UNICORLicenciatura Ciencias Naturales Biología celular

Dogma Central de la Biología Molecular

El Dogma Central de la Biología Molecular explica el flujo o procesamiento de la información genética en la mayoría de los organismos conocidos. En el Dogma se distinguen tres etapas:

La duplicación o replicación , en la cual se copia el ADN progenitor en moléculas hijas idénticas al ADN progenitor.

La transcripción, que es el proceso mediante el cual se transcribe la información genética del ADN al ARNm, para ser llevado al lugar de síntesis de las proteínas; los ribosomas.

La traducción, es el proceso mediante el cual el mensaje cifrado en el idioma de los tripletes de bases (código genético) es descifrado por los ARNt, sintetizándose una proteína.

Estos tres procesos secuenciales constituyen el llamado dogma central de la Biología, que establece que la información fluye desde el ADN al ARN y de este a las proteínas. (Además, las proteínas controlan el proceso de replicación del ADN uniéndose a una secuencia específica en el ADN. De esta manera pueden activar o inhibir la transcripción de un gen determinado.)

EN LAS SIGUIENTES IMÁGENES SE RESUMEN ESTOS PROCESOS: Observe y analice.

Replicación o duplicación del ADN

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UNICORLicenciatura Ciencias Naturales Biología celularCuando una célula se va a dividir por mitosis debe duplicar su material genético de tal manera que las nuevas células tengan el mismo número de cromosomas que la célula progenitora. Esto ocurre en la fase S del ciclo celular.Por lo tanto es una característica especial de la molécula de ADN hacer replica de sí misma garantizando la transmisión genética entre generaciones.

La transmisión de información implica que el ADN es capaz de duplicarse de manera de obtener dos moléculas iguales a partir de la molécula inicial. El proceso de replicación de ADN es el mecanismo que permite al ADN duplicarse (es decir, sintetizar una copia idéntica).

De esta manera de una molécula de ADN única, se obtienen dos o más "clones" de la primera. Esta duplicación del material genético se produce de acuerdo con un mecanismo semiconservador, lo que indica que las dos cadenas complementarias del ADN original, al separarse, sirven de molde cada una para la síntesis de una nueva cadena complementaria de la cadena molde, de forma que cada nueva doble hélice contiene una de las cadenas del ADN original.

Gracias a la complementariedad entre las bases que forman la secuencia de cada una de las cadenas, el ADN tiene la importante propiedad de reproducirse idénticamente, lo que permite que la información genética se transmita de una célula madre a las células hijas y es la base de la herencia del material genético.

El proceso de replica lo podemos resumir de la siguiente manera:

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La replicación empieza en puntos determinados: los orígenes de replicación. Las proteínas iniciadoras reconocen secuencias de nucleótidos específicas en esos puntos y facilitan la fijación de otras proteínas que permitirán la separación de las dos hebras de ADN formándose una horquilla de replicación. Un gran número de enzimas y proteínas intervienen en el mecanismo molecular de la replicación, formando el llamado complejo de replicación. Estas proteínas y enzimas son homólogas en eucariotas y arqueas, pero difieren en bacterias.

1. La molécula de ADN, es desenrollada por la proteína topoisomerasa

2. La molécula de ADN se abre como una cremallera

por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias con la ayuda de la enzima (proteína) llamada helicasa, quedando las dos hebras o cadenas de nucleótidos separadas. Las proteínas de unión a la cadena simple impiden que se vuelvan a unir las dos cadenas y formar los puentes de hidrogeno.

3. La ADN polimerasa empieza a añadir nucleótidos que están dispersos en el núcleo. Estos nucleótidos son añadidos sobre la hebra vieja que va en dirección 3 5.

De esta forma, cada nueva molécula es idéntica a la molécula de ADN inicial.

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UNICORLicenciatura Ciencias Naturales Biología celularEn las células eucariotas, el ADN es grande y lineal, en cambio en las procariotas es circular.

Como vemos en la imagen las dos cadenas de ADN inicialmente están juntas unidas por puentes de hidrógeno.

Luego en ella se organizan varios orígenes de replicación que se mueven en ambas direcciones por lo tanto es bidireccional. El avance es más lento que en procariotas ya que hay más proteínas asociadas al ADN que hay que soltar.

La replicación del ADN, requiere de nucleótidos libres, enzimas y una gran cantidad de energía en forma de ATP (recuerde que luego de la fase S del ciclo celular, las células pasan a una fase G a fin de, entre otras cosas, recuperar energía para la siguiente fase de la división celular).

La replicación del ADN en el ser humano se realiza a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo. Los nucleótidos tienen que ser armados y estar disponibles en el núcleo conjuntamente con la energía para unirlos. Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como "burbuja de replicación" en ella se encuentran las "horquillas de replicación".

