Download La Genética se define como la ciencia que se ocupa del estudio de

IES El Parador. Dpto Ciencias de la Naturaleza
Biología 2º Bachillerato
BLOQUE III. ¿DÓNDE ESTÁ LA INFORMACIÓN DE LOS
SERES VIVOS? ¿CÓMO SE EXPRESA Y SE TRANSMITE?
LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA
CONTENIDOS
1. Genética molecular.
1.1. El ADN como portador de la información genética.
1.1.1. ADN y cromosomas.
1.1.2. Concepto de gen.
1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN.
1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información genética): transcripción y traducción en
procariotas y eucariotas.
1.1.5. El código genético.
1.2. Alteraciones de la información genética.
1.2.1. Concepto de mutación.
1.2.2. Causas de las mutaciones.
1.2.3. Consecuencias de las mutaciones.
1.2.3.1. Consecuencias evolutivas
1.2.3.2. Efectos perjudiciales.
ORIENTACIONES
1. Reconocer al ADN como molécula portadora de la información genética. Recordar que el ADN es el componente esencial de los
cromosomas.
2. Entender el gen como el fragmento de ADN que constituye la más pequeña unidad funcional.
3. Relacionar e identificar el proceso de replicación del ADN como el mecanismo de conservación de la información genética.
4. Reconocer la necesidad de que la información genética se exprese y explicar brevemente los procesos de transcripción y traducción por los
que se realiza dicha expresión.
5. Comprender la forma en que está codificada la información genética y valorar su universalidad.
6. Definir las mutaciones como alteraciones genéticas.
7. Distinguir entre mutación espontánea e inducida y citar algunos agentes mutagénicos: rayos UV, radiaciones ionizantes, agentes químicos y
agentes biológicos.
8. Destacar que las mutaciones son necesarias pero no suficientes para explicar el proceso evolutivo.
9. Reconocer el efecto perjudicial de gran número de mutaciones y relacionar el concepto de mutación con el de enfermedad hereditaria.
OBSERVACIONES
1. Se recomienda que los procesos de replicación del ADN, transcripción y traducción se expliquen tomando como referencia lo que acontece
en una célula procariótica sin dejar de resaltar la compartimentación asociada a estos procesos en las células eucarióticas.
2. En el proceso de replicación del ADN, se sugiere, al menos, la mención de: origen de replicación, sentido 5´--> 3´, cadenas adelantada
(conductora) y retrasada (retardada), cebador, fragmento de Okazaki, ADN y ARN polimerasas y ADN ligasa.
3. En la explicación del proceso de transcripción se sugiere, al menos, la mención de: diferencia entre cadena codificante y cadena molde del
ADN, sentido 5´ ---> 3´, copia de una sola cadena del ADN, señal de inicio (promotor), acción de la ARN polimerasa y señal de terminación.
4. En la síntesis de proteínas se sugiere la mención de, al menos: etapa de iniciación (ARN mensajero, ARN transferente, codón de inicio,
anticodón y subunidades ribosómicas); etapa de elongación (formación del enlace peptídico y desplazamiento del ribosoma (translocación));
etapa de terminación (codón de terminación).
5. En relación con el código genético, los alumnos deben conocer, al menos, que se trata de un código universal (aunque con excepciones) y
degenerado.
6. Se sugiere el uso de diferentes tablas o imágenes del código genético donde se muestre la asignación de aminoácidos a los 64 tripletes;
tanto el modelo conocido en una tabla de doble entrada como el modelo de círculos concéntricos, u otros similares.
7. No será necesario explicar los tipos de mutaciones, pero el alumno deberá ser capaz de reconocer como mutaciones los cambios en una
secuencia de nucleótidos y los cambios en la dotación cromosómica, e interpretar las consecuencias de las mismas.
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1.1. EL ADN COMO PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Una vez aceptado que los genes se encontraban en los cromosomas, se inició la búsqueda de
cuál era la naturaleza química de los genes, es decir, de la molécula portadora de la
información genética. Había dos posibilidades: el ADN o las proteínas. Las proteínas parecían
ser las principales candidatas ya que estaban formadas por 20 unidades diferentes (20
aminoácidos) mientras que el ADN estaba formado sólo por 4 unidades diferentes (las cuatro
bases nitrogenadas). Sin embargo, varias pruebas pusieron de manifiesto que los genes
estaban constituidos por ADN. Entre estas pruebas estaba la de Hershey y Chase, en 1952:
Trabajaron con el bacteriófago T2. Lo que hicieron fue en un cultivo de virus marcaron la cubierta
proteica con S35 y el ADN con P32. Posteriormente, infectaron con estos virus un cultivo de la
bacteria Escherichia coli. Tras dejar tiempo suficiente para que los virus infectaran a las bacterias,
agitaron el cultivo para separar las cápsidas vacías de los virus infectantes (Fantasma de proteína
marcada con S35). Sólo el ADN radiactivo del virus aparecía en el interior de las bacterias y, al
cabo de un tiempo, en el interior de los nuevos virus descendientes pero ninguno contenía S 35 en
la cubierta. Demostraron con este experimento que era el ADN, y no las proteínas, la molécula
que pasa de una generación a otra y, por lo tanto, la molécula que debe contener la información
de cómo han de ser los organismos.
¿Cumplía el ADN los requisitos necesarios para ser el material hereditario en todas
las especies? Dichos requisitos son los que se recogen en el cuadro siguiente:
a) Debe llevar información transmisible a
las siguientes generaciones
c) Debe ser capaz de autoduplicarse, es
decir hacer copias de sí mismo para justificar
la constancia del material genético
e) Debe tener capacidad de mutar para
justificar la variabilidad de las especies y su
evolución
b) Debe localizarse en los cromosomas
para ser coherente con las observaciones
citogenéticas.
d) Debe ser químicamente estable para
transmitir información fiable de generación en
generación
f) Debe ser capaz de regular la síntesis de
proteínas que son las que controlan el
funcionamiento celular.
