BASES CELULAR Y MOLECULAR DE LA HERENCIA

LA CÉLULAVisible con el microscopio óptico:CitoplasmaNúcleo (cuerpo que se tiñe más

intensamente) y que contiene el material hereditario en forma de cromosomas.

La bicapa de fosfolipidos de la membrana plasmática protege el interior de la célula pero se mantiene selectivamente permeable y contiene proteínas implicadas en el reconocimiento y en la señalización entre las células.

El núcleo está rodeado por una membrana, la envoltura nuclear, que lo separa del citoplasma pero permite la comunicación a través de los poros nucleares.

El citoplasma contiene el citosol, de consistencia semilíquida, formado por elementos solubles y elementos estructurales del citoesqueleto.

Además, en el citoplasma hay una compleja disposición de canales interconectados, muy finos y enrevesados, el retículo endoplásmico. El retículo endoplásmico, junto con los ribosomas, está implicado en la biosíntesis de las proteínas y de los lípidos.

También dispuestas en el interior del citoplasma se encuentras otras organelas celulares, que sólo pueden visualizarse con un microscopio electrónico. Entre ellas:

Aparato de Golgi, responsable de la secreción de los productos celulares.

Mitocondrias, responsables de la producción de energía mediante las rutas metabólicas de fosforilación oxidativa, y

Peroxisomas y lisosomas, implicados ambos en la degradación y la eliminación del material de desecho celular y de las moléculas tóxicas.

DNA: EL MATERIAL HEREDITARIOCOMPOSICIÓNNucleótidos Cada nucleótido se compone de una base

nitrogenada, un molécula de azúcar y una molécula de fosfato.

Base nitrogenada.- de 2 tipos:PurinaPirimidina

Purinas adenina y guaninaPirimidinas citosina, timina y uracilo

2 tipos de ácido nucleico:Ácido ribonucleico (RNA), que contiene ribosa

(azúcar de 5 carbonos)Ácido desoxirribonucleico (DNA), en el que el grupo

hidroxilo en posición 29 del azúcar ribosa está sustituido por un hidrógeno (es decir, se ha perdido una molécula de oxígeno).

Tanto el DNA como el RNA contienen las bases púricas adenina y guanina y la pirimidínica citosina, pero la timina sólo se encuentra en el DNA y el uracilo solamente se encuentra en el RNA.

El RNA está presente en el citoplasma y en muy altas concentraciones en el nucléolo del núcleo. El DNA se encuentra principalmente en los cromosomas.

ESTRUCTURAEn 1953, Watson y Crick, basándose en estudios de

difracción de rayos X realizados por ellos mismos y por otros, propusieron una estructura para la molécula de DNA que satisfacía todos los requisitos esenciales. Sugirieron que la molécula de DNA estaba compuesta por dos cadenas de nucleótidos dispuestas en una doble hélice. El esqueleto de cada cadena está formado por puentes fosfodiésteres entre los carbonos 3’ y 5’ de los azúcares adyacentes, y las dos cadenas se mantienen juntas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que apuntan hacia el centro de la hélice.

Cada cadena de DNA tiene una polaridad determinada por la orientación del esqueleto de azúcar-fosfato. El final de la cadena lo constituye el átomo de carbono 5’ de la molécula de azúcar (extremo 5’), mientras que el final representado por el átomo de carbono 3’ se denomina el extremo 3’.

En la doble hélice el extremo 5’ de una hebra se opone al extremo 3’ de la otra, es decir, tienen una orientación opuesta y de dice que es antiparalela.

La disposición de las bases en la molécula de DNA no es aleatoria. Una purina en una cadena siempre se empareja con una pirimidina en la otra cadena, con un apareamiento específico de los pares de bases:

Guanina-citosinaAdenina-timinaDe forma que estos pares de bases forman

hebras complementarias.

REPLICACIÓNEl proceso de replicación del DNA proporciona

respuesta a la pregunta de cómo se transmite la información genética de una generación a la siguiente.

