

sencilla), kb (kilobases = 103 pb) o Mb (megabases = 106 pb).

Todas las células de los individuos de una misma especie poseen la misma cantidad

total de ADN y número de cromosomas, exceptuando los gametos, que poseen la mitad. El

contenido total de ADN y el número de cromosomas varía ampliamente entre especies

diferentes. La magnitud del genoma es mayor cuanto más complejo es el organismo y más

se asciende en la escala evolutiva; sin embargo, esto sólo es válido al comparar especies

muy alejadas evolutivamente.


58

Las estructuras y los mecanismos moleculares son extraordinariamente similares

entre los organismos más simples y los más complejos. Es a nivel de las secuencias donde

estas similitudes se aprecian mejor, ya sea en las del DNA que codifica las proteínas o en

las de las proteínas mismas. Por ejemplo, cuando dos genes comparten secuencias muy

similares (en su DNA o en las proteínas codificadas), se dice que sus secuencias son

homólogas y que las proteínas que codifican son homólogos. Si una misma especie

contiene dos genes homólogos, estos dos genes y sus productos proteicos se denominan

parólogos. Se piensa que los genes parólogos han aparecido por duplicación génica

seguida de cambios graduales en las secuencias de cada una de las copias. Generalmente

las proteínas parólogas son similares, no únicamente en secuencia, sino también en

estructura tridimensional, aunque es habitual que hayan adquirido funciones diferentes a lo

largo de su evolución.

Dos genes (o proteínas) homólogos de especies diferentes se denominan ortólogos.

Es frecuente observar que los ortólogos tienen la misma función en ambos organismos, por

lo que cuando se encuentra que una secuencia génica recién secuenciada es altamente

ortóloga con un gen de otra especie se presume que el gen codifica una proteína con la

misma función en las dos especies. Un genoma anotado contiene, además de la secuencia

del DNA, una descripción de la probable función de cada producto génico deducida a partir

de las comparaciones con otras secuencias genómicas con funciones proteicas

establecidas. En principio, la identificación de las rutas (conjuntos de enzimas) codificadas

en un genoma permite deducir directamente las capacidades metabólicas de un organismo.

p. 209 (2015)

No existe correlación entre el tamaño del genoma de distintas especies y el número

de cromosomas que lo componen. Ej: el genoma humano diploide, de 6,6 · 109 pb, está

repartido en 46 cromosomas y el de la cebolla, de 1,5 · 1010 pb, en 16. Esto sugiere que el

tamaño del genoma de los organismos eucariotas es muy superior al necesario y, por tanto,

una parte es no codificante. Este hecho junto con la existencia de regiones que se repiten un

número determinado de veces son las características más sobresalientes del genoma

eucariótico.

b) El genoma mitocondrial. p. 213 (2014)

Es circular. Supone entre un 0,05 y un 20% del ADN total. Es similar al de procariotas

pero de tamaño inferior, así en humanos tiene 16.569 pb, una longitud de 5 µm y una masa

molecular de 10MDa. El número de copias de ADN mitocondrial por célula oscila entre 200 y

100.000. Es, en casi su totalidad codificante y no repetitivo. Contiene en la especie humana

37 genes (hay de 20.000 a 25.000 genes en el ADN nuclear): 2 para ARNr, 22 para ARNt y

13 para proteínas que forman parte de los complejos respiratorios I, III, IV y V. Este genoma

pequeño codifica diversos genes que son absolutamente esenciales para la función


71

7. EL CICLO CELULAR. (2015) 133; (2014) 212.

La célula puede encontrarse en dos estados claramente diferentes, de división o

mitosis (M) y de no división o interfase. En ésta, la célula realiza sus funciones específicas y,

si está destinada a la división celular, la duplicación del ADN.

Normalmente la duplicación del ADN va seguida de la mitosis que se acompaña de la

citocinesis (división del citoplasma), con lo que se forman dos células hijas. Si se realiza la

mitosis sin la división del citoplasma, resulta una célula binucleada. Si este proceso ocurre

varias veces seguidas, se origina un plasmodio (a veces también se le llama sincitio, pero

este término debe reservarse para células multinucleadas que provienen de la fusión del

citoplasma de células mononucleadas).

Si se forman cromosomas individualizados, pero la mitosis es abortiva, reuniéndose

todos los cromosomas hijos en el mismo núcleo, se habla de endomitosis. En este proceso,

la célula duplica sus cromosomas en cada ciclo, obteniéndose células poliploides con 4n,

8n, 16n, etc. Las endomitosis se producen en los megacarioblastos y en el insecto Gerris.

Puede existir duplicación el ADN sin mitosis, proceso denominado

endorreduplicación. Si las hebras de ADN quedan apareadas formando un cromosoma con

múltiples cromátidas estrechamente adosadas, el proceso se llama politenia. Los

cromosomas politénicos son muy especiales porque no entran en mitosis.

La interfase

Comprende las subfases: G1, S y G2. G1 (gap) es el período de tiempo entre la

división anterior y la fase S. Las células que normalmente no se dividen, quedan en un

estado de G1 permanente denominado G0.

Se denomina fase S a la etapa de duplicación del ADN. Al principio de la fase S se

sintetizan las histonas y después se duplica el ADN en el orden siguiente:

1. Replicación de la eucromatina, primero la rica en G-C y luego la rica en A-T.

2. Replicación de la heterocromatina.

A la etapa S sigue G2, que es previa a la mitosis. Una célula diploide 2n=46 posee 92

moleculas de ADN durante esta fase.

La determinación de la duración de cada etapa del ciclo celular se puede realizar a

partir de una población sincronizada de células en cultivo, en el cual sólo las células en

interfase se pegan a la placa, las células en mitosis se redondean y quedan sólo hábilmente

unidas, de forma que si la placa se agita, se desprenden. La duración de las etapas varía

mucho dependiendo del tipo celular. La mitosis (M) es la fase más corta.


82

bloqueando la activación de proteínas implicadas en la separación de las cromátidas

hermanas. Específicamente inactiva al conjunto APC- cdc20, lo que inhibe la liberación de

la separasa, impidiendo que las cromátides hermanas se separen hasta que la señal

desaparezca.

Control extracelular del ciclo celular

La mayoría de los mitógenos controlan la tasa de división celular actuando en la fase

G1; liberan el control negativo del ciclo celular permitiendo la entrada a la fase S. Actúan

uniéndose a receptores de membrana con actividad de tirosina-cinasas los cuales activan a

la proteína G monomérica Ras cambiándola de su estado unido a GDP por GTP; esta

activación desencadena una cascada de fosforilaciones a través de las proteínas MAPK

(cinasas activadas por mitógenos). A su vez estas proteínas MAPK transmiten el estimulo

a diversas moléculas efectoras (cinasas de proteínas o factores de trascripción). Esta

cascada de fosforilaciones ocasiona la trascripción de genes tempranos (entre los que

destacan los que codifican a las ciclinas de G1), algunos de estos genes a su vez activan la

trascripción de otros genes denominados genes tardíos. De esta manera la vía de

señalización Ras-MAPK transmite señales extracelulares al núcleo activando la maquinaria

del ciclo celular.

Muchos tipos celulares como los fibroblastos o las células epiteliales, requieren de

adhesión a sustratos de la matriz extracelular (fibronectina o laminina), para crecer y

proliferar en adición de las señales y medio adecuados. Este requerimiento se debe a que la

unión de moléculas de matriz extracelular a integrinas (moléculas receptoras de matriz en la

membrana celular, las cuales están unidas al citoesqueleto) activa otras vías de señalización

requeridas para entrar al ciclo celular, mediadas por la activación de otras cinasas (FAK,

cinasa de adhesión focal).

Apoptosis, muerte celular programada o suicidio celular. p. 133 (2015); 212

(2014)

El número de células en un organismo está estrictamente regulado; si una célula ya

no es requerida esta muere o se “suicida” por apoptosis. Este fenómeno es bastante común

tanto en organismos en desarrollo como en adultos; por ejemplo los dedos se separan por

apoptosis del tejido que hay entre ellos en el primordio de la mano.

La maquinara intracelular de la apoptosis depende de una familia de proteasas

llamadas caspasas que cortan a la proteína blanco en residuos de aspartato. Las caspasas

se encuentran en las células en forma inactiva (procaspasas) las cuales son activadas por

un corte proteolítico, estas a su vez activan otras procaspasas en una cascada de

amplificación.


83

Las caspasas cortan proteínas clave en la célula como la laminina que al romperse

desintegra la membrana nuclear y degradan a la enzima que inactiva a la DNAsa

ocasionando la degradación del material genético.

Las señales de muerte pueden originarse a dos niveles; a través de un estímulo o

señal adecuado (señal positiva) extra o intracelular. En los mecanismos de regulación que

desencadenan la apoptosis intervienen algunas de las mismas proteínas que regulan el ciclo

celular. La señal de suicidio a menudo proviene del exterior, a través de un receptor de la

superficie. El factor de necrosis tumoral (TNF), producido por células del sistema

inmunitario, interacciona con las células a través de receptores específicos de TNF en la

cara externa de la membrana plasmática, cuyo “dominio de muerte” transmite la señal de

autodestrucción a través de la membrana a proteínas del citosol tales como TRADD (TNF

receptor associated.death domain; dominio de muerte asociado al receptor TNF). Otro

receptor muerte (Fas), tiene un dominio de muerte similar que le permite interaccionar con la

proteína citosólica FADD (Das receptor-associated death domain; dominio de muerte

asociado a Fas), la cual recluta a los adaptadores (proteínas que unen múltiples caspasas

en un agregado) que unen y activan a la procaspasa 8 (proteasa citosólica). Preg 133

(2015).


84

Figura. Acontecimientos iniciales de la apoptosis. Los receptores de la membrana

plasmática (Fas, TNF-R1) reciben las señales de sus respectivos ligandos. Los receptores activados favorecen la interacción entre el “dominio muerte” y un dominio similar de las proteínas citosólicas FADD y TRADD. FADD activa una proteasa citosólica llamada caspasa 8, que activa proteolíticamente otras proteasas celulares. TRADD también activa proteasas. La proteólisis resultante es un factor importante en la muerte celular. Fuente: Fig 12-50 (a) (pag 474) del libro “Lehninger. Principios de Bioquímica. Ediciones Omega, Barcelona, 4ª ed., 2006”.

La célula también en respuesta a daño o estrés puede activar la apoptosis, por

ejemplo un daño severo al DNA puede inducirla mediante la p53, la cual activa la

trascripción de genes que codifican para proteínas que promueven la liberación del

citocromo C de la mitocondria, en el citoplasma se une al factor promotor de la apoptosis

1 (Apaf1) el cual agrega y activa a la procaspasa 9.


99

8. LA REPLICACIÓN DEL ADN. (2015) 178, 211; (2014) 144, 150, 165,

187, 190, 199; (2013) 137, 168, 207, (2012) 108; 110, 138, 160, 187; (2011) 186,

201, 213, 238; (2010) 150, 162, 173, 175, 214, 217, 231, 232; (2009) 136, 151, 176,

202, 250; (2008) 145, 146, 159, 162, 182; (2007) 12, 24, 103, 116, 256; (2006) 204;

(2005) 177, 181, 205, 209; (2004) 142, 150, 185, 196, 239; (2003) 158, 203.

La replicación es el proceso por el cual a partir de una molécula de ADN parental se

sintetiza otra nueva, originándose así dos moléculas de ADN hijas de secuencia idéntica a la

original. Esto permite el paso de la información genética a la descendencia.

8.1. CARACTERÍSTICAS

La replicación se produce de forma coordinada con la división celular, concretamente

en la fase S, durante las interfases previas a la mitosis y a la meiosis I. Las características

principales del proceso para el genoma nuclear son: es semiconservativa, simultánea en

ambas hebras, secuencial, bidireccional, con origen monofocal en procariotas o multifocal en

eucariotas y semidiscontinua.

8.1.1. La replicación es semiconservativa. p. 110 (2012)

Teóricamente eran posibles tres mecanismos de replicación.

- el modelo conservativo: el ADN progenitor de doble hebra se conservaría intacto y el ADN

hijo contendría dos hebras nuevas.

- el modelo semiconservativo: las dos hebras del ADN progenitor sirven de molde para la

síntesis de sus respectivas cadenas complementarias. Cada molécula de ADN hijo está

formada por una hebra progenitora y otra de nueva síntesis.

- el modelo dispersivo: el ADN progenitor se rompería varias veces antes de que se

sintetizaran los nuevos fragmentos de ADN, que se unirían al ADN parental para dar lugar

a los ADN hijos.

Para comprobar cual de estos modelos era el real, en 1958 Mathew Meselson y

Franklin Stahl diseñaron el siguiente experimento. En un medio que contenía el isótopo

pesado del nitrógeno, 15N, hicieron crecer bacterias de la cepa B de E. coli durante varias

generaciones. Extrajeron su ADN y determinaron su densidad mediante la técnica de

centrifugación en gradiente de densidad de cloruro de cesio. El ADN tenía una elevada

densidad. A continuación cambiaron las células a un medio que contenía sólo 14N y fueron

tomando muestras a intervalos regulares correspondientes a cada ciclo de replicación,

extrayendo su ADN y midiendo su densidad. En la primera generación aparecía un ADN de

densidad intermedia. En la segunda generación aparecían en proporciones equivalentes

dos tipos de ADN, uno con densidad intermedia y otro con la densidad de un ADN marcado

con 14N, un ADN ligero. En la tercera generación el 75% del ADN era ligero y el 25%


107

separación de las hebras, ayudada por la abundancia de pares AT en esta región. Un

complejo formado por cuatro o cinco moléculas de proteína DnaA se une a las cuatro

repeticiones de 9 pares de de bases en el origen y a continuación el complejo reconoce y

desnaturaliza sucesivamente el DNA de la región de las repeticiones de 13 pares de

bases, que son ricas en A=T. Este proceso requiere ATP y la proteína bacteriana HU,

del tipo de las histonas. A continuación, la proteína DnaB se une a esta región, en una

reacción que requiere la proteína DnaC. Dos hexámeros en forma de anillo de DnaB, uno

en cada hebra del DNA, actúan como helicasas , desenrollando el DNA de manera

bidireccional y creando dos horquillas de replicación potenciales (complejo de precerbado

formado). Muchas moléculas de SSB se fijan de manera cooperativa al DNA de

cadena sencilla, estabilizando las cadenas separadas e impidiendo su renaturalización,

mientras que la girasa alivia la tensión topológica creada por la DnaB helicasa.