Efectivamente se ha demostrado que la molécula de ADN cumple las condiciones que se relatan en
el cuadro anterior, por tanto podemos concluir que el ADN es el material hereditario y que está
localizado en los cromosomas que son los encargados de transmitirlo de generación en
generación.
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1.1.1. ADN y cromosomas. Teoría cromosómica de la herencia
En 1910, Morgan trabajando con la mosca del vinagre, Drosophila melanogaster, demostró
la Teoría cromosómica de la herencia, cuyas ideas fundamentales son:
 los factores hereditarios o genes están en los cromosomas
 los genes presentan una disposición lineal, es decir, uno a continuación de otro
 mediante el entrecruzamiento de las cromátidas homólogas (en la meiosis) se
produce la recombinación genética
A. Estructura de los cromosomas
Recordemos que el ciclo celular está formado por dos períodos:
interfase (G1, S y G2) y división o período M (mitosis y citocinesis).
Cuando una célula entra en mitosis, tiene que duplicar su ADN
en la fase S y los filamentos de cromatina se condensan
(niveles de empaquetamiento), volviéndose más cortos y
gruesos, dando lugar a los cromosomas.
Cromatina y cromosomas son la misma molécula (ADN)
pero en diferente estado:
 la cromatina es larga, fina y descondensada,
representando la forma activa
 los cromosomas son cortos, gruesos y condensados,
representando la forma pasiva y el vehículo por el que el
MG se transmite a las células hijas
La condensación de la cromatina en la mitosis tiene como objetivo facilitar el que
cada célula hija reciba la misma información genética. Si estuviese sin condensar, como
las moléculas de ADN son extremadamente finas y largas, resultaría imposible
desenmarañarlas al intentar separar las dos copias que han de ir a las células hijas.
Al inicio de la fase G1 los filamentos de
cromatina se empiezan a condensar. En la fase
S el ADN se duplica, por lo que cada filamento
de cromatina forma una fibra hermana, por ello
en la profase y metafase mitótica cada
cromosoma
está
formado
por
dos
cromátidas hermanas unidas por un punto
denominado centrómero. Es importante
resaltar que las dos cromátidas hermanas
contienen la misma información genética, es
decir, moléculas de ADN idénticas ya que
resultan de la duplicación de dicha molécula.
En la anafase de la mitosis se separan las dos
cromátidas de cada cromosoma por lo que en
anafase tardía y telofase los cromosomas
tienen una sola cromátida.
B. Morfología de los cromosomas (ESTUDIADO EN TEMAS ANTERIORES)
Según la posición del centrómero y la longitud de los brazos, se distinguen
cuatro tipos de cromosomas:
-
cromosomas metacéntricos: centrómero central y 2 brazos iguales
cromosomas submetacéntricos: un brazo algo más largo que el otro
cromosomas acrocéntricos: un brazo muy largo y otro muy corto
cromosomas telocéntricos: el centrómero en uno de los extremos, en la
región del telómero, por lo que sólo se distingue un brazo.
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C. Número de cromosomas
El nº de cromosomas de una especie es constante. Las células de un individuo pueden ser:
a. Células diploides: presentan dos juegos de cromosomas, uno materno y otro paterno. De
cada tipo de cromosomas hay dos ejemplares (uno de la madre y otro del padre) con el
mismo tamaño, forma y genes, y se denominan cromosomas homólogos. Es el caso de las
células somáticas. El número diploide de cromosomas se representa por 2n.
b. Células haploides: presentan un sólo juego de cromosomas, todos diferentes entre sí, por
lo que no hay cromosomas homólogos. Es el caso de las células reproductoras o gametos.
El número haploide de cromosomas se representa por n.
En el caso de la especie humana, las células del cuerpo son células somáticas y diploides con 23
parejas de cromosomas o 46 cromosomas (2n = 46), mientras que los gametos son haploides, con 23
cromosomas distintos (n = 23).
En una célula diploide los cromosomas están por parejas y hay dos genes para cada
carácter, mientras que en una haploide todos los cromosomas son distintos y hay
un sólo gen para cada carácter.
D. Cariotipo y sexo
El cariotipo es el ordenamiento de los cromosomas de una célula en
metafase de acuerdo a su número, tamaño, posición del centrómero,
longitud de los brazos… El cariotipo es característico de cada
especie, al igual que el número de cromosomas. En los organismos
superiores el cariotipo de una célula está formado por dos tipos de
cromosomas:


Autosomas, iguales en los individuos masculinos y femeninos.
Cromosomas sexuales o heterocromosomas, que suelen ser
una pareja, diferente según el sexo. En la especie humana los
cromosomas sexuales son el X e Y.
 El cariotipo de las mujeres está formado por 44 autosomas + XX ya
que presentan dos cromosomas X.
 El cariotipo de los hombres está formado por 44 autosomas + XY ya
que presentan un cromosoma X y otro Y (constituye la excepción a
la regla de que los cromosomas homólogos son idénticos en forma y
tamaño).
1.1.2. Concepto de gen
En la actualidad se considera un gen como el segmento de ADN, o
de ARN en el caso de ciertos virus, que contiene información para la
síntesis de una cadena polipeptídica.
1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN
Recordemos EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR, que representa la
relación entre ADN, ARN y proteínas, y se esquematiza de la siguiente forma:
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La síntesis de proteínas es el proceso mediante el cual
se expresa la información genética y consiste en fabricar
cadenas peptídicas en un orden concreto de
aminoácidos, determinado por el orden de nucleótidos del
ADN. Ocurre en dos fases:
 Transcripción: paso de la información desde el ADN a
una molécula de ARN (ARNm, ARNt o ARNr).