Durante la división celular las dos hebras de la doble hélice del DNA se separan mediante la acción de la enzima DNA helicasa. Cada hebra del DNA dirige la síntesis de una hebra de DNA complementario a través del apareamiento específico de las bases, lo que da como resultado dos DNA dobles hijos idénticos a la molécula padre original. Cuando las células se dividen, la información genética se conserva y se transmite sin cambios a cada célula hija.

El proceso de replicación del DNA se denomina semiconservador, ya que sólo una hebra de cada molécula hija resultante es sintetizada de nuevo.

La replicación del DNA, mediante la acción de la enzima DNA polimerasa, se produce en múltiples puntos conocidos como orígenes de la replicación, formando estructuras bifurcadas en forma de Y conocidas como horquillas de replicación.

La síntesis de ambas hebras de DNA complementarias y antiparalelas se produce en la dirección 5’ a 3’. Una hebra, conocida como la hebra adelantada, se sintetiza en un proceso contínuo. La otra hebra, (hebra retardada), se sintetiza en trozos denominados fragmentos de Okazaki, que posteriormente forman una hebra contínua mediante la enzima DNA ligasa.

La replicación del DNA avanza en ambas direcciones a partir de estos puntos de origen, formando estructuras con forma de burbujas, las burbujas de replicación. Los orígenes de replicación vecinos se encuentran aproximadamente a 50-300 kilobases (kb) de distancia y aparecen en racimos, o unidades de replicación, de 20 a 80 orígenes de replicación.

La replicación del DNA en unidades de replicación individuales se produce en diferentes momentos en la fase S del ciclo celular, las unidades de replicación adyacentes se fusionan hasta que todo el DNA se copia, formando dos moléculas hijas completas e idénticas.

ESTRUCTURA DEL CROMOSOMALa disposición del DNA en los cromosomas es el resultado

de diversas clases de arrollamiento y plegado del DNA. Además del arrollamiento primario de la doble hélice del

DNA, hay un arrollamiento secundario alrededor de las “cuentas” esféricas de histona, formando los nucleosomas.

Se produce un arrollamiento terciario de los nucleosomas para constituir las fibras de cromatina que forman bucles largos en un andamio de proteínas acídicas no histona, que se arrollan después apretadamente para formar el cromosoma según se visualiza en el microscopio óptico, conformando la estructura completa el así denominado modelo solenoide de la estructura cromosómica.

Empaquetamiento del DNAEmpaquetamiento del DNA

Composición del Cromosoma(Cromatina)

Proteínas : básicas -> histonas

ácidas -> no histonas (~30%) DNA

RNA (1%)

Tasa de empaquetamiento: 1:50.000-100.000

Doble hélice

Nucleosoma (Octámero de Histonas)

Solenoide (Histona H1)

Empaquetamiento del DNAEmpaquetamiento del DNA

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GENES NUCLEARESSe calcula que en el genoma nuclear hay

entre 25,000 y 30,000 genes. La distribución varía enormemente según las

regiones cromosómicas. Los cromosomas 19 y 22 son ricos en genes,

mientras que los 4 y 18 son relativamente pobres en genes.

El tamaño de los genes también muestra una gran variabilidad: desde genes pequeños con exones únicos hasta genes que tienen 79 exones.

Los genes humanos varían enormementeen tamaño y cantidad de exones

Genes de copia únicaLa mayoría de los genes humanos son de

copia única y codifican polipéptidos que están implicados en o realizan diversas funciones celulares. Comprenden las enzimas, las hormonas, los receptores y las proteínas estructurales y reguladoras.

Familias de multigenesMuchos genes tienen funciones similares; se han

originado por episodios de duplicación génica con la posterior divergencia en la evolución y conforman lo que se conoce como familias de multigenes. Algunos se encuentran físicamente próximos entre sí formando racimos, mientras que otros están ampliamente dispersos por todo el genoma y aparecen en diferentes cromosomas.

Las familias de multigenes pueden dividirse en dos tipos:Familias de genes clásicos, que muestran un alto grado de

homología de secuencia,Superfamilias de genes, tienen una homología de secuencia

limitada pero están funcionalmente relacionados y tienen dominios estructurales similares.