El inicio de la replicación está afectado por la metilación del DNA y por

interacciones con la membrana plasmática bacteriana. El DNA de oriC es metilado por la

metilasa Dam, en el N6 de la adenina dentro del palíndromo (5´) GATC (que aparece 11

veces en el origen). Inmediatamente después de la replicación, el DNA es semimetilado:

las hebras parentales tienen las secuencias oriC metiladas, mientras que las hebras de

nueva síntesis no las tienen. Las secuencias oriC semimetiladas son secuestradas

temporalmente a través de la interacción con la membrana plasmática (mec.

desconocido). Al cabo de un tiempo, oriC es liberado de la membrana plamática y debe

ser metilado completamente por la Dam metilasa antes de que pueda unirse de nuevo a

DnaA.

8.3.2. Elongación. p. 178 (2015); 150, 187, 199 (2014); 108 (2012); 146, 159, 162 (2008);

103, 256 (2007); 177, 205, 209 (2005); 142, 150, 185, 239 (2004); 15, 203 (2003)

Es llevada a cabo por la ADNpol y numerosas enzimas y factores proteicos (más de

20 en E. coli) que forman el replisoma o complejo de replicación.

Proteínas implicadas

Una vez formado el complejo de iniciación, debe desenrollarse la doble hélice por

delante de la polimerasa y además a medida que se van formando las hebras nuevas éstas

tienen que enrollarse. El complejo formado por las proteínas que intervienen en el

desenrollamiento y compactación de las dobles hélices y por las ADN polimerasas, que viaja

asociado a cada horquilla y realiza la replicación se denomina replisoma. Las proteínas del

replisoma son:

a) Helicasas: Proteínas multiméricas (normalmente hexámeros) que se unen al ADN

monocatenario en el origen y separan sus dos hebras en un proceso que requiere la

hidrólisis simultánea de ATP. Se crean dos horquillas de replicación que avanzan en

sentidos opuestos, cada una liderada por una helicasa. Parece que en E. coli


108

intervienen las helicasas DnaB, PriA y Rep, estas últimas en dirección 3´→5´. p. 187

(2014); 185 (2004)

b) Proteínas de unión al ADN de hebra sencilla: son las siguientes en actuar. Evitan el

apareamiento de las dos cadenas y su degradación. Se denominan SSB (single strand

binding proteins) sobre todo en procariotas. En eucariotas desempeña esta función la

proteína de replicación A (RPA). Las proteínas mediadoras de la replicación

(RMP) determinan el desprendimiento de las SSB cuando llega al replisoma a copiar

las cadenas simples.

c) Topoisomerasas: la apertura de la doble hélice ocasiona la aparición de

superenrollamientos positivos delante de la horquilla. Para aliviar esa tensión de

torsión actúan las topoisomerasas que modifican el número de enlace del ADN. p. 159

(2008)

Las topoisomerasas de tipo I rompen una hebra del ADN, dejan pasar la otra hebra

por la brecha abierta y vuelven a ligar la primera. De esta forma, el número de enlace

aumenta o disminuye en una unidad

Las topoisomerasas de tipo II cortan las dos hebras, permiten el paso de otra doble

hebra, continua, por la brecha y sellan los cortes. Aumentan o disminuyen el número

de enlace en dos unidades. El ejemplo más conocido es la girasa procariótica. Las

topoisomerasas generalmente introducen superenrollamientos negativos e hidrolizan

una molécula de ATP por cada corte de la cadena.

d) Primasa: El inicio de las hebras nuevas requiere un cebador, que es sintetizado por

una primasa, una ARN polimerasa ADN dependiente, que fabrica cadenas cortas de

ARN complementarias de cada una de las hebras desemparejadas en el origen de

replicación. En procariotas la primasa es una proteína independiente, la DnaG, que

junto con la DnaB (helicasa), forma parte de un complejo proteico denominado

primosoma, asociado a la horquilla. En eucariotas, la actividad primasa reside en una

de las subunidades de la polimerasa α, distinta de la subunidad con el centro activo

polimerasa. Por eso se habla de ADNpol α/prim. p. 178 (2015); 150 (2014); 137

(2014); 108 (2012); 146, 162 (2008); 150 (2004)

Todas las ADN polimerasas catalizan la elongación de la cadena exclusivamente en

dirección 5´ → 3´. Al abrirse la horquilla, una de las hebras progenitoras se expone en el

sentido correcto para actuar como molde 3´→ 5´, de forma que su cadena complementaria

puede sintetizarse por avance de la ADNpol. A esta hebra nueva se le llama hebra

conductora, líder o guía (leading strand) y su molde recibe el mismo nombre o “molde de la

hebra conductora”. La otra hebra progenitora se expone en sentido 5´→ 3´, por lo que no

puede actuar como molde. Su cadena complementaria se sintetiza con un desfase respecto


113

En eucariotas

Las dos moléculas hijas se mantienen juntas por proteínas cohesinas hasta la

anafase, cuando proteínas de corte permiten la separación de los cromosomas hijos.

Además, en eucariotas se presenta un problema. Todos los cebadores intermedios

son eliminados y sustituidos, sin embargo, los cebadores de los extremos 5´ de las hebras

nuevas son eliminados pero no sustituidos, por lo que estas hebras quedan más cortas que

su molde. Este acortamiento, de unas 50-200 pb por cada división celular, supone la

disminución progresiva de la longitud del cromosoma con la consecuente pérdida de

información genética. La enzima encargada de solucionar este problema alargando los

telómeros es la telomerasa.

8.3.4. La telomerasa. p. 211 (2015); 190 (2014); 136 (2009); 24 (2007)

La telomerasa es una ADN polimerasa dirigida por ARN, por tanto una

transcriptasa inversa, con características especiales. Es una ribonucleoproteína que sólo

puede sintetizar una secuencia determinada de ADN y está formada por dos componentes:

a) Componente ribonucleotídico o “ARN de la telomerasa” (TR o TER), de tamaño

variable según las especies (de 146 a 1544 nt). Incluye una secuencia característica

para cada especie de 9 a 28 nt y complementaria a la secuencia telomérica respectiva.

Así, el ARN componente de la telomerasa humana (hTR) tiene 450 nt entre los que hay

una secuencia rica en C, 5´-CCCUAA-3´, complementaria y antiparalela a la hebra rica

en G de la repetición telomérica en tándem 5´- TTAGGG-3´-. Así el hTR sirve de molde

para la síntesis de nuevas secuencias teloméricas.

b) Componente proteico, que contiene la actividad enzimática o “transcriptasa inversa de

la telomerasa” (TRT o TERT). Sintetiza el ADN telomérico de novo, sin necesidad de

cebador.

La actividad de la telomerasa es regulada por las proteínas TRF1 y TRF2 para que el

extremo cromosómico tenga la longitud adecuada. TRF1 induce la formación de una

estructura plegada que impide a la telomerasa acceder al extremo del cromosoma. En


117

9. LA TRANSCRIPCIÓN. (2015) 167, 185; (2014) 118, 121, 153, 159, 184, 207;

(2012) 157, 174; (2011) 189, 202; (2010) 165, 200, 255; (2009) 149, 152, 195, 199,

225, 247, 256; (2008) 201; (2007) 19, 109, 115; (2006) 201; (2005) 203, 225; (2004)

225; (2003) 220.

Es el proceso de síntesis de una molécula de ARN empleando como molde una de

las hebras de ADN. La secuencia del ARN no es idéntica, sino complementaria y

antiparalela. Está catalizado en todos los organismos por una ARN polimerasa.

Se define el transcriptoma como el conjunto de moléculas de ARN derivadas de los

genes que codifican proteínas, cuya información biológica es requerida por la célula en un

determinado momento. Representa menos del 4% del ARN total de la célula.

El proteoma comprende todas las proteínas presentes en una célula en un momento

determinado. Una célula típica de mamífero contiene de 10.000 a 20.000 proteínas

diferentes. El proteoma de la especie humana comprende unas 100.000 proteínas. p. 195

(2009)

9.1. CONCEPTO DE GEN

9.1.1. Definición clásica

Es la unidad fundamental de la herencia que controla una característica concreta y

transmite información de una generación a la siguiente.

9.1.2. Definición molecular. p. 159 (2014); ; p. 220 (2003)

Un gen se definía como la región del genoma que tiene información para la síntesis

de una proteína (una molécula de polipéptido). Pero en un gen existen dos tipos de

secuencias con funciones diferentes:

- La región estructural: la unidad de transcripción (UT), la región realmente

codificadora. Comprende dos tipos de secuencias, los intrones o secuencias intercaladas,

regiones no codificantes presentes en el interior de la región codificadora [p. 225 (2004)], y

los exones que incluyen las secuencias codificantes. La UT además comprende una

secuencia corta que precede al primer intrón, el 5´-UTR denominado en humanos SANT

(secuencia anterior no traducida) y el 3´-UTR posterior al último exón que puede tener una

longitud considerable (SPTN en humanos). Los exones e intrones se transcriben y dan lugar

a un ARN llamado precursor o tránscrito primario (pre-ARNm o ARNhn), que requiere una

maduración cotranscripcional y postranscripcional para originar las moléculas funcionales de

ARN. Los ARNm son después traducidos para formar la proteína. p. 152, 156 (2009); 115

(2007)


122

9.3.4. Polimerasas. p. 167, 185 (2015); 121, 184 (2014); 157 (2012); 189, 202 (2011)

En procariotas y mitocondrias y cloroplastos de eucariotas, una sola ARN polimerasa

sintetiza los tres tipos de ARNs: ARNm, ARNt y ARNr.

En el núcleo de eucariotas existen 3 ARN polimerasas diferentes: ARNpol-I,

ARNpol-II y ARNpol-III, que sintetizan cada una distintos tipos de ARN. p. 202 (2011).

Sus características son las siguientes:

ARNpol-I ARNpol-II ARNpol-III ARNpol

Localización Nucleolo Nucleoplasma Nucleoplasma Mitocondrias

Cloroplastos

Tránscrito

primario

Pre- ARNr

grande

45S precursor

de:

Pre-ARNm Pre-ARNt

Pre-ARNr

pequeño

ARNr, ARNm

y ARNt

mitocondriales

o

cloroplásticos

Producto

génico final

ARNr 28S

ARNr 18S

ARNr 5,8S

ARNm

Mayoría de ARNsn (ARN

U1-U5)

miRNA

ARNt

ARNr 5S

snRNA U6

snoRNA

Actividad

enzimática

50 -70% 20 – 40% ≈ 10%

Efecto de la

α-amanitina

Ninguno Fuerte inhibición Inhibición débil Ninguno

Sí afectada

por la rifampicina

No se sabe si se sintetizan directamente en forma activa o como pre-ARNs que necesitan

maduración.

p. 185 (2015): 121, 184 (2014); 174 (2012); 189 (2011); 147 (2009); 201 (2006)

Las ARN polimerasas no requieren cebador y carecen de actividad correctora

exonucleasa 3´→5´.

Estructura de la ARN polimerasa de E. coli

La ARN polimerasa de procariotas, la mejor estudiada, está formada por 4 (puede

que 5) polipéptidos asociados en la llamada enzima “mínima” o “núcleo” . Para iniciar la

transcripción, la enzima necesita de la unión de otro polipéptido independiente, el factor σ

(sigma). p. 109 (2007)


123

Enzima núcleo:

Subunidad α: ensambla la enzima núcleo y se une a proteínas reguladoras.

Subunidad β: sitio catalítico de la polimerasa.

Subunidad β´: se une al ADN molde.

Subunidad ω: (posible, no confirmado).

Factor σ: reconoce el promotor e inicia la síntesis. Hay diferentes tipos designados por su

masa molecular. El más común es σ70. p. 167 (2015); 157 (2012); 225 (2012)

La ARN polimerasa mitocondrial está formada por sólo una unidad.

Polimerasas de eucariotas

Son más complejas, están formadas por 10-14 subunidades. Las subunidades

mayores de cada una presentan homología de secuencia y a través de ellas la ADN

polimerasa se une al ADN. La subunidad mayor de la ARN polimerasa II contiene un

dominio C-terminal (CTD) con múltiples repeticiones (50 en mamíferos) de la secuencia Tyr-

Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Thr. Este dominio puede ser fosforilado en Ser y Thr y adquirir carga

negativa, lo cual está relacionado con su función en la transición entre las fases de iniciación

y elongación.

CTD no fosforilado → iniciación

CTD fosforilado → elongación

Las segundas subunidades en tamaño también muestran homología entre sí. Poseen

el centro activo de la catálisis.

9.4. ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN

La transcripción tiene lugar en la unidad de transcripción, que incluye la secuencia

del ADN que se va a transcribir y las dos secuencias que la flanquean, el promotor y el

terminador. La transcripción transcurre en tres fases: iniciación, elongación y terminación.

9.4.1. Iniciación. p. 118 (2014)

Es la etapa más compleja, la que es regulada principalmente, y en la que interviene

la ARN polimerasa completa u holoenzima y proteínas de unión al ADN denominados

factores de transcripción (TF). En procariotas y mitocondrias un mismo promotor suele

iniciar la cotranscripción de varios genes contiguos (operón3). En el ADN nuclear, a partir de

un promotor sólo se transcribe un gen y, distintos genes, en función de la ARNpol, utilizan

distintas secuencias promotoras a las que se unen distintos factores de transcripción.