 Traducción: consiste en unir aminoácidos en un orden
determinado por la información contenida en el ARNm.
Con frecuencia, se considera que la transcripción es la
síntesis de ARN y la traducción corresponde únicamente
con la biosíntesis de proteínas.
A partir de aquí vamos a analizar los procesos de
replicación o duplicación, transcripción y traducción, pero
antes de todo estudiaremos el código genético.
A. CÓDIGO GENÉTICO
El código genético es la correspondencia que existe
entre los nucleótidos del ADN o del ARNm y los
aminoácidos de las proteínas. Esta correspondencia
se establece entre un código de 4 letras (nucleótidos)
y otro de 20 letras (aminoácidos).
ADN
proteínas
(4 letras)
(20 letras)
 Si consideramos que a cada aa le corresponden 1 nucleótido, al haber 4 nucleótidos
diferentes, no es suficiente ya que hay 20 aa distintos.
 Si consideramos que a cada aa le corresponden 2 nucleótidos, son posibles 16 (42)
parejas de nucleótidos diferentes y esto no es suficiente ya que hay 20 aa distintos.
 Si consideramos que a cada aa le corresponde 3 nucleótidos, son posibles 64 (43)
tripletes de nucleótidos diferentes, suficiente para los 20 aa. Por tanto, el CG es un
código de tripletes y cada triplete de nucleótidos del ARNm se llama codón. Hay:
 3 codones sin sentido o de terminación (UAA, UAG y UGA), que no
codifican para ningún aa y sirven de señal para la terminación de las
síntesis de la proteína.
 61 codones con sentido, que codifican para algún aa. Uno de ellos es el
codón de iniciación de la síntesis proteica (AUG).
El CG es degenerado, que significa que cada aa puede ser codificado o especificado por
más de un triplete diferente. Resulta evidente ya que hay 61 codones para 20 aa. Ahora
bien, es una degeneración no uniforme, ya que la Leu es codificada por 6 codones, la Ile por
tres, el Trp por uno y la Met también por uno.
El CG es prácticamente universal, ya que codifica de la misma forma en los cromosomas
del núcleo de células eucariotas, en las mitocondrias, en los cloroplastos, en los virus y
plásmidos. Sin embargo, existen excepciones como las mitocondrias de levaduras,
protozoos y mamíferos, en las cuales ciertos codones no coinciden con los indicados en el
diccionario estándar. Por ejemplo, el triplete UGA, que en el diccionario estándar para el núcleo
celular es un codón de terminación, en la mitocondria codifica el aminoácido triptófano.
Características del CG: es un código de tripletes, degenerado
y prácticamente universal.
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2ª posición
1ª posición
U
C
A
Nota: Para el examen deberás saber emplear
códigos genéticos de distinta entrada.
G
3ª posición
U
C
A
G
Phe
Ser
Tyr
Cys
U
Phe
Ser
Tyr
Cys
C
Leu
Ser
STOP
STOP
A
Leu
Ser
STOP
Trp
G
Leu
Pro
His
Arg
U
Leu
Pro
His
Arg
C
Leu
Pro
Gln
Arg
A
Leu
Pro
Gln
Arg
G
Ile
Thr
Asn
Ser
U
Ile
Thr
Asn
Ser
C
Ile
Thr
Lys
Arg
A
Met
Thr
Lys
Arg
G
Val
Ala
Asp
Gly
U
Val
Ala
Asp
Gly
C
Val
Ala
Glu
Gly
A
Val
Ala
Glu
Gly
G
B. REPLICACIÓN O DUPLICACIÓN DEL ADN
Cuando una célula va a dividirse (mitosis o meiosis) tiene que hacer una copia de su ADN
(sintetizar la cromátida hermana) para que cada una de las células hijas reciba una copia.
La replicación es el proceso de duplicación del material genético o síntesis de la cromátida
hermana de cada cromosoma y ocurre en la fase S de la interfase y en el núcleo celular.
HAY TRES HIPÓTESIS SOBRE LA DUPLICACIÓN DEL ADN:
• Modelo conservativo: Una de las moléculas de ADN hijas
conserva las dos cadenas originales y la otra está formada
por dos cadenas de nueva síntesis.
• Modelo Dispersivo: Cada una de las dos moléculas hijas
tiene fragmentos de la cadena original y fragmentos de nueva
síntesis.
• Modelo semiconservativo, propuesto por Watson y Crick:
Es el modelo aceptado como verdadero. Según esta
hipótesis la duplicación comenzaría con el desenrrollamiento
y separación de las dos cadenas de la doble hélice, sirviendo
cada una como molde para sintetizar, a partir de nucleótidos
libres en el núcleo celular, una cadena complementaria. El
resultado son dos moléculas de ADN hijas idénticas entre sí e
iguales a la molécula progenitora; además, cada molécula
hija presenta una cadena progenitora y otra de nueva
síntesis.
Para tratar de dilucidar cuál de las hipótesis propuestas era cierta, Meselson y Stahl en 1958
realizaron el siguiente experimento:
a) En primer lugar comprobaron, en un experimento control, que el ADN de bacterias
cultivadas durante varias generaciones en un medio con 15N (isótopo pesado del
nitrógeno) era más pesado que el ADN de bacterias cultivadas en un medio normal con
14N. Además ambos tipos de ADN podían separarse mediante ultracentrifugación. El
resultado del control (centrifugación del ADN conocido) fue que el ADN con 15N posee
una densidad mayor que el ADN con 14N por lo que es posible separar por centrifugación
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ambas formas de ADN: El ADN pesado (15N) sedimenta en el tubo de centrífuga, en
una posición más baja que el ADN ligero (14N). A partir de este control realizaron su
experiencia.
b) Cultivaron bacterias E. coli durante varias generaciones en un medio con 15N para que
el ADN de la población incorporara el isótopo.
c) Transfirieron las bacterias a un medio con 14N y dejaron que se produjeran varias
generaciones o ciclos de replicación-división en ese medio.
d) Tomaron tras cada generación una
muestra de bacterias, les extrajeron el
ADN y lo centrifugaron para ver cómo
se incorporaba el 14N.