Familias de genes clásicosEjemplos de familias de genes clásicos son

las numerosas copias de genes que codifican diversos RNA ribosómicos, agrupados como formaciones en tándem en las regiones organizadoras de los nucléolos situadas en los brazos cortos de los cinco cromosomas acrocéntricos, y las diversas familias génicas del RNA de transferencia, que se encuentran dispersas en numerosos racimos a lo largo del genoma humano.

Superfamilias de genesEjemplos de superfamilias de genes son los

genes del HLA (antígeno leucocitario humano) en el cromosoma 6 y los genes de los receptores de los linfocitos T, que tienen una homología estructural con los genes de las inmunoglobulinas (Ig).

Se cree que éstos derivan con casi toda certeza de la duplicación de un gen precursor, con la posterior divergencia en la evolución para formar las superfamilias de Ig.

Estructura de los genesEl concepto original del gen como una

secuencia continua de DNA para codificar una proteina fue completamente modificado a principios de la década de 1980 gracias al análisis detallado de la estructura del gen de la B-globina humnana.

Se descubrió que el gen era mucho más largo de lo necesario para codificar la proteína B-globina, y que contenía secuencias intermedias no codificantes, o intrones, que separaban las secuencias codificantes o exones.

El número y el tamaño de los intrones en diversos genes humanos es extremadamente variable, aunque hay una tendencia general a que cuanto mayor sea el gen, mayor el número y el tamaño de los exones. Los intrones individuales pueden ser bastante mayores que las secuencias codificantes, y se ha encontrado que algunos contienen secuencias codificantes para otros genes (genes que se presentan dentro de otros genes).

Habitualmente, los genes humanos no se solapan y están separados unos de otros por una media de 30 kb, aunque se ha visto que algunos de los genes en el complejo HLA están solapados.

seudogenesGenes que se parecen enormemente a genes

estructurales conocidos, pero que, en general, no se expresan funcionalmente.

Se cree que se han originado de dos formas principales:Por genes sometidos a procesos de duplicación que se

han vuelto silentes por la adquisición de mutaciones en elementos reguladores o codificadores, o

como resultado de la inserción de secuencias de DNA complementarias, producida por la acción de la enzima transcriptasa inversa en una transcripción del RNA mensajero ocurrida de forma natural, carentes de las secuencias promotoras necesarias para su expresión.

DNA EXTRAGENICOEl número calculado de 25,000 a 30,000

genes de copia única en los seres humanos representa menos del 2 % del genoma codificador de proteínas.

El resto del genoma humano está compuesto de secuencias de DNA repetitivas que son predominantemente inactivas desde el punto de vista de la transcripción. Se ha descrito como DNA basura, pero algunas regiones se conservan a lo largo de la evolución y pueden desempeñar un papel en la regulación de la expresión de los genes.

DNA MITOCONDRIALAdemás del DNA nuclear, los varios miles de

mitocondrias de cada célula poseen sus propios 16,6 kb de DNA de doble cadena circular, el DNA mitocondrial o mtDNA.

El genoma del DNA mitocondrial es muy compacto, contiene poco DNA repetitivo y codifica para 37 genes, que incluyen a dos tipos de RNA ribosómico, 22 RNA de transferencia y 13 subunidades proteicas para enzimas, como el citocromo b y la citocromo oxidasa, que están implicadas en las rutas productoras de energía de la fosforilación oxidativa.

El código genético del mtDNA difiere ligeramente del código del DNA nuclear.

TRANSCRIPCIONProceso por el cual se transmite la información

genética desde el DNA al RNA. La información almacenada en el código genético se transmite desde el DNA de un gen al RNA mensajero o mRNA.

Cada base en la molécula del mRNA es complementaria a la base correspondiente en el DNA del gen, pero con el uracilo que sustituye a la timina en el mRNA.

El mRNA es monocatenario y se sintetiza por la enzima RNA polimerasa, que añade el ribonucleótido complementario adecuado al extremo 3’ de la cadena del RNA.

En un gen particular sólo una de las hebras del DNA de doble hélice actúa como la denominada hebra de plantilla. La molécula de RNA transcrita es una copia de la hebra complementaria, o lo que se denomina la hebra con sentido del DNA de doble hélice.

La hebra de plantilla a veces se denomina la hebra antisentido.