3 Un operón está definido como un conjunto de genes, más el promotor y secuencias adicionales que funcionan

conjuntamente en la regulación.


129

9.5. TRANSCRIPCIÓN DEL GENOMA MITOCONDRIAL

El ADN mitocondrial es transcrito por una sola ARNpol formada por un único

polipéptido y necesita para la iniciación el factor mtTFA. Se transcribe a partir de 3 lugares

de iniciación, dos para la hebra pesada (H1 y H2) y uno para la ligera (L), originándose tres

tránscritos primarios diferentes. Los tres promotores se encuentran en el bucle D.

9.6. INHIBIDORES DE LA TRANSCRIPCIÓN

9.6.1. Antibióticos de tipo I

Se unen a la ARNpol inactivándola directamente:

- Rifamicinas y derivados sintéticos: se une a la subunidad β de la ARN polimerasa

bacteriana impidiendo el inicio de transcripción. También inhibe a la polimerasa mitocondrial,

pero no a las nucleares.

- Estreptolidigina: se fija a la subunidad β pero inhibe la elongación.

- α- amanitina: inhibe la elongación en eucariotas y no en procariotas.

9.6.2. Antibióticos de tipo II

Se unen al ADN impidiendo la unión de la ARN polimerasa o su avance. Por ello,

inhiben a todas las ARNpol y ADNpol.

- Actinomicina D: se intercala en la doble hélice entre dos pares de bases G≡C sucesivos,

deformando al ADN. Es muy tóxica. También son agentes intercalantes la acridina,

daunomicina y el bromuro de etidio.

9.6.3. Antibióticos de tipo III

Son inhibidores indirectos que impiden la acción de la ADN girasa procariótica. Los

principales son: la cumermicina, la novobiocina y el ácido nalidíxico.

9.7. SÍNTESIS DE RNA Y DNA DEPENDIENTE DE RNA. p. 151 (2009)

En los temas 8 y 9 se ha discutido la síntesis de DNA y RNA donde el papel de

molde se ha reservado al DNA. Sin embargo, algunos enzimas utilizan un molde de RNA

para la síntesis de ácidos nucleicos. Estos enzimas, salvo la excepción de los virus con un

genoma de RNA, sólo juegan un papel modesto en las rutas de información. Los virus de

RNA han sido la fuente de la mayor parte de las polimerasas dependientes de RNA que se

han caracterizado hasta el momento.

La replicación del RNA requiere la modificación del dogma central de la biología

molecular con indicación del sentido de los flujos de información en la REPLICACIÓN –

TRANSCRIPCIÓN – TRADUCCIÓN, establecido por primera vez por Francis Crik, en un


130

momento en que se disponía de poca información y por tanto, ES INADECUADO, pues

existe la síntesis de RNA y DNA dependiente de RNA.

Dogma central de la biología molecular

con indicación del sentido Replicación-

Transcripción-Traducciónn enunciado por

primera vez por Crick

Ampliación del dogma central para incluir

la síntesis de RNA y DNA dependientes

de RNA. Es decir, la información puede

fluir “hacia atrás”, del RNA al DNA.

. Fig.26-28, pág. 1021, Cap.26. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Ediciones Omega, 4ª ed., 2005.

RNA polimerasa dependiente de RNA:

Como las células no poseen enzimas para la replicación del RNA, los virus RNA

tienen que aportar su propia RNA polimerasa RNA dependiente, ya sea como enzima

constituida en la partícula vírica (virión) o al menos como secuencia genética que pueda

luego codificarla. Al contrario que los virus DNA, los virus RNA suelen replicarse en el

citoplasma celular (excepto ortomixuvirus).

Virus RNA de simple cadena: Frecuentemente se integran en plásmidos y son transmitidos

por conjugación. En aquellos que son sentido-positivos el RNA se comporta como un RNA

mensajero y la información puede ser replicada directamente por la replicasa (RNA

polimerasa). En los virus sentido-negativos la cadena deber ser transcrita primeramente a

una cadena sentido positivo (algunos como el influenza A utilizando como cebador para la

acción de la RNA polimerasa los extremos CAP del RNAhn, RNA heterogéneo nuclear) y

luego esta es la que es replicada por la replicasa de modo semejante que la de los sentido-

positivos. En estos casos la polimerasa que realiza la primera transcripción existe ya como

componente del virión y es liberada al citoplasma durante la decapsidación. En ambos casos

una vez que se producen las cadenas complementarias a la del genoma estas son

replicadas en cadenas hijas que tendrán nuevamente el sentido de la cadena genómica

original y serán las que se insertarán en los nuevos viriones que se formen.


131

Virus RNA de doble cadena: A partir del genoma (dos cadenas de sentido contrario) se

producen réplicas sentido-positivo que sirven primero como RNAm y para obtener más

copias sentido-positivas y luego como moldes para obtener cadenas complementarias

sentido-negativas que completen el genoma que se ensamblará en los nuevos viriones.

Trascriptasa inversa o Retrotranscriptasa: p. 151 (2009)

Existen ciertos virus RNA, cuyo genoma consta en realidad de dos cadenas simples en

sentido positivo de RNA y que son transcritas por una enzima DNA polimerasa dependiente

de RNA, denominada transcriptasa inversa. Durante el proceso de infección el genoma

vírico de RNA monohebra y el enzima penetran en la célula huésped. Cada una de estas

cadenas simples de DNA es utilizada como molde por la transcriptasa inversa y así obtener

cadena de DNA complementaria del RNA vírico y a continuación degrada la cadena del RNA

del híbrido RNA-DNA vírico y lo reemplaza por DNA, obteniéndose un DNA bicatenario que

es integrado en el genoma de la célula eucariótica. Estos genes víricos integrados (y en

estado latente) pueden ser activados y transcritos y los productos génicos –proteínas víricas

y el propio genoma vírico- son empaquetados como nuevos virus.

Replicación de los virus RNA

a) simple cadena sentido-positivo. b) simple cadena sentido-negativo. c) doble cadena. d) retrovirus. Rep. de Medical Microbiology. Kayser, Bienz, Eckert, Zinkernagel, eds. 10 ma ed. Thieme. 2005.


133

10. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN

EUCARIOTAS: CONTROL PRETRANSCRIPCIONAL Y

TRANSCRIPCIONAL. (2015) 125, 162, 164; (2013) 133, 136, 157; (2011) 168,

202, 220; (2010) 140, 238; (2009) 147, 149; (2008) 156; (2007) 11, 20, 28, 68;

(2006) 147; (2005) 203; (2004) 193; (2003) 161, 201, 210, 255.

La expresión génica es el proceso que abarca la transcripción de un gen a mRNA, el

porcesamiento de ese mRNA y su traducción en proteína (en los genes que codifican a

proteínas). Al comparar los patrones de expresión génica de las células, existen unos

productos génicos, tales como los enzimas de las rutas metabólicas centrales, que se

expresan en un nivel más o menos constante en todas las células de una especie u

organismo. A este tipo de genes se les denomina genes constitutivos y a esta expresión

constante de un gen se le denomina expresión génica constitutiva.

Por el contrario existen otros productos génicos que aumentan o disminuyen en

respuesta a señales moleculares; a este tipo de expresión génica se le clasifica como

expresión génica regulada. A los productos génicos que aumenta su concentración en

respuesta a una señal molecular se llaman inducibles (proceso de inducción), mientras

que a los que disminuyen de concentración ante una señal molecular reciben el nombre de

reprimibles (proceso de represión).

La expresión de los genes en un organismo eucariota puede ser regulada a distintos

niveles [p. 157 (2013)]:

- pretranscripcional

- transcripcional

- postranscripcional (procesamiento)

- transporte del ARN del núcleo al citoplasma

- degradación del ARNm

- traducción

- postraduccional

- actividad de la proteína.

Hay dos tipos de regulación, la genética debida a las secuencias del ADN y la

epigenética debida principal pero no exclusivamente a la metilación del ADN. Así la

regulación epigenética comprende procesos que implican cambios en las funciones

génicas, que son transmisibles por mitosis en clones y por meiosis a otras generaciones y

que no implican cambios en la secuencia del ADN.


137

denominado bromodominio, que reconoce específicamente la forma espacial de los residuos

acetilados.

10.1.3. Metilación del ADN y control de la expresión. p 11 (2007); 164

(2015)

Se asocia con el silenciamiento semipermanente de regiones del genoma. En los

eucariotas las citosinas de las islas 5´-CpG-3´ son modificadas a 5-metilcitosina por ADN

metiltransferasas, enzimas muy similares en todos los seres vivos. En vertebrados está

metilado hasta el 10% de todas las citosinas del genoma y en humanos el 3%. La metilación

determina la represión de la transcripción ya que los genes transcripcionalmente activos se

ubican en regiones no metiladas (o hipometiladas). Así, los genes constitutivos tienen islotes

CpG no metilados y los genes específicos de tejidos no están metilados en los tejidos en los

que se expresan y sí lo están en los que no.

Se distinguen dos tipos de metilación:

- de mantenimiento: ocurre tras la replicación del genoma y en ella se agregan grupos

metilo a la cadena recién sintetizada de ADN en posiciones opuestas a los sitios

metilados de la cadena progenitora. Es llevada a cabo por la ADN metiltransferasa I

(Dnmt1).


140

10.1.4. Regiones de control de locus

La formación y el mantenimiento de un dominio funcional abierto (región de ADN

alrededor de uno o más genes que al estar siendo expresados es accesible a la DNasa I)

depende de una secuencia denominada región de control de locus o LCR. Son sitios

hipersensibles a la DNasa I específicos para diferentes estadios del desarrollo y sólo se

observan en la etapa en la que el gen adyacente es activo. Algunas mutaciones en estas

secuencias causan enfermedades, por ejemplo las presentes en una región de 12 kb en 5´

al cluster de los genes de la β-globina provoca una pérdida de expresión del gen.

Efecto posicional: los límites de los dominios funcionales están marcados por

secuencias de 1-2 kb de longitud llamadas aisladores. Cuando no hay aisladores, el nivel de

expresión del gen es variable y si está flanqueado por ellos su expresión es alta.

10.2. CONTROL TRANSCRIPCIONAL. p. 68 (2007)

En cuanto a la regulación genética, la etapa crucial en el control de la expresión de la

mayoría de los genes es el inicio de la transcripción.

Las regiones del ADN que regulan el inicio de la transcripción de un gen son los

promotores (regiones reguladoras del gen) que también se llaman “factores que actúan en

cis” o factores cis, pues se encuentran en la misma molécula de ADN cuya expresión

regulan. A los promotores se unen proteínas que tienen una afinidad específica por ellos,

son los factores de transcripción (TF), factores que actúan en trans o factores trans; que

son los realmente responsables de la regulación de la transcripción y suelen presentar

motivos de unión al ADN como dedos de zinc, homeodominios, etc. p. 68 (2007)

Genes Promotores Factores de transcripción

De clase I de clase I TFI

De clase II de clase II TFII

De clase III de clase III TFIII

10.2.1. Control del inicio de la transcripción en procariotas. p. 156 (2008); 149 (2009);

203 (2005); 193 (2004); 161, 210, 255 (2003)

OPERONES:

La mayoría de los genes procarióticos están agrupados en el cromosoma y se

transcriben juntos y se regulan a través de operones (modelo del operón).

En las células procariotas el operón es una unidad de regulación habitual y los

elementos genéticos de este modelo son un gen regulador, una secuencia reguladora del

DNA llamada centro operador, generalmente cerca de un promotor) y un conjunto de genes

estructurales. p. 210 (2003).


141

Figura. Un operón procariótico representativo. Los genes A, B y C se transcriben en un mRNA

policistrónico. Las secuencias reguladoras típicas incluyen sitios de unión para proteínas que activan

o reprimen la transcripción a partir del promotor. . Fuente: Fig.28-5, pág. 1085, Cap.28. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Ediciones Omega, 4ª ed., 2005.

Es habitual que los operones incluyan de dos a seis genes transcritos como una

unidad; algunos operones contienen 20 o más genes.

En las bacterias se conocen dos formas de control:

a. Control constitutivo: depende de la estructura del promotor, secuencia diana para la unión

de la ARN polimerasa.Los elementos del promotor son los siguientes, los dos primeros son

los más importantes:

- el hexámero – 10, caja TATA o caja de Pribnow, con la secuencia consenso 5´-

TATAAT-3´. p. 156 (2008); 161 (2003).

- el hexámero -35 con la secuencia consenso 5´-TTGACA3-3´.

- La región -10 extendida, que es un dinucleótido 5´-TG-3´localizado enlas posiciones -

14 y -15.

- El elemento UP, una secuencia de unos 20 pb localizada de la posición -40 a la -60,

rica en bases A y T

Cuanto más se parezcan las secuencias de un promotor a las secuencias consenso,

más eficiente será su reconocimiento. La eficiencia es la cantidad de iniciaciones

productivas por segundo. Los promotores fuertes dirigen más de 1000 iniciaciones

productivas que los débiles.

b. Control regulador: depende de proteínas reguladoras:

- Factores σ alternativos.

- Represores (se unen al operador, región de unión del represor en los operones, e

impiden la unión de la ARN polimerasa al promotor), inductores y correpresores (se

unen a represores), activadores y pequeños ligandos como el ppGpp. p. 162 (2015);

68 (2007)

Regulación negativa (Represor) y positiva (activador) (proteínas reguladoras):

El gen regulador codifica una proteína reguladora represora (el represor) que se une

al centro operador. La unión del represor al operador impide la transcripción de los genes

estructurales (regulación negativa) porque se bloquea la unión de la RNA polimerasa. La

unión del represor al DNA se regula a través de una señal molecular (efector o inductor),

normalmente una molécula pequeña o una proteína, que se une al represor y provoca un


142

cambio conformacional, que facilita, en unos casos, la disociación del represor unido al DNA

del operador y por tanto el inicio de la transcripción puede proceder libremente. En otros

casos, la interacción entre un represor inactivo y la molécula señal hace que el represor se

una al operador bloqueando en este caso el proceso de transcripción (figura b). p. 193

(2004).