Obtuvieron los siguientes:
En la primera generación aparecía una
sola banda de ADN en posición
intermedia
entre
las
bandas
correspondientes al 14N y al 15N, lo
que indicaba que todas las moléculas
de ADN tenían la misma densidad y
contenían 14N y 15N en la misma
proporción. Este resultado descarta el
modelo conservativo.
En la segunda y en la tercera
generación se mantenía la banda
intermedia y aparecía otra banda
correspondiente a ADN con 14N. Este
resultado
descarta
la
hipótesis
dispersiva.
CONCLUSIÓN: EL ÚNICO MODELO COMPATIBLE CON LOS RESULTADOS ES EL
MODELO SEMICONSERVATIVO.
LAS FASES DE LA REPLICACIÓN
Este proceso se divide en dos etapas: La iniciación y la elongación. Además durante la
elongación se lleva a cabo la corrección de errores que se hayan podido producir.
1.- Fase de Iniciación
Consiste básicamente en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice. Se inicia en una
región del ADN llamada ori-C o punto de iniciación. Es una zona donde abundan las
secuencias GATC.
Durante la fase de iniciación se producen varios acontecimientos:
• Existen unas proteínas específicas que son capaces de reconocer el punto de iniciación y
se unen a él. Posteriormente las enzimas helicasas actúan rompiendo los puentes de
hidrógeno entre las bases nitrogenadas, lo que tiene como consecuencia que la doble hélice
se abra como si de una cremallera se tratara.
• Al abrirse la doble hélice se produce desenrollamiento en esa zona, lo que crea en las
zonas próximas unas tensiones que podrían provocar un mayor enrollamiento. Para evitar
esta posibilidad, actúan otras enzimas, las girasas y las topoisomerasas, que evitan esas
tensiones rompiendo y soldando de nuevo la hélice de ADN en estos puntos.
• Las proteínas SSB (del inglés Single Strand Binding-DNA), proteínas de unión a la cadena
sencilla) se unen a las hebras molde e impiden que se vuelvan a enrollar. Dejan libre la parte
de la hebra que lleva las bases, de modo que estas sean accesibles para otras moléculas.
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• En el lugar de origen de la replicación se ha originado la denominada burbuja de
replicación en la que hay dos zonas con forma de Y, denominadas horquillas de
replicación, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de replicación
de va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos, de ahí que se diga que la
replicación es bidireccional.
2.- Fase de Elongación
En esta fase se va a producir realmente la síntesis de las nuevas hebras de ADN, de manera
que, sobre cada hebra de la doble hélice original, se va a sintetizar una hebra nueva.
Además de las enzimas que actúan en la fase de iniciación, en la elongación intervienen las
ADN-polimerasas, de tipo I, II y III, que tienen una doble función:
• Actividad polimerasa. Unen entre sí los nucleótidos que formarán el ADN. Para ello,
recorren la hebra molde, seleccionan el desoxirribonucleótido cuya base es complementaria
con la de la hebra molde, y lo unen. Las nuevas cadenas de ADN se sintetizan por unión de
desoxirribonucleótidos trifosfatos. La energía para el nuevo enlace se obtiene de la hidrólisis
de los dos grupos fosfato del nucleótido entrante.
• Actividad exonucleasa. Eliminan nucleótidos, cuyas bases nitrogenadas están mal
apareadas, así como fragmentos de ARN.
3.- El mecanismo de la Elongación
Las ADN-polimerasas no pueden iniciar de
cero la síntesis de una nueva cadena de ADN.
Necesitan un fragmento de unos 10 nucleótidos
de ARN, denominado cebador, con un extremo
3’ libre al que añadir los nuevos nucleótidos. El
cebador es sintetizado por una por una ARNpolimerasa denominada primasa. Una vez que
ha comenzado la síntesis, la propia cadena de
ADN ya sintetizada actúa como cebador.
Posteriormente el ARN cebador es eliminado
gracias a la actividad exonucleásica de
algunas ADN-polimerasas.
Al descubrir el modo de acción de la ADN-polimerasa se encontró u obstáculo que impedía
explicar cómo se desarrollaba este proceso. Se observó que la ADN-polimerasa recorre las
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hebras molde en sentido 3’-5’ y va uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3’ hasta que
se forman las hebras replicadas.
Sin embargo, como las dos cadenas de ADN son antiparalelas, cuando se forma la horquilla
de replicación la ADN-polimerasa sólo puede sintetizar nucleótidos en uno de los dos
sentidos. La síntesis de la nueva hebra orientada en sentido 3’-5’ se realiza sin interrupciones.
A esta hebra se la denomina conductora o líder.
El mecanismo de síntesis de la hebra orientada en sentido 5’-3’ (hebra retardada) fue
descubierto en 1973 por Reiji Okazaki y Tsuneko Okazaki. Consiste en una síntesis
discontinua de pequeños fragmentos de ADN de unos mil nucleótidos (fragmentos de
Okazaki). Cada uno de los fragmentos requiere un cebador de ARN sintetizado por la primasa
cada cierto intervalo. La ADN-polimerasa va eliminando el cebador y sustituyéndolo por ADN.
Finalmente la ADN-ligasa suelda los fragmentos obtenidos. El proceso completo de
elongación, se puede resumir en los pasos recogidos en el esquema de la figura.