Por acción de la ADN polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). Los procariotas abren una sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia de las "burbujas".

Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede

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UNICORLicenciatura Ciencias Naturales Biología celularsolo en la dirección 5' a 3' en ambas cadenas, numerosos experimentos han mostrado que, una cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se formarán una serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki . La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena guía o conductora, delantera ó adelantada y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada ó rezagada.

Los fragmentos cortos, recién sintetizados de hebras de ADN se denominan fragmentos Okazaki. Todas las ADN polimerasas conocidas, pueden sólo sintetizar ADN en la dirección 5' a 3'. Sin embargo, cuando las hebras se separan, la horquilla de replicación se desplaza a lo largo de una hebra molde en la posición 3' a 5' y 5' a 3' en el otro lado del molde. En la primera, la cadena adelantada de ADN es sintetizada continuamente en la dirección 5' a 3'. En la otra, llamada la cadena atrasada, la síntesis de ADN sólo ocurre cuando una sección de una hebra simple de ADN ha sido expuesta y procede en la dirección opuesta a la dirección de la horquilla de replicación (5' a 3'). Es por esto discontinua y la serie de fragmentos Okazaki son unidos de manera covalente por las ligasas formando una hebra continua. Se denominan fragmentos Okazaki porque fue éste investigador quien primeramente los observó y estudió usando timidina radioactiva.

En los eucariotas, los fragmentos Okazaki están formados por unos cuantos cientos de nucleótidos, mientras que en los procariotas estos fragmentos pueden alcanzar algunos miles.Para que la ADN polimerasa trabaje, se necesaria la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de ARN conocidas como cebadores, a posteriori, cuando la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de ARN, colocan nucleótidos de ADN en su lugar y una ADN ligasa que los une a la cadena en crecimiento.

Luego del descubrimiento de la estructura del ADN, en 1957, dos biólogos moleculares americanos, Matthew Stanley Meselson y Frank Stahl demostraron que este se replica de una manera semiconservativa, es decir que la nueva cadena se sintetiza utilizando una de las hebras preexistentes como molde. Las moléculas de ADN “hijas” están formadas por una

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UNICORLicenciatura Ciencias Naturales Biología celularcadena nueva y una original que sirve como molde. Con nitrógeno 15 (un isótopo radiactivo), ya que el nitrógeno es necesario para la síntesis de las bases que componen el ADN, y usando sucesivas generaciones de bacterias Escherichia coli, estos científicos mostraron que cuando el ADN se duplica, cada una de sus cadenas pasa a las células hijas sin cambiar y actúan de molde o patrón para formar una segunda hebra y completar así las dos doble cadenas.Para que esto ocurra, la célula debe “abrir” la doble cadena de ADN en una secuencia específica denominada origen de replicación (en bacterias) o secuencia de replicación autónoma (en eucariotas) y copiar cada cadena.

En la replicación participan varias enzimas. Las ADN polimerasas sintetizan una nueva cadena de ADN. Para esto utilizan como molde una de las hebras y un segmento corto de ADN, al que se le agregan los nuevos nucleótidos. Este segmento funciona como cebador (primer, en inglés). La ADN polimerasa agrega nucleótidos al extremo 3’ de la cadena en crecimiento. La ADN polimerasa copia la cadena molde con alta fidelidad. Sin embargo, introduce en promedio un error cada 107 nucleótidos incorporados. Tiene, además, la capacidad de corregir sus propios errores, ya que puede degradar ADN que acaba de sintetizar. Otras enzimas que participan en este proceso son: la ADN primasa (que sintetiza el primer de ARN), la ADN ligasa (que une extremos 5’ con 3’ que hayan quedado luego de la síntesis), la ADN helicasa y las ADN topoisomerasas ADN (que evitan que el ADN se “enrede” en el proceso), las roteínas de unión al ADN (facilitan la apertura de la doble hebra).

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UNICORLicenciatura Ciencias Naturales Biología celularEn las células procariotas

Las células procariotas tienen un cromosoma bicatenario circular, en el cual hay 1 lugar de origen de replicación, en el que se muestra en la horquilla de replicación y que señala el avance o dirección de la copia. La horquilla indica que se está haciendo la separación y la replicación a la vez. El avance es bidireccional, es decir la hebra molde se abre desde el origen de replicación hacia la izquierda y la derecha lo que acorta el tiempo de replicación. En el sitio en que empieza la replicación se organizan las proteínas enzimáticas que participan en este proceso. En la replicación del ADN en procariotas los nucleótidos nuevos se unen a la hebra molde a una velocidad de 500 nucleótidos por segundo.

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