Los activadores (proteínas reguladoras activadoras) constituyen el contrapunto

molecular de los represores; se unen al DNA y potencian la actividad de la RNA polimerasa

en el promotor; se trata de la regulación positiva. Los sitios de unión de los activadores se

encuentran a menudo adyacentes a promotores a los que la RNA polimerasa o bien no se

une por sí sola o la unión es muy débil, por tanto en ausencia de activador la tasa de

transcripción es escasa. De manera análoga a los represores, se puede provocar la

disociación de la proteína activadora a través de la unión a ella de una molécula señal,

inhibiéndose por la transcriupción (figura c). En otros casos, el activador se une al DNA solo

después que de la interacción con la molécula señal (figura d).

Figura. Pautas comunes de regulación del inicio de la transcripción.

Fuente: Fig.28-4, pág. 1084, Cap.28. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Ediciones Omega, 4ª ed., 2005.


143

Estas proteínas reguladoras contienen dominios independientes de unión al DNA,

cuyas subestructuras interaccionan exacta y específicamente con el DNA. La mayoría de los

contactos proteína-DNA que confieren especificidad son enlaces de hidrógeno que se

encuentran expuestos en el surco mayor del DNA. Una excepción notable a este tipo de

interacción polar es la superficie no polar del C-5 de las pirimidinas, donde la timina se

distingue fácilmente de la citosina por la presencia del grupo metilo (fragmento apolar). Los

contactos proteína-DNA también son posibles en el surco menor del DNA, pero en este caso

los patrones de enlaces de hidrógeno generalmente no permiten discriminar fácilmente entre

los tipos de pares de bases.

Una diferencia entre las células procariotas y eucariotas consiste en que los sitos de

unión de los represores y activadores pueden encontrarse a cierta distancia (miles de pares

de bases) de los promotores.

Regulación positiva (zona promotor): (Reconocimiento de la RNA polimerasa y Proteína

receptora de cAMP (CRP). Mecanismo de regulación “represión por catabolito”:

Las interacciones operador-represor-inductor explica de forma satisfactoria la

conexión-desconexión de la regulación de la expresión génica. Sin embargo, existen otros

mecanismos que regulación la expresión génica de los operones. Por ejemplo, se puede

estimular la transcripción a través de la unión a la secuencia de la zona promotor de una

proteína reguladora. Esta secuencia contiene sitios de reconocimiento de la RNA

polimerasa, y de la proteína activadora del catabolito (CAP; también denominada

proteína receptora del cAMP o CRP). Cuando CAP

(CRP) está unida al cAMP (complejo CAP-cAMP)

reconoce secuencias específicas del DNA que

estimulan la trascripción de los genes. Un elemento

importante para esta activación es la incorporación de la

RNA polimerasa a los promotores a los que se

encuentra unida CAP-cAMP. El genoma de E. coli

contiene multitud de lugares de unión a CAP situados

en zonas apropiadas para la interacción con la RNA

polimerasa. Por tanto, un aumento en los niveles de

cAMP en el interior de una bacteria E. coli da lugar a la

formación de complejos CAP-cAMP que se unen a

multitud de promotores estimulando la transcripción de

genes que codifican diversos enzimas catabólicos. La CRP y el cAMP están implicados en la

regulación coordinada de muchos operones, principalmente los que codifican enzimas para

el metabolismo de azúcares secundarios tales como la lactosa y la arabinosa. Una red de

operones con un regulador común se denomina regulón.


144

Esta proteína CRP participa en un mecanismo de regulación de expresión génica,

denominado represión por catabolito, que impide la expresión de los genes, por ejemplo,

para el catabolismo de la lactosa, arabinosa y otros azúcares en presencia de glucosa. Esta

represión ocurre porque la glucosa desactiva la adenil ciclasa disminuyendo los niveles de

de AMP cíclico (cAMP) intracelular, reduciéndose la cantidad de complejo CAP-cAMP y

disminuyendo la tasa de transcripción del operón lac.

Figura. Control de lacP por cAMP. Un complejo CAP-cAMP se une al sitio de CAP y activa la transcripción en lacP. La represión por catabolito se produce cuando la glucosa hace descender la concentración intracelular de cAMP lo que reduce la cantidad de complejo CAP-cAMP y disminuye la tasa de transcripción a partir de lacP y de los promotores de algunos otros operones.

Fuente: Fig.8-6, pág. 337, Cap.8. DEVLÍN.et al. “Bioquímica”. Editorial Reverté, 4ª ed., 2004.

El complejo CAP-cAMP ejerce un control positivo (regulación positiva) sobre la

transcripción de estos operones. El complejo CRP-cAMP tiene poco efecto sobre el operón

lac cuando el represor Lac está bloqueando la transcripción y la disociación del represor del

operador lac tiene poco efecto en la transcripción del operón lac a menos que la CRP esté


145

presente para facilitar la transcripción; cuando la CRP-cAMP no está unida, el promotor lac

salvaje es un promotor relativamente débil.

Figura. Efectos combinados de la glucosa y de la lactosa en la expresión del operón lac. (a) La transcripción se da solamente cuando las concentraciones de glucosa son bajas (por tanto, los niveles de cAMP son altos y la CRP-cAMP está unida) y las concentraciones de lactosa son altas (por tanto el represor Lac no está unido. (b) Sin activador unido (CRP-Camp), el promotor lacse transcribe débilmente, incluso cuando las concentraciones de lactosa son altas y el represor Lac no está unido.

Fuente: Fig.28-18, pág. 1094, Cap.28. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Editorial Omega, 4ª ed., 2005.

Regulación por Atenuación de la transcripción (Región atenuadora):

Otro importante elemento de control de la expresión génica de un operón es la

región atenuadora. Por ejemplo, en el operón triptófano (trp), ver más adelante, existe una

región atenuadora, a diferencia del operón lac. Esta región atenuadora proporciona a la RNA

polimerasa una segunda oportunidad de regular la transcripción del operón triptófano, en

función de las necesidades celulares de los enzimas de la biosíntesis de triptófano. Acabada

la represión, mediada por el represor Trp, homodímero de 107 aminoácidos, y restablecida

la transcripción, la velocidad de transcripción se ajusta mediante un segundo proceso de

regulación denominado atenuación de la transcripción, en el que la transcripción se inicia

normalmente pero se interrumpe bruscamente antes de de que se transcriben los genes del

operón. La frecuencia de atenuación de la transcripción está regulada por la disponibilidad

de triptófano y depende del rígido acoplamiento de la transcripción y la traducción en las

bacterias.

En presencia de triptófano, la transcripción comienza en el promotor pero termina

prematuramente al final de la región atenuadora, produciendo un transcrito corto de 140

nucleótidos. En ausencia de triptófano, la región atenuadora no tiene efecto sobre la

transcripción, y se sintetiza el mRNA policistrónico completo con los cinco genes

estructurales de los enzimas requeridos para covertir el corismato en triptófano. Por tanto, el

triptófano ejerce influencia general sobre el operador y sobre el atenuador. En el operador,


146

participa en la represión de la transcripción y, en el atenuador, participa en la represión de la

transcripción por la RNA polimerasas que han escapado a la represión.

En la siguiente figura, se muestra el mecanismo de atenuación del operón trp. Se

utilizan señales codificadas en cuatro secuencias (1, 2, 3 y 4) dentro de la región guía de

162 nucleótidos en el extremo 5´del mRNA que precede al codón de inicio del primer gen

(figura a). Las secuencias 3 y 4 constituyen la denominada región atenuadora, Estas

secuencias se aparean para formar una estructura en horquilla rica en G≡C, seguida

inmediatamente por una serie de residuos de U. La estructura del atenuador actúa como

terminador de la transcripción (figura b). La secuencia 2 es una pareja alternativa para la

secuencia 3 y si ambas se aparean, no se puede formar la estructura atenuadora y la

transcripción continúa en los genes biosintéticos trp; el lazo formado por el apareamiento de

las secuencias 2 y 3 no obstruye la transcripción.

La secuencia reguladora 1 es crucial para el mecanismo sensible al triptófano, pues

determina si la secuencia 3 se complementa con la secuencia 2 (permitiendo que la

transcripción continúe) o con la secuencia 4 (atenuando la transcripción). La formación de la

estructura atenuadora en horquilla depende de cómo transcurra la traducción de la

secuencia 1 reguladora, que codifica a un péptido guía de 14 aminoácidos, dos de los

cuales son residuos de triptófano (Trp). La presencia de estos dos codones de triptófano en

la región del péptido conductor y en función de las concentraciones de triptófano y del

complejo Trp-tRNATrp (tRNA cargado con triptófano) determina la estructura secundaria que

se formará. En presencia de concentraciones altas de triptófano, las concentraciones de

Trp-tRNATrp también son altas. Esto permite que la traducción proceda rápidamente,

pasando por los dos codones Trp de la secuencia 1 hacia la secuencia 2 antes de que la

secuencia 3 sea sintetizada por la RNA polimerasa. Ello provoca que la secuencia 2 quede

cubierta por el ribosoma, lo que inhabilita su apareamiento con la secuencia 3 cuando ésta

es sintetizada, posibilitando el apareamiento de las secuencias 3 y 4, estructura

atenuadora, y la transcripción se interrumpe. Por el contrario, bajos niveles de triptófano

hace que el ribosoma se atasque en los dos codones Trp de la secuencia porque hay menos

tRNATrp cargado. La secuencia 2 permanece libre mientras se sintetiza la secuencia 3,

permitiendo que que estas dos secuencias se apareen y que se produzca la transcripción

(figua b, abajo). De esta manera, la proporción de transcritos que se atenúa desciende a

medida que disminuye la concentración de triptófano.

La atenuación de la transcripción constituye un mecanismo general de control en los

operones para la biosíntesis de aminoácidos en células procariotas, que no está presente en

los organismos eucarióticos porque la transcripción (en el núcleo) y la traducción (en el

citoplasma) tienen lugar en diferentes compartimentos celulares separados por la membrana

nuclear. Por esta razón no puede utilizarse una relación entre transcripción y traducción

como forma de regulación génica en células eucariotas. p. 149 (2009).


147

Figura. Atenuación de transcripción en el operón trp. La transcripción se inicia al principio

de la guía de 162 nucleótidos del mRNA codificada por una región de DNA denominada trpL. Un mecanismo regulador determina si la transcripción se atenúa al final de la guía o continúa hacia los genes estructurales. (a) mRNA trp guía (trpL). El mecanismo de atenuación en el operón trp implica a las secuencias 1 a 4 (encuadradas). (b) La secuencia 1 codifica a un péptido pequeño, el péptido guía, que contiene dos residuos de Trp (W); se traduce inmediatamente después de que empiece la transcripción. Las secuencias 2 y 3 son complementarias, al igual que las secuencias 3 y 4. La estructura atenuadora se forma mediante el apareamiento de las secuencias 3 y 4. Su estructura y función son similares a las de un terminador de la trascripción. El apareamiento de las secuencias 2 y 3 impide que se forme la estructura atenuadora. Obsérvese que el péptido guía tiene ninguna otra función celular. La traducción de su marco abierto de lectura tiene una función puramente reguladora que determina qué secuencias complementarias (2 y 3 o 3 y 4) se aparearán. (c) Esquema de apareamiento de las regiones complementarias del mRNA trp guía.complementario.

Fuente: Fig.28-21, pág. 1096, Cap.28. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Editorial Omega, 4ª ed., 2005.


148

Muchos otros operones biosintéticos de aminoácidos utilizan una estrategia de

atenuación similar para adecuar los enzimas biosintéticos a las necesidades celulares. El

péptido guía de 15 aminoácidos producido por el operón Phe contiene siete residuos de

Phe. El péptido guía del operón leu tiene cuatro residuos de Leu contiguos. El péptido guía

para el operón his contiene siete residuos de His contiguos. De hecho, en el operador his y

en otros muchos, la atenuación es suficientemente sensible para ser el único mecanismo de

regulación.

TIPOS DE OPERONES PROCARIÓTICOS

Operón lac (operón lactosa):

El operón de la lactosa (lac) incluye los genes de la β-galactosidasa (Z), la

galactósido permeasa (Y) y la tiogalactósido transacetolasa (A). Cada uno de los tres genes

está precedido por un sitio de unión a ribosomas., que dirige independientemente la

traducción de cada gen. En ausencia de lactosa, el represor Lac se une de forma muy

rápida e intensa al operador. Cuando el represor Lac está unido al DNA impide que la RNA

polimerasa unida desenrolle zonas concretas del DNA que expongan aquellas bases que

pudieran servir como molde para la síntesis de una hebra de RNA. La unión del represor Lac

al DNA puede realizarse a través de tres sitios de unión (O1, O2 y O3), siendo O1 el sitio

principal, mientras que O2 y O3 son secundarios. Esta unión es altamente específica (un

factor de 4x106 veces más intensa que a otro cualquier lugar del genoma). La represión no

es absoluta, la unión del represor Lac reduce la tasa de inicio de la transcripción en un factor

de 103, mientras que en caso de ausencia de los sitios de unión O2 y O3, la unión del

represor reduce la tasa de transcripción en un factor alrededor de 102. Esta represión no

absoluta demuestra que en el estado reprimido, las células tienen una cantidad mínima de

β-galactosidasa y galactósido permeasa, presumiblemente sintetizadas en la disociación

transitoria del represor de los operadores. Este nivel basal de transcripción es esencial para

la regulación del operón.

Figura. El operón lac en estado reprimido. El gen I codifica el represor Lac. Los genes Z, Y, y A

codifican la β-galactosidasa, la galactósido permeasa y la tiogalactósido transacetilasa, respectivamente. P es el promotor para los genes lac y PI es el promotor para el gen I. O1 es el


149

operador principal para el operón lac; O2 y O3 son sitios secundarios del operador con menor afinidad para el represor Lac.