A modo de resumen:
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4.- Corrección de errores
Durante la replicación es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que
no tengan correctamente apareadas sus bases. La ADN-polimerasa actúa entonces como
exonucleasa y elimina los nucleótidos mal apareados.
En cualquier caso es importante tener en cuenta que aunque el mecanismo de corrección es
muy eficiente, a veces queda algún error sin corregir y que esos errores pueden ser muy
importantes en la evolución.
5.- La Replicación en Eucariotas
El mecanismo básico es semejante en todas las células pero existen ciertas diferencias entre
eucariotas y procariotas. Las células procariotas tienen un sólo cromosoma, constituido por
una molécula de ADN circular, donde hay un solo origen de replicación. Las eucariotas tienen
varios cromosomas cada uno de los cuales contiene una molécula de ADN muy larga y lineal.
En cada cromosoma eucariota se forman varias burbujas de replicación, las llamadas
unidades de replicación o replicones. Como cada burbuja avanza bidireccionalmente, llega
a juntarse con las adyacentes y, cuando las burbujas se fusionan, la molécula de ADN que
forma el cromosoma queda replicada en toda su longitud.
C. TRANSCRIPCIÓN
La Transcripción es el proceso mediante el cual se sintetizan los diferentes ARN
(transferentes, mensajeros y ribosómicos) a partir de la información contenida en el ADN,
actuando una de las 2 cadenas de molde. Interviene la enzima ARN polimerasa, que une
ribonucleótidos y la cadena crece en sentido 5’
3’. La cadena que actúa de molde es la
que va en sentido 3’
5’ por lo que la enzima debe reconocerla.
C.1. ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS
Tiene lugar en el citoplasma.
a) Iniciación. Unión de la ARN polimerasa al promotor (secuencia
de nucleótidos del ADN que actúa de señal de reconocimiento para la
enzima). A continuación, se desenrolla y se separan las dos cadenas
de ADN, formándose una burbuja.
b) Elongación. Crecimiento de la molécula de ARN en sentido
5’3. Frente a cada desoxirribonucleico la enzima coloca el
ribonucleico complementario, formándose un híbrido ADN/ARN.
c) Terminación. La ARN polimerasa reconoce la señal de
terminación que se encuentra en el ADN, y se separan enzima, ADN
y ARN.
C.2. ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS
Ocurre en el núcleo.
Recordemos que los genes en procariotas son continuos (todo el gen
se transcribe y traduce por lo que el ARNm no sufre modificaciones ) y
policistrónicos (cada gen con información para más de una proteína). En
eucariotas los genes son discontinuos, es decir, con exones (secuencias que se traducen a
proteínas) e intrones (secuencias que no se traducen), y monocistrónicos (cada gen con información
para una sola proteína).
INICIACIÓN
ELONGACIÓN
TERMINACIÓN
MADURACIÓN
(mGTP en 5’)
(poli A en 3’)
(separación de intrones)
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a) Iniciación. Igual que en procariotas.
b) Elongación. Igual que en procariotas, transcribiéndose los exones e intrones, y en el
extremo 5´ del ARNm se le añade una caperuza o casquete (metilguanosina trifosfato:
mGTP) que actúa de protección del ataque de nucleasas (enzimas que rompen
cadenas de nucleótidos) cuando el ARN sale del núcleo para dirigirse a los ribosomas
del citoplasma.
c) Terminación. Separado el ARNm del ADN, una enzima añade al extremo 3´ una cola
poli A (unos 200 nucleótidos de adenina) que le da estabilidad al ARN.
d) Maduración. En la cual los intrones son eliminados mediante un proceso de corte y
empalme que junta los exones. Ocurre en el ARNm, ARNr y ARNt.
DIFERENCIAS ENTRE LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
1. En procariotas la transcripción ocurre en el
citoplasma y en eucariotas en el núcleo, por lo que el
ARN tendrá que atravesar la membrana nuclear para
llegar a los ribosomas.
2. Los procariotas con una ARN polimerasa y los
eucariotas con tres:
 ARN
polimerasa I, que transcribe la mayoría del ARN
ribosómico (nucleolo)
 ARN polimerasa II, que transcribe el ARNm
 ARN polimerasa III, que transcribe el ARNt y un ARNr
específico
3.
En eucariotas se le añade una caperuza al extremo
5’ del ARN mensajero y una cola poliA al extremo 3’,
cosa que no ocurre en procariotas.
4.
En eucariotas hay una cuarta etapa de maduración,
ya que el ADN se transcribe en forma de un ARN
primario que, tras la maduración, pasará a ARN
maduro.
D. TRADUCCIÓN
La traducción es el proceso de síntesis de proteínas, que tiene lugar en el citoplasma y es
llevado a cabo por los ribosomas. Consiste en la unión de aminoácidos en un orden
determinado, consecuencia del orden de tripletes o codones del ARN mensajero y éste, a su
vez, es consecuencia del orden de tripletes del ADN.
Para la síntesis de proteínas se necesita:
1. ARN mensajero, que porta la información en forma de codones.
2. ARN transferentes, que se unen a los aa y reconocen los codones del ARNm.
3. ARN ribosómico, que forma parte de la estructura de los ribosomas.
4. Los ribosomas, que van leyendo la información del ARNm y sintetizando la proteína. Lo
que ocurre en realidad es que varios ribosomas se unen a un mismo ARNm, formando
un polirribosoma o polisoma, obteniéndose de esta forma varias moléculas de proteínas
iguales.