La hebra particular del DNA de doble hélice utilizado para la síntesis de RNA parece diferir según las diferentes regiones del genoma.

TRADUCCIÓNEs la transmisión de la información genética desde el mRNA

a la proteína. El mRNA recién procesado se transporta desde el núcleo al citoplasma, donde se asocia con los ribosomas, que son el sitio de síntesis de las proteínas.

Los ribosomas están compuestos por dos subunidades de distinto tamaño que consisten en cuatro tipos diferentes de moléculas de RNA ribosómico (rRNA) y un gran número de proteínas ribosómicas específicas.

Los grupos de ribosomas que se asocian con la misma molécula de mRNA se denominan polirribosomas o polisomas.

En los ribosomas, el mRNA forma la plantilla para producir la secuencia específica de aminoácidos de un polipéptido particular.

RNA DE TRANSFERENCIAEn el citoplasma existe otra forma de RNA, RNA de

transferencia o tRNA. La incorporación de aminoácidos a una cadena de

polipéptidos requiere que los aminoácidos se unan covalentemente reaccionando con ATP en la molécula de tRNA específica mdiante la actividad de la enzima aminoaciltRNAsintasa.

El ribosoma, con sus rRNA asociados, se mueve a lo largo del mRNA, y los aminoácidos se unen entre sí mediante la formación de enlaces peptídicos por la acción de la enzima peptidiltransferasa para formar una cadena de polipéptidos.

MODIFICACIÓN POSTRADUCCIÓNAntes de que alcancen su estructura o su

actividad funcional normal, muchas proteínas experimentan una modificación postraducción, que puede consistir en modificaciones químicas en las cadenas de los aminoácidos laterales (por ej., hidroxilación, metilación), la adición de fracciones de hidratos de carbono o de lípidos (por ej., glucosilación) o la disociación de los polipéptidos (por ej. La conversión de proinsulina en insulina).

Esta modificación postraducción, junto con ciertas secuencias cortas de aminoácidos conocidas como secuencias de localización en las proteínas recién sintetizadas, producen el transporte a localizaciones celulares específicas (p. ej. El núcleo) o su secreción desde la célula.

EL CODIGO GENÉTICOEn las proteínas se encuentran 20

aminoácidos diferentes; como el DNA está compuesto de 4 bases nitrogenadas distintas, es obvio que única base no puede ser específica de un solo aminoácido. Si dos bases fueran específicas, solo habría 16 combinaciones posibles. Sin embargo, si tres bases fueran específicas de un aminoácido, entonces el número posible de combinaciones de las cuatro bases sería 64. Esto es más que suficiente para justificar los 20 aminoácidos conocidos y constituye el llamado código genético.

CODONES O TRIPLETES DE BASESEl triplete de bases de nucleótidos en el mRNA que

codifica un aminoácido particular se denomina codón. Cada triplete codón en la secuencia codifica a una aminoácido específico en la secuencia y de esta forma el código genético no se solapa.

El orden de los tripletes codones en un gen se conoce como el marco de lectura de traducción.

Sin embargo, algunos aminoácidos están codificados por más de un triplete, de forma que se dice que el código está degenerado.

Cada especie de tRNA para un aminoácido particular tiene una secuencia específica de trinucleótidos denominada anticodón, que es complementaria al codón del mRNA.

Aunque hay 64 codones, sólo existen 30 tRNA citoploasmáticos, los anticodones de ciertos codones reconocedores de tRNA que difieren en la posición de la tercera base, y la guaninaes capaz de aparearse tanto con el uracilo como con la citosina.

La terminación de la traducción del mRNA está señalada por la presencia de uno de los tres codones de terminación o de finalización.

REGULACION DE LA EXPRESION DEL GENEl control principal de la expresión del gen se

encuentra en la transcripción por secuencias reguladoras del DNA en la región promotora que flanquea al 5’ de los genes estructurales en los aucariotas.

Los factores de transcripción generales y específicos están también implicados en la regulación de los genes.

MUTACIONESLas mutaciones se producen tanto

espontáneamente como por la exposición a agentes mutágenos, como la radiación ionizante.

Las mutaciones son corregidas continuamente por las enzimas reparadoras del DNA