Fuente: Fig.28-7 pág. 1086, Cap.28. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Editorial Omega, 4ª ed., 2005.

En presencia de lactosa el operón lac se expresa. Sin embargo, la lactosa por sí

misma no provoca este efecto, mientras que la alolactosa, una combinación de galactosa y

glucosa unidas por enlaces β-1,6 en lugar de β-1,4, sí. Por tanto, se plantea que la

alolactosa es un inductor del operón Lac. La lactosa se convierte en alolactosa por acción

de una de las pocas moléculas de β-galactosidasa presentes. La liberación del represor Lac,

debido a cambios conformacionales (estructurales) originados por la unión del ligando

alolactosa al represor (proteína reguladora), permite que los genes del operón Lac se

expresen y provoquen un incremento de 103 veces en la concentración de β-galactosidasa.

Anteriormente comentamos un segundo mecanismo de regulación de la expresión

génica del operón Lac. Este mecanismo de regulación ocurre a través de la unión a

secuencias específicas del promotor de la RNA polimerasa y la proteína reguladora CAP.

Este mecanismo de regulación de represión por catabolito, al inhibir el catabolismo de la

lactosa, arabinosa y otros azúcares en presencia de glucosa, demuestra como las bacterias

pueden coordinar una respuesta general (la necesidad de utilizar azúcar como fuente de

energía y de carbono) con una respuesta específica (la necesidad de utilizar lactosa como

azúcar) a una determinada situación metabólica.

Operón trp (operón triptófano):

Los genes de los enzimas requeridos para sintetizar un aminoácido dado están

agrupados generalmente en un operón y se expresan siempre que la disponibilidad de ese

aminoácido sea inadecuada para cubrir las necesidades celulares. Por ejemplo, la síntesis

de todas las proteínas que lo contienen. Cuando el aminoácido es abundante, los enzimas

biosintéticos no son necesarios y el operón es reprimido. El carácter esencial de los 20

aminoácidos constituyentes de las proteínas contrasta con el caso de azúcares; por ejemplo

la lactosa, la cual no es absolutamente necesaria para el crecimiento celular; muchos

azúcares pueden sustituirla; de hecho la bacteria prefiere utilizar glucosa como fuente de

carbono y energía.

El operón del triptófano (trp) de E. coli consta de cinco genes que codifican los tres

enzimas requeridos para convertir el corismato en triptófano. Existen diferencias entre el

operón triptófano y el operón lactosa; la transcripción del operón triptófano esta siempre

conectado, a no ser que se encuentre reprimido por una pequeña molécula denominada

correpresora (término empleado para distinguirla de la proteína represora), mientras que el

operón lactosa está generalmente desconectado, a no ser que la transcripción esté

inducida por una pequeña molécula inductora (alolactosa). Por tanto, el operón lac es

inducible, por el contrario el operón trp es reprimible.


150

El represor Trp es un homodímero, cuyas subunidades contienen 107 residuos

aminoácidos. Cuando el triptófano es abundante, se une el represor Trp, provocando un

cambio conformacional que favorece al represor unirse al operador trp e inhibir la expresión

del operón trp. El sitio del operador trp se solapa con el promotor, por la que unión del

represor puede bloquear la unión de la RNA polimerasa.

Figura. El operón trp. Este operón es regulado por dos mecanismos: cuando los niveles de

triptófano son altos, (1) el represor (arriba a la izquierda) se une a su operador y (2) la transcripción del mRNA trp se atenúa. La biosíntesis del triptófano por los enzimas codificados en el operón trp

está representada en la parte inferior. . Fig.28-19, pág. 1095, Cap.28. LEHNINGER.et al. “Principios de Bioquímica”. Editorial Omega, 4ª ed., 2005.

La regulación del operón triptófano junto al mecanismo de regulación

conexión/desconexión facilitado por el represor presenta un segundo mecanismo de

regulación denominado atenuación de la transcripción, explicado anteriormente, en el que

la transcripción se inicia normalmente pero se interrumpe bruscamente antes de que se

transcriban los genes del operón. La frecuencia de de atenuación de la transcripción está

regulada por la disponibilidad de triptófano y depende del rígido acoplamiento de la

transcripción y la traducción en las bacterias (células procariotas). Mecanismo de regulación

que no se produce en céulas eucariotas, pues los procesos de transcripción y traducción se

realiza en compartimentos celulares diferentes, núcleo y citoplasma respectivamente. p. 149

(2009).


151

Operón pur:

Los genes que participan en la biosíntesis de las purinas y, en menor medida los que

participan en la biosíntesis de las pirimidinas, están rerimidor por el represor pur. El 31% de

la secuencia de esta proteína dimérica es idéntico al represor lac y poseen una estructura

tridimensional parecida. Sin embargo, el comportamiento del represor pur es opuesto al

represor lac; mientras que el represor lac se disocia del DNA cuando se une a una molécula

pequeña (inductor), el represor pur se une al DNA de forma específica únicamente cuando

se encuentra unido a una molécula pequeña

(correpresor). Esta molécula correpresora puede ser tanto

guanina como hipoxantina. El estudio de la secuencia del

genoma de E. coli revela la existencia de más de 20

lugares (regiones) que coinciden con la secuencia del

operador pur, que regulan 19 operones que barcan más

de 25 genes. A diferencia del operadador lac que posee

una única región.

Fuente: Fig.31-9, pág. 872, Cap.31. STRYER.et al. “Bioquímica”. Editorial Reverté, 5ª ed., 2003.

10.2.2. Control del inicio de la transcripción en eucariotas. p. 161, 201 (2003)

La regulación génica en eucariotas es significativamente más compleja que

en eucariotas. En primer lugar; el genoma en eucariotas es mucho más grande con

mayor número de genes y proteínas codificadas. El genoma de E. coli codifica

aproximadamente a unas 2000 proteínas, a diferencia del genoma de una célula

humana que contiene 23 pares de cormosomas y existen aproximadamente 40 000

genes en las 3000 Mb del DNA. Para una proteína humana que se une al DNA

resultaría muy difícil reconocer un único lugar en esta vasta colección de secuencias

de DNA. Por tanto, para conseguir especificidad se requieren mecanismos más

intrincados.

Otra fuente de complejidad en la regulación de los genes eucarióticos es la

diversidad de tipos celulares presentes en la mayoría de los eucariotas. Además los

genes de eucariotas no suelen estar en operones. Por el contrario, es muy frecuente

que los genes que codifican proteínas para las distintas etapas de una determinada

vía estén ampliamente dispersos por todo el genoma. Por último, como comentamos

con anterioridad, en eucariotas la transcripción y la traducción no están acoplados, lo

que descarta algunos posibles mecanismos de regulación. p. 201 (2003).


161

11. CONTROL POSTRANSCRIPCIONAL O PROCESAMIENTO

DEL ARN. (2015) 173; (2014) 166; (2013) 167, 181, 219; (2012) 181; (2011)

250, (2010) 133, 245; (2008) 144; (2007) 257; (2006) 159; (2003) 171.

La molécula de ARN resultante de la transcripción se denomina tránscrito primario o

precursor del ARN.

Los precursores de los tres tipos de ARNs eucarióticos, no pueden desempeñar

directamente su función, por lo que deben convertirse en ARN maduro, funcional, en un

proceso denominado maduración o procesamiento que ocurre en el núcleo. Cuando finaliza,

las moléculas de ARN salen al citoplasma a través de los poros nucleares y ejercen sus

funciones.

Los ARNt y ARNr de procariotas sufren una maduración similar a la de eucariotas.

Pero el ARNm procariótico no necesita maduración y puede ser traducido incluso antes de

que finalice su transcripción.

En eucariotas, al conjunto de los diferentes pre-ARNms se le llama ARN

heterogéneo nuclear (ARNhn) pues son unas moléculas de tamaño muy variado. Es

característico de los genes que codifican proteínas que posean intrones: regiones de ADN

que se transcriben, se eliminan del pre-ARNm en su maduración y por lo tanto no de

traducen. También se denominan secuencias intercaladas (IVS) por ser regiones no

codificantes situadas en el interior de un gen. Las regiones que flanquean los intrones y se

conservan en el ARN maduro se denominan exones. Los exones son la parte codificante

del gen, pero el primer exón y el último también incluyen, respectivamente, las regiones 5´ y

3´, no traducidas, que no son codificantes.

Los genes de los ARNm procarióticos no poseen intrones.

Algunos genes de ARNt y ARNr, especialmente de eucariotas, sí presentan intrones.

El procesamiento consiste en una o varias de las siguientes reacciones:

- Modificación covalente de nucleótidos.

- Adición de nucleótidos a los extremos.

- Escisión de nucleótidos de los extremos.

- División de la molécula en varios fragmentos.

- Eliminación de intrones o splicing.


171

12. EL CÓDIGO GENÉTICO. (2015) 121, 218; (2014) 226; (2013) 198; (2012)

148, 178; (2011) 162, 244; (2010) 177,186, 246; (2009) 146, 251; (2008) 171; (2007)

22, 47; (2006) 188; (2003) 163, 208.

El código genético describe la correlación entre dos lenguajes informativos: la

secuencia de nucleótidos en el ARNm (lenguaje con 4 letras de los ácidos nucleicos) y la

secuencia de aminoácidos en el polipéptido (lenguaje con 20 letras de las proteínas).

12.1. CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO.

12.1.1. Los codones del código son tripletes. p. 148 (2012)

Para poder codificar los 20 aminoácidos se necesita que cada uno venga

especificado por una secuencia de 3 nucleótidos denominada triplete o codón. Las 64

posibles combinaciones sobran para los 20 aminoácidos.

12.1.2. Los tripletes no se solapan

Cada nucleótido forma parte sólo de un codón. No existen interrupciones entre los

nucleótidos que muestren cómo se realice la lectura, por lo que existen potencialmente tres

pautas o marcos de lectura cuya traducción formaría tres polipéptidos diferentes. Sin

embargo, en la traducción no se manifiesta esta ambigüedad; una vez iniciada la síntesis

según una pauta de lectura, los otros dos carecen de información. Los otros dos marcos de

lectura servirían en el caso de los genes solapantes.

Si se desplaza el marco de lectura en una o dos bases se produce una mutación.

12.1.3. El código genético es degenerado. p. 198 (2013); 148, 178 (2012); 162 (2011);

171 (2008); 47 (2007); 188 (2006)

La degeneración significa que un aminoácido está codificado por más de un codón. p.

198 (2013); 148 (2012); 171 (2008); 47 (2007); 188 (2006). Los codones que codifican

el mismo aminoácido se llaman codones sinónimos. Habría ambigüedad si un mismo

codón codificase varios aminoácidos. La degeneración es debida al exceso de tripletes, 64,

en comparación con los 20 aminoácidos.

Una consecuencia importante de la degeneración, es que disminuye la posibilidad de

que las mutaciones puntuales puedan provocar la incorporación de un aminoácido distinto.

Entre los codones sinónimos existe cierta similitud de secuencia y además en las

células existen menos moléculas diferentes de ARNt que de codones. Esto quiere decir que

un mismo anticodón puede reconocer varios codones. Para explicar esto se propuso la

“hipótesis del balanceo” o “de la fluctuación”, que se puede resumir en dos reglas:


172

1. La 1ª y la 2ª base del codón forman puentes de hidrógeno de tipo Watson y Crick bien

definidos con las bases 3ª y 2ª del anticodón.

2. La 1ª base del anticodón, en posición 5´ del ARNt, puede orientarse de formas

ligeramente distintas para interaccionar con distintas bases en la 3ª posición del codón.

p. 121 (2015). Este apareamiento tiene lugar mediante enlaces de Hoogsteen, más

débiles.

A esta flexibilidad de interacción también contribuye la presencia en el anticodón de

algunos ARNt, del nucleósido inosina (I, con la base nitrogenada hipoxantina) capaz de

aparearse con A, U o C. La inosina se genera por la acción de una adenosina desaminasa

sobre la adenina presente en el tránscrito primario del ARNt. p. 178 (2012).

12.1.4. El código genético es universal. p. 226 (2014)

La correspondencia entre codones y aminoácidos es la misma en todos los

organismos estudiados salvo excepciones como las mitocondrias humanas y de otros

mamíferos y ciertas bacterias, por lo tanto es casi universal.

Diferencias en el código genético de humanos

Núcleo Mitocondrias

AGA, AGG Arg stop

AUA Ile Met

UGA stop Trp


175

13. TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE PROTEÍNAS. (2015) 138, 145, 168,

175; (2014) 149, 228, 230; (2013) 135, 190, 221; (2012) 171, 198; (2011) 182, 245,

247,249, 255; (2010) 192, 218, 250; (2009) 61, 144, 251; (2008) 148, 189, 259;

(2007) 29, 60, 62, 120; (2005) 148, 182; (2004) 146; 148; (2003) 163, 177, 191, 199.

La traducción consiste en la síntesis de las proteínas mediante la unión de

aminoácidos según el orden establecido por la secuencia de nucleótidos del ARNm y el

código genetico. Ocurre en los ribosomas, por tanto en el citosol, no en el núcleo. p. 198

(2012).

Es un proceso de elevado coste energético pues consume un 80-90% de la energía

de biosíntesis, con una regulación muy estrecha en respuesta a las necesidades celulares y

al ritmo de degradación proteica, y en el que intervienen un gran número de moléculas

entre las que se encuentran:

- Varios tipos de aminoacil-ARNt. Entre los que se encuentran un ARNt para la

iniciación: ARNtfMet en procariotas y ARNti

Met en eucariotas. p. 146 (2004)

- Ribosomas.

- Un ARNm para cada proteína.

- Factores proteicos de inicio, elongación y terminación.

El proceso es muy rápido, en bacterias la velocidad de la traducción es de unos 20

aminoácidos por segundo y en eucariotas de 2 a 4 por segundo.