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Los aminoácidos y los codones del ARNm no se reconocen entre sí, de modo que se
necesitan unas moléculas, los ARN transferentes, cuya función es unirse a los aa e
incorporarlos a la cadena polipeptídica en los
ribosomas. Para ello tiene que reconocer la
cadena del ARNm y los aa específicos, necesitándose al menos 20 ARNt diferentes ya que
son 20 los aa que forman las proteínas. Recuerda que la estructura de los ARNt es la
siguiente:

cuando está parcialmente desplegada presenta una estructura “hoja de trébol” con brazos
y bucles
 extremo 3` con la secuencia C-C-A, por donde se une al aa específico
 en el bucle anticodón presenta un triplete de bases, anticodón, complementario al
codón, y es por donde se une al ARNm

cuando está totalmente plegada presenta una forma de L invertida
Los ribosomas presentan una subunidad mayor de 50s y una menor de 30s. Además,
presentan dos centros de unión: el centro P o peptidil (al cual se une el primer aa) y el centro A o
aminoacilo (al cual se unen el resto de aa).
LA TRADUCCIÓN TIENE LUGAR EN 5 ETAPAS:
ACTIVACIÓN aa  INICIACIÓN  ELONGACIÓN  TERMINACIÓN  PLEGAMIENTO Y TRANSFORMACIÓN
a) Activación de los aminoácidos. Consiste en la unión de cada aminoácido a su ARNt,
formándose los aminoacil-ARN transferentes, que se dirigirán a los ribosomas, donde
comienza la segunda etapa. El proceso está catalizado por la aminoacil-ARN-t-sintetasa y
requiere la presencia de Mg2+ y de ATP
Aminoacil ARNt sintetasa
Aa + ARNt + ATP
Aminoacil ARNt + AMP + PPi
b) Iniciación de la cadena polipeptídica. Los ribosomas unidos al ARNm van leyendo en
sentido 5’  3’. En eucariotas, el primer aminoacil ARNt1 que se incorpora al centro P es
el de la metionina (aa1) ya que lleva el anticodón UAC complementario al codón de
iniciación AUG (en procariotas es la formilmetionina).
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c) Elongación de la cadena polipeptídica. Diferenciamos tres etapas:

Incorporación del segundo aminoacil ARNt2 al centro A (aa2).

Formación del enlace peptídico, para lo cual el aa1 se une al grupo amino del aa2; en el
centro A hay un ARNt2 con un dipéptido y en el centro P el ARNt1 sin aa.

Traslocación ribosomal, proceso mediante el cual el ribosoma se desplaza por el ARNm
hasta el siguiente codón. Para ello, se libera el ARNt1 sin aa del centro P, el ribosoma
se desplaza, pasando el ARNt2 con el dipéptido al centro P y se incorpora el aminoacil
ARNt3 al centro A. El proceso continúa y el ribosoma se va desplazando a lo largo del
ARNm leyendo los codones y los aa se van uniendo formando una cadena peptídico.
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d) Terminación. Cuando el ribosoma lee uno de los tres codones de terminación (UAA;
UAG, UGA), finaliza la síntesis de proteínas. La cadena polipeptídica se separa del ARNt
quedando libre en el citoplasma, se libera el ARNt del ribosoma y las dos subunidades
del ribosoma se separan del ARNm.
Se obtiene una cadena polipeptídica cuyo orden de aa es consecuencia del
orden de tripletes del ARNm, y éste a su vez, es consecuencia del orden de
tripletes del ADN.
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e) Plegamiento y transformación. Las proteínas para ser biológicamente activas tienen
que adoptar una conformación característica (estructura secundaria, terciaria,
cuaternaria).
A modo de resumen cada parte implicada tiene las siguientes funciones:
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Síntesis de proteínas en Eucariotas
El proceso descrito es diferente en eucariotas y en procariotas:
a) Los organismos procariotas tienen ribosomas 70S.
b) En eucariotas, el primer aminoácido es la metionina, pero no está formilada, y se asocia
a la subunidad pequeña antes de que el ARN-m se una a ella.
c) En eucariotas, son necesarios tres factores de iniciación proteicos (IF-M1, IF-M2 e IFM3), y la hidrólisis de GTP. La elongación necesita dos factores, uno EF-1 equivalente al
factor EF-G.
d) En la terminación, el reconocimiento del codón de paro requiere igualmente de un factor
de terminación RF.
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1.2. ALTERACIONES DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
1.2.1. Concepto de mutación
Las mutaciones son alteraciones en el material genético (ADN) de un individuo. Sus
efectos pueden pasar desapercibidos externamente o provocar grandes cambios en el
funcionamiento del ser vivo. Como veremos posteriormente, las mutaciones son la base de la
variabilidad genética dentro de cada especie, de la evolución de las especies y de la aparición
de enfermedades hereditarias.
En un ser vivo pluricelular, las consecuencias de una mutación van a depender de si la
mutación afecta a células somáticas o a células sexuales:
 una mutación en una célula somática no se transmite a la descendencia pero puede
provocar alteraciones en el organismo, desapareciendo al morir el individuo
 Una mutación en células sexuales, óvulos y espermatozoides, pueden transmitirse a la
descendencia: pueden transmitirse como rasgos hereditarios a los descendientes del
organismo en los que tuvo lugar la mutación.
TIPOS DE MUTACIONES. Según la extensión del material genético afectado:
Mutaciones genómicas: son las producidas por la alteración en el número de cromosomas
del cariotipo de una especie. Suelen deberse a una separación anormal de los cromosomas
durante la meiosis. Es el caso de:
 EUPLOIDÍAS: Alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas. Pueden a
su vez clasificarse como:
a) Monoploidías, cuando un organismo que es diploide deja de serlo y aparece un
descendiente que es haploide (caso raro pero que se ha constatado en algunas especies vegetales).
b) Poliploidías, cuando un organismo que es diploide muestra mutantes triploides (3n),
tetraploides (4n) o poliploides. Frecuente en vegetales y ha jugado un papel importante en
la evolución de los mismos. Estas mutaciones se han aprovechado en agricultura ya que
los frutos y el tamaño de las plantas poliploides es mayor que el de las normales.
 ANEUPLOIDÍA, en la cual hay 1 o 2 cromosomas de más o de menos.
 Monosomía, en la cual falta un cromosoma de una pareja de homólogos. En la especie
humana es el caso del síndrome de Turner
 Trisomía, en la cual hay un cromosoma de más (debido a que no se separan los cromosomas
homólogos durante la meiosis, con lo cual permanecen unidos y se desplazan al mismo gameto por lo que
al unirse con el gameto del otro sexo dicho cromosoma estará por triplicado).
 A continuación se exponen las aneuploidías humanas más frecuentes.
SÍNDROME
TIPO DE MUTACIÓN
CARACTERÍSTICAS Y SÍNTOMAS
Síndrome de Down o
mongolismo
Trisomía 21
Retraso mental, crecimiento retardado, malformaciones
cardíacas, lengua grande
Síndrome de Edwars
Trisomía 18
Malformaciones cardíacas, prominencia occipital, orejas
de aspecto faunesco, muerte precoz…
Síndrome de Patau
Trisomía 13
Labio leporino, ausencia de bulbo olfatorio, hexadactilia
Síndrome de Klinefelter
44 autosomas + XXY
Síndrome del duplo Y
44 autosomas + XYY
Síndrome de Triple X
44 autosomas + XXX
Síndrome de Turner
44 autosomas + X
Varón con atrofia testicular, azoospermia, caracteres
secundarios feminoides...
Elevada estatura, personalidad infantil, bajo coef intelec,
tendencia a la agresividad y comportamiento antisocial
Infantilismo, escaso desarrollo de las mamas y los
genitales externos
Mujeres con genitales infantiles, esterilidad y baja
estatura
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Mutaciones cromosómicas: son cambios en la disposición de los genes en los
cromosomas. Es el caso de:
A) DELECIÓN: Consiste en la pérdida de un fragmento cromosómico y por lo tanto de los
genes contenidos en él. Ejemplo el denominado síndrome de “grito de gato”. El niño que lo
padece llora de manera extraña, similar a los
maullidos de un gato,
presentando
malformaciones múltiples y retraso mental,
asociado todo ello a una deleción parcial del
brazo corto del cromosoma 5. Si la pérdida
de genes se produce en un extremo del
cromosoma la deleción recibe el nombre de
deficiencia.
B) INVERSIÓN: mutaciones en las que
un fragmento del cromosoma cambia de
sentido dentro del propio cromosoma. La
inversión puede ser de dos tipos, una
denominada inversión paracéntrica cuando
afecta a un segmento del cromosoma que no
comprende el centrómero y pericéntrica
cuando afecta a un fragmento de cromosoma
que si comprende al centrómero.
C) TRANSLOCACIÓN: Mutaciones en
las que un segmento del cromosoma cambia
de
situación.
Pueden
ser
intracromosómicas o intercromosómicas
(transposiciones).
D) DUPLICACION: Mutaciones que
consisten en la repetición de un segmento
cromosómico.
Las translocaciones y las inversiones, al
no implicar variaciones en el número de
genes, no suelen afectar al portador.
Sin embargo, las deleciones y las
duplicaciones
si
pueden
tener
consecuencias graves, ya que implican
pérdida de genes o aumento de su número,
lo que afectará al adecuado equilibrio de la
expresión génica; además pueden dificultar
la meiosis ya que se entorpece el
emparejamiento
de
los
cromosomas
homólogos pudiendo por tanto trasmitirse
cromosomas defectuosos.
Mutaciones génicas: son aquellos cambios que afectan a la secuencia de nucleótidos de
un gen y en las cuales hay una sustitución, adición o pérdida de uno o varios nucleótidos.
Pueden ser de varios tipos, ya que pueden afectar a una o a varias bases nitrogenadas,
denominándose mutaciones puntuales o mutaciones de varias bases respectivamente.
A) Mutaciones por sustitución de una base por otra. Afectan a un solo nucleótido y, por
tanto, sólo se verá afectado un triplete por lo que, como el código genético es degenerado,
no suelen producirse alteraciones (mutaciones silenciosas). A veces se podrán formar proteínas
distintas de la original.
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a) Transiciones: Cuando se sustituye una base nitrogenada por otra del mismo tipo, es decir base
púrica por base púrica o base pirimidínica por base pirimidínica.
b) Transversiones: Cuando se sustituye una base nitrogenada por otra de distinto tipo, es decir,
base púrica por base pirimidínica o viceversa.
B) Mutaciones por corrimiento en la pauta de lectura. Cuando se producen se van a
originar proteínas diferentes, ya que se alteran todos los tripletes a partir del punto en el que
se ha producido la mutación.
a) Inserciones: Cuando se adiciona un nucleótido en la molécula de ADN.
b) Deleciones: Cuando se pierde un nucleótido en la molécula de ADN. Para diferenciarla de la
Deleción cromosómica también se le pude llamar microdeleción.
Estas mutaciones alteran la secuencia de nucleótidos del gen (aparece un nuevo alelo del gen), que
pueden o no modificar la secuencia de aa de una proteína:


si el nuevo codón codifica para otro aminoácido cambiará la secuencia de aa pudiendo alterar la
funcionalidad de la proteína
si el nuevo codón codifica para un mismo aa no se alterará ni la secuencia de aa ni la
funcionalidad de la proteína.