La secuencia de nucleótidos del ARNm se lee de 5´ a 3´, mientras que la secuencia

de aminoácidos se incorpora desde el extremo amino hacia el carboxilo. p. 221 (2013); 259

(2008); 199 (2003)

Un ARNm puede dar lugar a la síntesis de un solo polipéptido o de varios y así

existen dos tipos diferentes:

a) ARNm monocistrónicos: típicos de eucariotas y también presentes en procariotas,

son los que codifican sólo un polipéptido, de forma que la traducción empieza en un

único codón de inicio y finaliza en un único codón de terminación.


176

b) ARNm policistrónicos: sólo aparecen en procariotas y virus y codifican varios

polipéptidos. La traducción se inicia, simultáneamente o no, en varios codones de

inicio y finaliza en sus respectivos codones de terminación.

En la traducción se distinguen varias etapas: una fase previa de activación,

iniciación, elongación y terminación.

13.1. FASE PREVIA: ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS. p. 175 (2015)

La unión del aminoácido correcto a cada ARNt es el paso más crítico de la expresión

génica y debe realizarse de forma correcta. La unión del aminoácido con el ARNt se realiza

en dos reacciones catalizadas por la misma enzima, una aminoacil-ARNt sintetasa (aaRS):

R-CH(NH2)-COOH + AMP-P-P + enzima → Enzima-AMP-CO-CH(NH2)-R + PPi

(aminoácido) (ATP) (aminoacil-AMP-enzima)

La hidrólisis del PPi impulsa la reacción: PPi → 2Pi

Enzima-AMP-CO-CH(NH2)-R + ARNt-OH → ARNt-O-CO-CH(NH2)-R + AMP + enzima

(aminoacil-AMP-enzima) (aminoacil-ARNt)

Reacción global

Aminoácido + ATP + ARNt → Aminoacil-ARNt + AMP +2Pi

El producto final de la doble reacción es un aminoacil-ARNt, con un enlace éster

entre el grupo 3´-OH terminal del ARNt y el grupo carboxilo del aminoácido.

En el paso 1 se forma un intermediario ligado al enzima, el aminoacil adenilato

(aminoacil-AMP), por reacción del grupo carboxilo del aminoácido con el grupo -fosforilo

del ATP para formar un enlace anhídrido con desplazamiento de pirofosfato. En el segundo

paso, se transfiere el grupo aminoacilo desde el aminoacil-AMP unido al enzima a su

correspondiente tRNA específico. p. 175 (2015)


179

13.1.2. Corrección de errores cometidos por las aaRS. p. 245 (2011)

La elevada especificidad de las aminoacil-ARNt sintetasas hace que los errores sean

infrecuentes. Aún así, existen mecanismos de corrección que actúan sucesivamente en el

centro activo de la enzima antes y después de cada etapa de la reacción de síntesis.

A pesar de todos estos mecanismos de corrección, la tasa de error de la traducción

es mucho mayor que la de la replicación, de uno por cada 10.000 aminoácidos (frente a uno

por cada 106-108 nucleótidos en la replicación).

13.1.3. Balance energético de la activación

En cada reacción de aminoacilación se hidrolizan dos enlaces fosfato de alta energía

para formar el enlace entre el aminoácido y el ARNt.

13.2. INICIACIÓN.

Es la etapa previa a la formación del primer enlace peptídico, determina la velocidad

global de la síntesis y transcurre de forma semejante en procariotas y eucariotas salvo por

las proteínas implicadas.

13.2.1. El punto de inicio. p. 163 (2003); 182 (2005); 201 (2009); 138 (2015)

La traducción nunca comienza en el primer nucleótido del extremo 5´del ARNm,

por eso siempre se representa una región líder 5´ no traducida. Sólo un codón AUG, situado

internamente en la molécula, actúa como punto de inicio. Este AUG debe ser reconocido por

el ribosoma y el ARNt iniciador.

Los ribosomas bacterianos tienen tres sitios que fijan aminoacil-tRNA, el sitio

monoacilo o sitio A, el sitio peptidilo o sitio P y el sitio de salida o sitio E. Tanto la

subunidad 30S como la 50S contribuyen a las características de los sitios A y P, mientras

que el sitio E se encuentra en su mayor parte en la subunidad 50S. p. 182 (2011).

En procariotas cada cistrón (región de ADN o ARNm que codifica un polipéptido)

posee una secuencia de 8-12 nucleótidos rica en purinas llamada de Shine-Dalgarno (SD),

que interacciona específicamente con una secuencia complementaria y antiparalela rica en

pirimidinas del ARNr 16S de la subunidad pequeña del ribosoma, definiendo como codón

de iniciación un AUG situado unos 10 nucleótidos en dirección 3´. Esta interacción ARNm-

ARNr sitúa la secuencia de inicio (5´) AUG del ARNm en la posición correcta de la

subunidad 30S, donde es requerida para que se inicie la traducción, posibilitando la

expresión de un gen eucariota. p. 163 (2003); 182 (2005); 201 (2009); 138 (2015)

En eucariotas, no hay una secuencia especial que una el ARNm al ribosoma. La

especificidad se establece a través de la unión del ARNt iniciador al ARNm, en el entorno


180

proporcionado por la subunidad menor del ribosoma y requiere que el codón AUG forme

parte de la secuencia de Kozak, que contiene una purina en -3 y una guanina en +4 que

son los principales determinantes.

13.2.2. Formación del metionil-ARNt iniciador.

Los codones AUG en los que se inicia la traducción son reconocidos por un ARNt

iniciador (ARNtfMet en procariotas y ARNti

Met en eucariotas) mientras los codones AUG

internos interaccionan con un ARNt distinto que se denomina ARNtMet.

En procariotas y en mitocondrias y cloroplastos eucarióticos se forma Met-

ARNtiMet, que luego es modificado con un grupo formilo en el α-amino de la metionina. Hay

aminoacilación y formilación para incorporar N-formil-metionina como primer aminoácido de

la proteina.

En eucariotas sólo se requiere la aminoacilación para incorporar metionina en el

N-terminal.

13.2.3. Pasos en la iniciación. p. 171 (2012); 148, 189 (2008); 60, 120 (2007

La iniciación de la traducción necesita la unión del ARNt iniciador al codón de

iniciación AUG en el sitio P o peptidilo del ribosoma. En todos los pasos de la iniciación,

así como en la elongación y terminación, intervienen factores proteicos. Los factores de

iniciación se denominan IF en procariotas y eIF en eucariotas. Estos pasos son:

1º- Disociación del ribosoma

Las dos subunidades del ribosoma, 40S y 60S en eucariotas, se sintetizan en el

núcleo, salen a través de los poros nucleares y se ensamblan en el citosol formando el

ribosoma 80S. Para participar en la traducción, el ribosoma tiene que disociarse en sus dos

subunidades. La unión de los factores eIF-3 y eIF-4C a la subunidad menor del ribosoma y

el factor eIF-6 a la subunidad mayor, origina la separación de las dos subunidades.

2º- Unión del aminoacil-ARNt y de ARNm a la subunidad menor del ribosoma. p. 120

(2007)

A continuación se incorporan a la subunidad menor del ribosoma el ARNt y el ARNm.

El ARNm se une con el ribosoma a través de su caperuza 5´, que es reconocida por

el factor eIF-4E (que también se denomina CBP de cap binding protein). En esta unión y en

el posterior desplazamiento del ribosoma en sentido 3´ hasta encontrar el primer codón

AUG, intervienen los factores eIF-4A y el eIF-4B, que consumen ATP.

El metionil-ARNtiMet, se incorpora sobre el extremo 5´ después de haberse asociado

con el eIF-2, al que también se une GTP.


181

Suele decirse que se forma primero un complejo binario de preiniciación y después

uno ternario. Éste, formado por el metionil-ARNtiMet, el eIF-2:GTP, y la subunidad 40S:eIF-3:

eIF-4C, se desliza hasta encontrar el primer AUG en la secuencia de Kozak que queda en el

sitio P.

3º - Unión de la subunidad mayor y formación del complejo de iniciación

La unión del factor eIF-5 activa la actividad GTPasa del eIF-2, el GTP es hidrolizado

y queda eIF-2:GDP que no tiene afinidad por los otros elementos y determina que se liberen

todos los factores proteicos y se una la subunidad 60S después de haberse disociado del

factor eIF-6 que la mantenía separada. Ahora se ha formado el definitivo complejo ternario

de iniciación 80S con el ribosoma completo y el ARNm y ARNt correctamente ubicados.

Todos los factores eIF son recuperados para participar en el inicio de una nueva

cadena proteica. El eIF-2:GTP, que ahora está en forma eIF-2:GDP, debe ser regenerado

por intercambio de nucleótidos mediado por el factor eIF-2B.

El reconocimiento del cap 5´ y el desplazamiento hasta encontrar el AUG, consume

energía, así como la regeneración del GTP hidrolizado por el eIF-2.

Células procariota:

En el caso de células procariotas son esenciales

tres factores de iniciación (IF1, IF2, y IF3). Primero, la

subunidad ribosómica 30S forma un complejo con IF1 e

IF3. La unión de la subunidad 30S con esos factores le

impide unirse prematuramente con la subunidad 50S para

formar un complejo 70S inerte, desprovisto de mRNA y

del fMet-tRNAf. El factor de iniciación 2, un miembro de la

familia de las proteínas G, se une al GTP y el cambio de

conformación que se produce permite a IF2 asociarse con

el formilmetionil-tRNAf. El complejo IF2-GTP-tRNA

iniciador se une con el mRNA (en posición correcta

debido a la interacción de la secuencia Shine-Dalgarno

con el rRNA 16S) y con la subunidad 30S para formar el

complejo de iniciación 30S. La hidrólisis del GTP unido a

IF2 permite la entrada de la subunidad 50S lo que

produce la disociación de los factores de iniciación,

obteniéndose como resultado el complejo de iniciación

70S. p. 148 (2008); p. 60 (2007).

Figura. Iniciación de la traducción en procariotas. Los

factores de iniciación ayudan para el primer ensamblaje del complejo de iniciación 30S y después del complejo de inciciación 70 Fuente: Fig.29-27 pág. 833, Cap.29. STRYER.et al. “Bioquímica”. Editorial REVERTÉ, 5ª ed., 2002


183

13.3. ELONGACIÓN. p. p. 247 (2011); 149, 230 (2014); 145 (2015)

Es un proceso cíclico que comprende desde la adición del segundo aminoácido

hasta el último y se repite tantas veces como aminoácidos se incorporen. Intervienen 3

factores proteicos citoplasmáticos, los factores de elongación eEF-1α, eEF-1βɣ y el eEF-2.

Los factores de elongación correspondientes en procariotas son EF-Tu, EF-Ts y EF-G, que

son similares y actúan de la misma forma.

En esta etapa no se reconoce el aminoácido que se incorpora; sino que el

aminoácido insertado viene determinado por la especificidad codón- anticodón. Los pasos

son los siguientes:

1º - Ubicación del aminoacil-ARNt en el sitio A. p. 230 (2014)

La entrada de todos los aa-ARNt en el sitio A necesita que estén unidos al factor de

elongación eEF-1α, que une GTP y tiene actividad GTPasa; de hecho forman complejos

ternarios aa-ARNt : eEF-1α : GTP. Estos complejos difunden al sitio A vacío y si el

apareamiento codón-anticodón es correcto, el aminoacil-ARNt se ubica de forma estable, lo

que provoca cambios conformacionales que estimulan la actividad GTPasa de eEF-1α. La

forma eEF-1α : GDP no posee afinidad por el ribosoma, se libera y queda el aa-ARNt unido

en el sitio A. p. 230 (2014).

Igual que sucede al eIF-2, debe regenerarse la forma eEF-1α : GTP por intercambio

de nucleótidos mediado por el factor de elongación eEF-1βɣ. Por tanto se gasta una

molécula de ATP por cada aminoácido incorporado.

El eEF-1α interacciona con cualquier aa-ARNt excepto con el iniciador, que se

diferencia de los demás en la estructura secundaria del tallo aceptor.

2º- Formación del enlace peptídico.

Una vez que están situados el aa-ARNt en el sitio A y el Met-ARNti en el sitio P, se

forma el enlace peptídico entre el carbonilo de la metionina y el amino del segundo

aminoácido. La transpeptidación está catalizada por una peptidiltransferasa o

transpeptidasa localizada en el ARNr 28S de la subunidad grande del ribosoma (es una

ribozima). p. 145 (2015); 247 (2011).


191

14. MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES. (2015) 165, 217;

(2013) 134, 161, 211; (2011) 169; (2010) 176; (2009) 150, 198, 203; (2007) 26;

(2006) 145, 187; (2005) 160, 163, 168, 175; (2004) 216; (2003) 150.

El polipéptido recién sintetizado necesita sufrir una serie de procesos para adquirir la

estructura nativa de la proteína que determina su función. Estos procesos denominados

maduración o modificación postraduccional son los enumerados a continuación. Los tres

primeros pasos ocurren simultáneamente.

1. Transporte de la proteína a su localización definitiva subcelular o extracelular.

2. Maduración del polipéptido, que comprende modificaciones químicas de los

aminoácidos y eliminación de fragmentos.

3. Plegamiento hasta alcanzar la conformación activa.

4. Degradación.

14.1. TRÁFICO O DESTINO DE LAS PROTEÍNAS

Es la ruta que siguen en la célula eucariota hasta alcanzar la localización en la cual

ejercerán su función y los mecanismos responsables de que la sigan. Los principales

orgánulos implicados son el retículo endoplasmático rugoso (RER) y el complejo de Golgi

(CG). En el RER se sintetizan las proteínas integrales de membrana celular, del RE, del CG

y de los lisosomas; las destinadas al lumen del RE, CG o lisosomas y las destinadas a la

secreción.

Las proteínas con destino y función citosólicas, nucleares o de otros orgánulos

(mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas,. . .) se sintetizan en los ribosomas libres

citosólicos.

En el CG los polipéptidos sufren nuevos procesamientos. Las proteínas salen en

vesículas dirigidas al orgánulo adecuado o hacia la membrana celular. Si la proteína va a ser

secretada al exterior, se denominan vesículas de secreción, que finalmente se fusionan con

la membrana liberando su contenido al exterior celular por exocitosis.

Las proteínas son dirigidas a sus orgánulos debido a secuencias señal o señales de

clasificación que forman parte de la proteína naciente; si no presentan secuencias señal

permanecen en el citosol. La secuencia señal a menudo es eliminada durante el transporte o

después que la proteína ha alcanzado su destino final.

Las secuencias señal suelen ser regiones de 15 a 60 aminoácidos casi siempre

eliminadas por escisión proteolítica una vez han cumplido su función. En otros casos es una

región señal con una disposición tridimensional específica formada por aminoácidos no

contiguos en la estructura primaria de la proteína.


193

- Se reanuda la síntesis proteica en el lumen del RER.

- En la riboforina se abre un canal de translocación que permite la entrada al lumen

de la cadena polipeptídica naciente. Por esto al complejo se le denomina complejo de

translocación.

4. En la cara luminal, asociada a la riboforina hay una proteína integral llamada peptidasa

de la señal, que escinde el péptido señal, que será degradado a aminoácidos.

5. Cuando el extremo carboxilo del polipéptido ha pasado a través de la membrana del RER,

el ribosoma se disocia del RER y se desorganiza todo el complejo de traducción que volverá

a reciclarse (ciclo del ribosoma).

14.1.2. Proteínas nucleares. p. 217 (2015)

Una gran variedad de proteínas nucleares (RNA y DNA polimerasas, histonas,

topoisomerasas, proteínas reguladoras de la expresión génica, etc) son sintetizadas en el

citosol e importadas luego por el núcleo. A su vez, las moléculas de RNA sintetizadas en el

núcleo son exportadas al citosol, mientras que las proteínas ribosómicas sintetizadas en el

citosol son importadas por el núcleo y ensambladas en el nucléolo para formar las

subunidades ribosómicas 60S y 40S, que una vez completadas son exportadas al citosol.

Este tráfico está modulado por un complejo sistema de señales moleculares y proteínas de

transporte.

La selectividad de esta importación nuclear reside en la existencia de una secuencia

señal de importación o localización nuclear, (NLS). En lugar de encontrarse en el

extremo amino-terminal, una secuencia señal de localización nuclear (NLS) puede estar en

cualquier posición en la secuencia primaria de la proteína (nuclear). Las NLS son muy

variables, pero muchas están constituidas por cuatro u ocho residuos aminoacídicos y

contienen varios residuos básicos. Las secuencias NLS no son eliminadas cuando la

proteína llega a su destino, permitiendo un proceso de importación reiterado. Por ejemplo,

en la mayoría de eucariontes, la envoltura nuclear se desorganiza en cada división celular.

Una vez finalizada la división celular y se ha restablecido la envoltura nuclear las proteínas

nucleares dispersadas son reimportadas. p. 217 (2015)

La importación en el núcleo está facilitada por un conjunto de proteínas que

establecen un ciclo entre el citosol y el núcleo, entre las que se encuentran las importinas

y β y una pequeña GTPasa denominada Ran. Las dos subunidades de la importina se

separan durante la translocación y la proteína con la secuencia NLS se disocia de la

importina dentro del núcleo. Las importinas y β son entonces exportadas fuera del

núcleo para repetir el proceso. No está esclarecido aún cómo la importina permanece

disociada de las muchas proteínas con señales NLS dentro del núcleo.


194

Figura. Direccionamiento de proteínas nucleares. 1) Una proteína con una señal de

localización nuclear (NLS) apropiada se une a un complejo de importinas y β. 2) El complejo resultante se une a un poro nuclear y 3) la translocación es facilitada por la GTPasa Ran. 4) Dentro

del núcleo, la importina β se disocia de la importina y 5) a continuación la importina libera la

proteína nuclear. 6) Las importinas y β son transportadas fuera del núcleo y recicladas. Fuente: Fig 27-37 (a) (pag 1073) del libro “Lehninger. Principios de Bioquímica. Ediciones Omega, Barcelona, 4ª ed., 2006”.

14.2. MADURACIÓN DEL POLIPÉPTIDO NACIENTE

Puede tener lugar después de finalizada la síntesis o, con más frecuencia,

simultáneamente con la traducción, mientras se está elongando la cadena polipeptídica. En

este caso se llama modificación cotraduccional. La maduración comprende dos tipos de

modificaciones:

- transformación de las cadenas laterales de algunos aminoácidos.

- escisón proteolítica.


202

14.3.2. Degradación citosólica. p. 165 (2015)

Mediante esta ruta pueden degradarse la mayoría de las proteínas libres del citosol.

El proceso es muy selectivo, está bajo un estricto control y es la degradación que necesita

mayor gasto de ATP. Intervienen como mediadores aminoácidos N-terminales y la proteína

ubiquitina.

a) Ubiquitina

Es una proteína pequeña, presente en todas las células eucariotas, de las más

conservadas, globular, rígida y muy estable que interviene como marcador selectivo de la

degradación de otras proteínas cuando se une covalentemente a ellas. La ubiquitinación se

realiza en un proceso de 3 reacciones.

Fuente: Figura apartado 24.5.2.1 (pag 341) del libro “Texto ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería

Genética., Barcelona, 1ª ed., 2008”.

La señal para la destrucción es el enlace amida isopeptídico de la ubiquitina con el

amino ε de la cadena lateral de Lys de la proteína.

b) Señales desencadenantes de la ubiquitinación

b.1. El residuo amino terminal: si pertenece al grupo III (Gly, Ala, Val, Ser, Thr, Cys, Met,

Pro) tienen una vida media corta.

b.2. Secuencias PEST: regiones de 12 a 60 aminoácidos ricas en Pro, Glu, Ser y Thr

(PEST) son reconocidas por los sistemas enzimáticos de degradación y las proteínas que

las poseen tienen una vida media corta.


205

15. MUTACIÓN. (2015) 213, 216; (2014) 211; (2011) 135, 171, 204; (2009) 196;

(2008) 226, 240; (2007) 73; (2005) 234; (2003) 176.

Se denomina mutación al cambio en la secuencia de bases del ADN de un individuo

y también al proceso mediante el cual se producen las variantes, los alelos, de los genes..

Básicamente se diferencian dos tipos de mutaciones:

- Génicas: si está alterada la secuencia de nucleótidos. Son las mutaciones en sentido

estricto. No se detectan microscópicamente.

- Cromosómicas: si hay cambio en la estructura del cromosoma se denominan

mutaciones cromosómicas estructurales o cromosomopatías estructurales, y si hay

cambio en el número de cromosomas mutaciones genómicas, mutaciones

numéricas o cromosomopatías numéricas. Son diagnosticables con métodos

microscópicos.

15.1. MUTACIONES GÉNICAS.

En el análisis de la mutación, el punto de partida es siempre el alelo salvaje, que es

la forma encontrada en la naturaleza o en las cepas estándares de laboratorio. Una

mutación que cambie el fenotipo salvaje se denomina mutación directa (forward mutation) o

simplemente mutación. Cualquier cambio en sentido contrario, es decir, del alelo mutante al

salvaje se denomina mutación reversa o reversión (reverse mutation).

Hay numerosas clasificaciones dependiendo del criterio que se utilice, algunas de

ellas son las siguientes.

A. Según las técnicas necesarias para la detección o reconocimiento de las mutaciones:

- Mutaciones morfológicas.

- Mutaciones bioquímicas o nutritivas: las que impiden el crecimiento del organismo si no se

les suministra el compuesto final de la ruta metabólica. Las cepas salvajes son prototróficas

y sólo necesitan un medio mínimo para crecer. Los mutantes auxotróficos necesitan un

medio suplementado con el producto final de la ruta que muestran alterada.

- Mutaciones letales: producen la muerte del individuo antes de alcanzar la madurez sexual.

Si sólo produce una disminución de su capacidad para sobrevivir o reproducirse se

denomina mutación deletérea. Las mutaciones letales son en su mayoría recesivas,

manifestándose en homocigosis o en hemicigosis en haploides y en las ligadas al sexo.

- Mutaciones condicionales: si el fenotipo mutante sólo se manifiesta en un determinado

ambiente.

- Mutaciones de resistencia.

- Mutaciones de desarrollo.

- Mutaciones de comportamiento.


213

16. REPARACIÓN DEL ADN. (2015) 180; (2011) 237; (2009) 187, 249; (2007)

49; (2005) 259; (2004) 178.

16.1. SISTEMAS PREVENTIVOS

No es propiamente un sistema de reparación, sino de prevención de posibles daños.

Actúan neutralizando compuestos mutagénicos como los radicales libres, que dañan el ADN

por oxidación de las bases nitrogenadas.

Uno de estos mecanismos de detoxifixación lo ejerce la superóxido dismutasa (1),

que evita la acumulación de radicales superóxido (2) transformándolos en peróxido de

hidrógeno, que es finalmente convertido en agua por la catalasa.

2 O2- + 2H+ (1) → O2 + H2O2 (2) → ½ O2 + H2O

16.2. REVERSIÓN DIRECTA DE LA LESIÓN

Es la forma más inmediata de reparar una mutación, aunque no es factible en la

mayoría de los casos, a excepción de los siguientes.

16.2.1. Reparación de fotodímeros

Los dímeros de timina causan una distorsión estructural que impide físicamente la

replicación y la transcripción. El mecanismo de reparación se basa en el reconocimiento del

fotodímero por la enzima fotoliasa, que lo escinde mediante una reacción de transferencia

electrónica iniciada por la absorción de luz visible (por eso también se le llama enzima

fotorreactivante), regenerando sus dos bases originales. La fotoliasa tiene como coenzimas

FADH2 y un cromóforo que absorbe luz. En oscuridad se requieren otros sistemas para

reparar estas lesiones. Este sistema se ha encontrado en bacterias, hongos, peces, anfibios,

reptiles y mamíferos marsupiales, pero no aparece en humanos.

En algunos organismos, como Drosophila, se detectó una fotoliasa que repara los

fotoproductos 6-4.

16.2.2. Reversión de bases modificadas con grupos alquilo.

El ejemplo más conocido es la reparación de O6-metilguanina y O6-etilguanina,

productos de la modificación del ADN por agentes alquilantes.

El grupo alquilo de la base es eliminado por una alquiltransferasa, que lo transfiere a

un residuo cisteína de su centro activo. Éste no puede regenerarse, por lo que la catálisis

inactiva la propia enzima (no es una enzima estricta) y la célula debe sintetizar nuevas

moléculas de alquiltransferasa para mantener las reparaciones. Si hay muchas mutaciones

puede saturarse el sistema.


216

acoplado con la transcripción. Se origina por mutaciones en cualquiera de los tres genes

siguientes: CSA, CSB o XPG ; que impiden la asociación normal del TFIIH con los

componentes del NER. Algunas mutaciones de XPB, XPD y XPG originan síndromes

solapantes XP/CS.

C. Tricotiodistrofia (TTD)

Debida a mutaciones en los genes TTD-A, XPB o XPD. Se trata de un defecto de la

transcripción, que se puede corregir in vitro por microinyección de TFIIH a las células. Sus

síntomas, en los dos últimos casos solapantes con XP, incluyen caries, ictiosis y retraso

mental por desmielinización.

D. Hemocromatosis primaria

Es una enfermedad hereditaria que afecta al metabolismo del hierro, provocando un

acúmulo excesivo e incorrecto de este metal en los órganos y sistemas del organismo. Las

causas de la enfermedad hereditaria son mutaciones en el gen HFE, localizado en el brazo

corto del cromosoma 6. El HFE codifica para una proteína (perteneciente a la familia de

moléculas del sistema mayor de histocompatibilidad HLA-A) que participa en la regulación

de la absorción del hierro y se expresa, en niveles altos, en órganos como el hígado y el

intestino delgado.

16.3.2. Mecanismos específicos de reparación por escisión de bases. p. 180 (2015)

El sistema BER (base excision repair) reconoce y actúa en bases concretas,

reparando lesiones que no distorsionan gravemente el ADN y no son reconocidas por el

NER. Por ejemplo: corrige daños por hidrólisis (desaminación o pérdida de base), oxidación

por radicales libres de oxígeno, alquilación y derivados no voluminosos como la timina glicol,

N3-metiladenina, 8-hidroxiguanina, etc.

El mecanismo de reparación comprende las siguientes fases:

- La fase de escisión. Se diferencia de la reparación general porque se elimina la base

alterada o incorrecta y no su nucleótido completo. Una N-glicosilasa de ADN (DNA

glucosilasa) reconoce una base anómala o apareada incorrectamente e hidroliza su enlace

N-glicosídico con la desoxirribosa, dando lugar a un sitio apurínico o apirimidínico. En las

células existen varias N-glicosilasas específicas para bases distintas y que reparan lesiones

diferentes. p. 180 (2015)

- Una vez generado el sitio abásico se produce el corte de la hebra de ADN junto a esa

desoxirribosa que no está unida a ninguna base. Las endonucleasas AP (de apurínico y

apirimidínico) hidrolizan el enlace fosfodiéster originando una mella. En eucariotas cortan

siempre al lado 5´ del sitio abásico, generando un extremo 3´-OH y otro 5´-

fosfodesoxirribosa. La acción de estas enzimas es vital también para corregir la

despurinización espontánea, que es relativamente frecuente.

https://es.wikipedia.org/wiki/Enfermedad_hereditaria

https://es.wikipedia.org/wiki/Metabolismo_del_hierro

https://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93rgano_%28biolog%C3%ADa%29

https://es.wikipedia.org/wiki/Mutaci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Gen

https://es.wikipedia.org/wiki/Cromosoma

https://es.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%ADna

https://es.wikipedia.org/wiki/Intestino_delgado


241

19. TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE. (2015) 212; (2014) 163,

164, 194; (2013) 132, 197; (2012) 147, 220; (2011) 203; (2010) 143; (2009) 178;

(2008) 218; (2007) 258; (2006) 198; (2005) 219; (2003) 247.