La mayoría de las veces este cambio es perjudicial, pero en contadas ocasiones puede
provocar que mejore un gen y se sintetice una proteína diferente, que tenga propiedades
distintas o participe en la formación de estructuras más eficaces. En estos casos raros, pero
esenciales para la evolución de la especies, los individuos portadores de la mutación poseen
ventajas adaptativas respecto a sus congéneres, por lo que el gen mutado es posible que con
el tiempo, y gracias a la selección natural, sustituya al gen original en la mayoría de los
individuos que componen la población.
Tipos de mutaciones génicas
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1.2.2. Causas de las mutaciones
Las mutaciones son procesos azarosos (no sabemos cuando y donde va a ocurrir una mutación) y
según las causas que las provoquen pueden ser:
1. Mutaciones espontáneas, que surgen de forma natural y se deben a errores
espontáneos en la replicación (errores de la ADN polimerasa) o en la meiosis, errores que
pueden deberse a tres tipos de procesos:
a) Tautomería de bases (cambios de formas cetónicas habituales a formas alcohólicas ), lo que
altera los enlaces de hidrógeno normales entre bases complementarias.
b) Adiciones o supresiones de nucleótidos.
c) Desaminaciones que originan un emparejamiento anormal en la hebra de replicación.
2. Mutaciones inducidas, provocadas por un agente externo a la célula llamado agente
mutágeno, que puede ser físico (como las radiaciones), químico o biológico (como los virus).
Las radiaciones mutagénicas pueden ser de dos tipos según sus efectos:
 Radiaciones no ionizantes. Son los rayos ultravioleta (UV), radiaciones
electromagnéticas que son absorbidas por el ADN, favoreciendo la formación de dímeros
de timina y por tanto de mutaciones génicas.
 Radiaciones ionizantes. Son radiaciones electromagnéticas como los rayos X, los rayos
γ (gamma) y las emisiones de partículas como las radiaciones α (alfa) y β (beta) propias
de explosiones nucleares. Pueden romper anillos de las bases nitrogenadas, e incluso
romper enlaces fosfodiéster con la consiguiente ruptura del ADN y de los cromosomas.
Las sustancias químicas mutágenicas son sustancias que reaccionan con el ADN y
provocan dos tipos de alteraciones:
 Modifican las bases nitrogenadas, como el ácido nitroso (HNO2) que las desamina (le
quita un grupo NH2 a la BN).
 Sustituyen una base por otra análoga. Es el caso de los análogos de bases, como el 5bromouracilo (análogo de la T que se coloca en lugar de la T) y la 2-aminopurina (análogo de la A que
se coloca en lugar de la A).
Las modificaciones y sustituciones de bases nitrogenadas implican emparejamientos con
bases distintas de las complementarias. Por ejemplo, el 5 bromouracilo se empareja con la
G y no con la A.
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1.2.3. Consecuencias de las mutaciones
1.2.3.1. Consecuencias evolutivas
La evolución biológica es el proceso de transformación de unas especies en otras mediante
una serie de variaciones que se han ido sucediendo, generación tras generación, a lo largo de
millones de años. Darwin propuso que el proceso evolutivo se basaba en:



El elevado número de descendientes
La variabilidad en la descendencia. En los organismos que se reproducen sexualmente
se observa que, pese a tener los mismos padres, todos los hermanos son diferentes
entre si (salvo los gemelos univitelinos).
La selección natural. Darwin lo explica diciendo que nacen más individuos que los que
pueden sobrevivir, se establece una lucha por la supervivencia de un individuo con
otros de su misma especie, con otros de distinta especie y con las condiciones físicas
del entorno. Si el ambiente es muy hostil, los individuos menos aptos mueren y sólo los
más aptos llegan a reproducirse, y por ello sólo éstos transmiten sus características a
la generación siguiente. La selección natural se puede definir como la supervivencia del
más apto.
Lo que no pudo explicar Darwin es qué procesos eran responsables de la variabilidad en la
descendencia. En los organismos que se reproducen asexualmente la variabilidad en la
descendencia se debe exclusivamente a las mutaciones, mientras que en los que se
reproducen sexualmente se debe a las mutaciones y, sobre todo, a la recombinación
genética y distribución al azar de los cromosomas en la meiosis.
Así pues, la aparición de una bacteria con un ADN diferente del de su progenitora sólo puede
originarse por mutación, mientras que en los organismos con reproducción sexual, como los
animales, el nacimiento de un individuo con un ADN distinto del de sus progenitores es obligado,
ya que en la ovogénesis y espermatogénesis se produce la recombinación genética mediante el
entrecruzamiento al azar de los cromosomas homólogos y también puede influir la mutación
pero cuantitativamente es poco importante.
Cualitativamente la mutación es más importante que la recombinación, ya que la mutación
puede dar lugar a nuevos genes (nuevos alelos para un mismo gen), mientras que la recombinación
genética simplemente origina agrupaciones distintas de genes. Por tanto, las mutaciones son
la base de la variabilidad genética dentro de cada especie, de la evolución de las especies y
de la aparición de enfermedades hereditarias.
1.2.3.2. Efectos perjudiciales
Las mutaciones nuevas suelen ser más perjudiciales que beneficiosas para los organismos,
porque las variantes que existen en una población han sido ya escogidas por la selección
natural (SN) y están presentes en ellas al mejorar la adaptación de sus portadores. En el caso
de las mutaciones perjudiciales, al constituir una traba para la supervivencia del individuo, han
sido eliminadas a lo largo del tiempo por SN.
Las mutaciones son procesos azarosos (no sabemos cuando y donde va a ocurrir una mutación) y
adireccionales, ya que ocurren sin saber si el efecto va a ser beneficioso o perjudicial. De
hecho, algunas veces el efecto de una mutación depende de las condiciones ambientales;
supongamos una mutación que aumente la densidad del pelo en la piel, lo cual será
beneficioso para animales que vivan en zonas polares (oso polar) pero no así para los que vivan
en otras zonas climáticas.
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