19.1. NUCLEASAS

Se denomina nucleasa a una enzima que escinde los enlaces fosfodiéster de los

ácidos nucleicos. Son fosfodiesterasas específicas respecto a 3 criterios:

a. Posición: las exonucleasas hidrolizan exclusivamente enlaces fosfato en los que

participa el nucleótido terminal 5´ o 3´. Generan una cadena de nucleótidos acortada y

un nucleósido (N), nucleósido monofosfato (pN o Np) o un nucleósido bisfosfato (pNp).

Las endonucleasas hidrolizan enlaces internos de la cadena y generan dos fragmentos

polinucleotídicos.

b. Tipo de enlace fosfodiéster: las nucleasas de tipo a hidrolizan los enlaces fosfato

formados con el 3´-OH y origina extremos 3´-OH y 5´-P. Las nucleasas de tipo b

hidrolizan los formados con 5´-OH y da lugar a extremos 3´-P y 5´-OH.

T A

2´

3´

O

PO

-OO

5´5´

3´

2´Tipo a

Tipo b

T A

2´

3´

OH

PO

-OO

5´5´

3´

2´

-O

T A

2´

3´

O

P

O

-OHO

5´5´

3´

2´

Tipo a Tipo b

O-

Enlace FOSFODIÉSTER 3´- 5´

3´- OH y 5´-P 3´- P y 5´- OH

c. Nucleósido reconocido: desoxirribonucleasas o DNasas que actúan sólo sobre el ADN

y ribonucleasas o RNasas que hidrolizan ARN. Hay algunas que diferencian entre

nucleósidos púricos y pirimidínicos.

Una endonucleasa formadora de monofosfatos 5´ es la ribonucleasa H (RNasa H)

que degrada específicamente la cadena RNA de híbridos de DNA-RNA convirtiéndola en

productos ácido solubles con extremos 5´-monofosfatos, no degrada RNA o DNA

monocatenario ni RNA o DNA bicatenario ni la cadena DNA del duplexo.

19.2. ENZIMAS DE RESTRICCIÓN. p. 212 (2015)

19.2.1. Características generales

Se denominan también nucleasas de restricción, endonucleasas de restricción y

restrictasas. Son endodesoxirribonucleasas descubiertas en bacterias que se nombran con

tres letras tomadas del género y la especie bacteriana de la que se aislaron originalmente


242

seguidas por una letra que identifica el serotipo y un número romano que indica enzimas de

una misma cepa con diferentes especificidades. p. 212 (2015)

EcoRI (Escherichia coli, cepa RY13, primera endonucleasa aislada de esta cepa)

Enzima Origen Bacteriano Sitio de Reconocimiento Resultado del Corte

EcoRI Escherichia coli 5'GAATTC

3'CTTAAG

5'---G AATTC---3'

3'---CTTAA G---5'

BamHI Bacillus amyloliquefaciens 5'GGATCC

3'CCTAGG

5'---G GATCC---3'

3'---CCTAG G---5'

HindIII Haemophilus influenzae 5'AAGCTT

3'TTCGAA

5'---A AGCTT---3'

3'---TTCGA A---5'

TaqI Thermus aquaticus 5'TCGA

3'AGCT

5'---T CGA---3'

3'---AGC T---5'

Poseen una gran especificidad de reconocimiento de una secuencia corta de ADN

dúplex, e hidrolizan un enlace fosfodiéster en cada hebra en secuencias concretas llamadas

sitios de reconocimiento o de restricción. Los fragmentos de ADN originados son útiles

para realizar la clonación, elaborar mapas físicos de restricción, detectar polimorfismos. . .

Hay 3 familias de enzimas de restricción:

Tipo I y Tipo III

- Tienen actividad endonucleasa (cortan) y metilasa, en distintas subunidades de una

misma proteína.

- Necesitan como coenzimas o cosustratos: ATP para moverse a través de la molécula de

DNA, desde el lugar de reconocimiento hasta el sitio del corte; Mg2+ y S-adenosilmetionina.

- Cortan a cierta distancia de la secuencia de reconocimiento:

Las tipo I cortan lejos de la secuencia de reconocimiento, a unos 1000 pb upstream

o downstream y corta las dos hebras en puntos cercanos entre sí y poco específicos.

Las tipo III cortan las dos hebras en puntos distales entre sí 2 ó 3 nt, situados a 24-

26 pb del sitio de reconocimiento.

- El punto de metilación está dentro de la secuencia de reconocimiento y no es palindrómico.

Tipo II

- Sólo tienen actividad endonucleasa.

- Es una sola subunidad, aunque actúa como homodímero.

- Sólo requieren Mg++ como cofactor.

- El sitio de reconocimiento es palindrómico, de 4-8 pb. Los más frecuentes tienen 6 pb.

- Corta las 2 hebras en puntos equivalentes, muy específicos, dentro de la secuencia de

reconocimiento.

http://es.wikipedia.org/wiki/EcoRI

http://es.wikipedia.org/wiki/Escherichia_coli

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=BamHI&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bacillus_amyloliquefaciens&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/HindIII

http://es.wikipedia.org/wiki/Haemophilus_influenzae

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=TaqI&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Thermus_aquaticus


271

21. BASES MOLECULARES DEL CÁNCER. (2015) 133; (2014) 147.

21.1. GENES RESPONSABLES DEL CÁNCER.

Las mutaciones, presentes en las células cancerosas, que provocan la aparición de

las características tumorales afectan a genes cuyos productos proteicos regulan la

proliferación celular, la apoptosis o la senescencia celular (envejecimiento).

21.1.1. Mutación de protooncogenes: oncogenes.

Un oncogén es la forma mutada de un gen normal o protooncogén que causa cáncer

como consecuencia de una “ganancia de función” de la proteína expresada por el gen. El

protooncogén codifica una proteína normal, generalmente relacionada con la proliferación

celular o la apoptosis, que actúa sólo cuando recibe señales reguladoras específicas. El

oncogén expresa una proteína anormal (oncoproteína) que se mantiene activa

independientemente de las señales reguladoras, por lo que el resultado es una ganancia

de función de la proteína. Se puede decir que los oncogenes son el resultado de una

mutación activadora de la función normal de los protooncogenes que conduce a una

proliferación descontrolada o a una apoptosis reprimida y, en definitiva, a la aparición del

cáncer.

Tipos de protooncogenes

Se han identificado protoocogenes que codifican proteínas muy diversas:

1. Factores estimuladores del crecimiento celular. La mutación oncogénica origina una

producción excesiva del factor proteico o una mayor actividad de éste. Ej: el

protooncogén sis codifica la cadena B del factor de crecimiento derivado de

plaquetas (PDGF).

2. Receptores de factores de crecimiento o de hormonas, presentes en la membrana o

dentro de la célula. Para el caso de un factor de crecimiento u hormona

estimuladores de la proliferación, la forma oncoproteica del receptor puede ser

aquélla con una conformación que la mantiene activa aunque no se le una el

ligando. Si se trata del receptor de un factor u hormona inhibidores del crecimiento,

la oncoproteína es aquella que no responde a la unión del ligando. Ej: el

protooncogén erbB codifica el receptor de membrana para el factor de crecimiento

epidérmico EGF.

3. Proteínas citoplasmáticas que intervienen en los sistemas se transducción de

señales. La mutación hace que el oncogén exprese una proteína que se mantiene

activa sin necesidad de que le llegue la señal. Ej.: el protooncogén ras codifica una

proteína G monomérica.


277

tumores. De manera análoga a lo que ocurre sobre Rb , diversas proteínas víricas

generan tumores a través del bloqueo de p53 (antígeno T de SV40, proteína E6 de

papilomavirus y proteína E1B de adenovirus, por ejemplo ).

21.2.3. Apoptosis, muerte celular programada o suicidio celular. p. 133

(2015); 212 (2014)

La apoptosis es un proceso fisiológico, controlado genéticamente, que se da en

todos los organismos multicelulares. mediante el cual las células dañadas o no deseadas

(que han cumplido su ciclo vital) activan mecanismos que conducen a su propia

destrucción . No debe confundirse con la necrosis, debida al efecto nocivo directo de

agentes externos, de naturaleza mecánica ( rotura ), biológica (virus , bacterias),

quimicofísica (drogas, toxinas , venenos),etc., que conducen a pérdida de la capacidad de

regulación osmótica , hinchamiento, rotura de la membrana, salida del contenido intracelular

y, finalmente , fagocitosis de los residuos celulares. p. 212 (2014)

Se observa reducción de la apoptosis en condiciones fisiológicas caracterizadas por

una gran proliferación celular (desarrollo embrionario y posnatal temprano, metamorfosis,

mecanismo de acción de hormonas y factores paracrinos, etc.), así como en situaciones

patológicas tan diversas como el cáncer, enfermedades autoinmunes o infecciones víricas.

La célula cancerosa se considera una célula con una proliferación incontrolada

debida probablemente a la suma de una activación de la proliferación y un bloqueo de la

apoptosis.

Etapas y control del proceso de apoptosis

1. Inducción

La entrada en apoptosis requiere un estímulo o señal adecuado (señal positiva) extra o

intracelular. También existen señales negativas que la frenan. Anteriormente explicamos los

mecanismos que desencadenan la apoptosis; a través de la interacción de los ligados Fas y

NTF (factor de necrosis tumoral), con sus respectivos receptores extracelulares. p. 133

(2015)


278

Figura. Acontecimientos iniciales de la apoptosis. Los receptores de la membrana

plasmática (Fas, TNF-R1) reciben las señales de sus respectivos ligandos. Los receptores activados favorecen la interacción entre el “dominio muerte” y un dominio similar de las proteínas citosólicas FADD y TRADD. FADD activa una proteasa citosólica llamada caspasa 8, que activa proteolíticamente otras proteasas celulares. TRADD también activa proteasas. La proteólisis resultante es un factor importante en la muerte celular. Fuente: Fig 12-50 (a) (pag 474) del libro “Lehninger. Principios de Bioquímica. Ediciones Omega, Barcelona, 4ª ed., 2006”.

2. Ejecución

El proceso consta de varias alteraciones que conducen a la muerte de la célula: cambios

morfológicos y de la membrana con disminución de la adhesión a otras células y a la

matriz extracelular, contracción del citoplasma, condensación de la cromatina,

fragmentación del DNA, disminución del volumen nuclear seguida de su desintegración,

rotura de mitocondrias con vertido de su contenido al citoplasma, aparición de

protuberancias en la membrana celular (zeiosis), etc. Estas alteraciones se deben a la

activación de varias proteasas y nucleasas, que se convierten así en las principales

moléculas responsables de la apoptosis.

a) Proteasas:

Las caspasas son una familia de proteasas citosólicas, (cisteína endopeptidasas).

En humanos se han identificado 10, clasificadas en tres grupos de acuerdo con su

especificidad de sustrato. Producen la proteolisis de proteínas diana o sustrato, entre las


281

22. MAPA GENÉTICO Y FÍSICO DEL GENOMA. (2015) 221;

(2014) 143.

Conocer la estructura fina del genoma de una especie es un proceso largo que se

ha abordado a tres niveles crecientes de resolución: mapa genético o de ligamiento, mapa

físico y secuenciación.

22.1. MAPA GENÉTICO O DE LIGAMIENTO.

Sitúa de forma aproximada en los cromosomas los loci de genes y otros marcadores

o secuencias. El cálculo de la distancia y la ubicación relativa, se basa en la frecuencia con

la que los pares de loci recombinan.

22.2. MAPA FÍSICO.

Miden directamente distancias entre genes u otras regiones del genoma en pares de

bases. Dependiendo del nivel de resolución (unidad de mapa) se distinguen: mapas a baja

resolución (varias Mb), a alta resolución (hasta 105 bases) y máxima resolución (secuencia

nucleotídica). Entre sus variantes se encuentran los mapas de restricción en los que se

ordenan en el cromosoma las dianas para las enzimas de restricción.

22.2.1. Mapas físicos a baja resolución.

Corresponden a la asignación de cada marcador a un cromosoma o región

cromosómica. El marcador se detecta empleando sondas o cebadores de PCR específicos

para su secuencia o detectando su producto funcional. Pueden obtenerse de las dos formas

citadas a continuación.


289

22.3.2. Método enzimático o de Sanger. p. 221 (2015)

En una primera etapa, el oligonucleótido iniciador marcado radiactivamente se

aparea con el DNA de simple cadena a secuenciar y se inicia la síntesis de la cadena

complementaria por parte de la DNA polimerasa. La mezcla en la que se producirá la

reacción de síntesis se separa en 4 tubos, cada uno de los cuales contiene, además, uno de

los nucleótidos terminadores (ddATP, ddCTP, ddGTP o ddTTP). Estos son

dideoxinucleótidos que carecen del -OH en la posición 3', por lo que, una vez que son

agregados a la cadena que se está sintetizando, no pueden reaccionar con ningún otro

nucleótido y se transforman, así, en el último nucleótido de la cadena, impidiendo la

elongación de la cadena. p. 221 (2015)

En una segunda etapa, los productos de reacción son sembrados en la parte

superior de un gel, en "calles" separadas. Luego de la corrida electroforética, se realiza la

autorradiografía del gel que permite leer la secuencia complementaria del DNA original. Las

posiciones de los fragmentos de DNA permiten leer la secuencia de nucleótidos incógnita de

la siguiente manera: por ejemplo, si el un fragmento de un solo nucleótido, que se ubica en

la primera posición en la calle correspondiente a la guanina indica que el primer nucleótido

de la secuencia contiene, como base nitrogenada, una guanina.

AD


293

BIBLIOGRAFÍA

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