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TEMA N.º 25 LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN

ESPECIALIDAD: BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA

aporlaopo.es Preparación curso 20/21 – Tema n.º: 25

[aporlaopo.es] – Temario para la especialidad de Biología y Geología Todos los derechos reservados. Prohibida su reproducción total o parcial. 1

Contenido 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................................... 2

2. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS ............................................................................................................................................ 2

2.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA ................................................................................................................................. 2

2.2. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) ............................................................................................................ 3

2.3. ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN) ........................................................................................................................... 4

3. REPLICACIÓN DEL ARN .............................................................................................................................................. 4

3.1. REPLICACIÓN EN PROCARIOTAS ...................................................................................................................... 5

3.2. REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS ........................................................................................................................ 5

3.3. REPLICACIÓN IN VITRO .................................................................................................................................... 6

4. TRANSCRIPCIÓN ........................................................................................................................................................ 6

4.1. TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS ................................................................................................................. 6

4.2. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS ................................................................................................................... 6

4.3. LA RETROTRANSCRIPCIÓN ............................................................................................................................... 7

5. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA .................................................................................................................. 7

5.1. REGULACIÓN EN PROCARIOTAS ...................................................................................................................... 7

5.2. REGULACIÓN EN EUCARIOTAS ........................................................................................................................ 8

6. CONCLUSIÓN Y RELACIÓN CON EL CURRÍCULUM ..................................................................................................... 8

7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................................ 8



1. INTRODUCCIÓN

Los ácidos nucleicos constituyen una de las cuatro familias de macromoléculas. Se puede decir que no son importantes desde el punto de vista cualitativo, ya que representan una mínima parte de la masa de un organismo, pero sin embargo su importancia cualitativa es enorme: son las moléculas encargadas de almacenar y transmitir la información genética de los organismos.

Así pues, el ADN constituye el material hereditario por excelencia de los organismos; es la molécula que posee la descripción completa de un organismo y que se transmitirá a las siguientes generaciones. En este sentido cabe mencionar que el ARN también es, en ocasiones, la molécula portadora de la información genética (ocurre en el caso de algunos virus), además de ser la molécula intermediaria de la síntesis proteica.

Los ácidos nucleicos son conocidos por la comunidad científica desde finales del siglo XIX, aunque inicialmente se creía que correspondía a las proteínas la responsabilidad de portar la información hereditaria. Los primeros indicios del rol que desempeña el ADN datan de principios del siglo XX gracias a experimentos como los de Griffith o los de Avery y colaboradores; pero a pesar de estos hallazgos, la comunidad científica continuaba mostrando escepticismo al respecto, ya que la codificación genética con solamente 4 nucleótidos parecía menos probable que con 20 aminoácidos diferentes. Fue en la década de los años 50 del pasado siglo cuando Hershey y Chase confirmaron finalmente el papel de los ácidos nucleicos mediante sus experimentos con el fago T2, en los cuales emplearon este virus de ADN (con los ácidos nucleicos marcados con P32 y las proteínas con S35) para infectar a bacterias E. coli; observándose finalmente la presencia de P32 en el interior de la bacteria (material genético, ácidos nucleicos), y de S35 en el exterior (cápside proteica).

2. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

2.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA

Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de nucleótidos, que a su vez están formados por tres componentes.

Tabla con datos: componentes de los ácidos nucleicos. Componente Parte de la molécula

Ácido fosfórico Parte constante

Pentosa

Base nitrogenada

Parte variable

Pentosa: monosacárido, que puede ser ribosa (-D- ribofuranosa) en el ARN, o desoxirribosa (-D- desoxiribofuranosa) en el ADN.

Base nitrogenada: son compuestos heterocíclicos de carácter básico que presentan nitrógeno en su estructura.

- Bases púricas: derivadas de la purina (fusión de un anillo pirimidínico con otro de imidazol), son: adenina y guanina, ambas presentes en ADN y ARN.

- Bases pirimidínicas: derivadas de la pirimidina, son: timina (exclusiva del ADN), uracilo (exclusiva del ARN) y citosina. (presente en ADN y ARN).

Ácido fosfórico: correctamente denominado ácido ortofosfórico. En su forma de ion fosfato se encarga de unir los nucleósidos unos con otros para formar cadenas polinucleotídicas1.

1 Pentosa+ base nitrogenada= nucleósido; nucleósido+ fosfato= nucleótido.

Las uniones entre los componentes se producen de la siguiente forma:



- Entre la pentosa y el fosfato: se une el grupo -OH del fosfato con el C3 de una pentosa y otro C5 de la anterior. Enlace fosfodiéster.

- Entre la pentosa y la base: se une el C1 de la pentosa con el N1 (si es pirimidínica) o N9 (si es púrica) de la base. Enlace N- glucosídico.

2.2. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN)

Es un polímero de elevado peso molecular, compuesto por desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, timina y

citosina; unidos entre sí mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5’3’. Puede ser monocatenario (solamente en virus), bicatenario, circular o lineal. En cualquier caso, en los organismos con genoma de ADN, es la molécula depositaria de la información genética y la encargada de transmitirla de una generación a la siguiente, gracias a la replicación.

En las células eucariotas el ADN se encuentra mayoritariamente en el núcleo (asociado a proteínas histonas y no histónicas), y en menor cantidad en mitocondrias y cloroplastos (sin proteínas y más similar al de procariotas). En los organismos procariotas se encuentra en el citosol, y en los virus de ADN, en el interior de la cápside.

En cuanto a su estructura, se consideran varios niveles:

- Estructura primaria: es la secuencia de una sola cadena de polinucleótidos.

- Estructura secundaria: se refiere a la disposición en el espacio de dos cadenas de polinucleótidos complementarias y antiparalelas, que se pliegan formando una doble hélice. Cabe destacar en este punto las aportaciones de los trabajos de Chargaff, Wilkins, Rosalind Franklin, Watson y Crick, que contribuyeron a conocer las características de esta molécula. En ella:

o Las dos cadenas están unidas por puentes de hidrógeno entre las bases, respetando la

complementariedad de las mismas (A=T; CG), es por esto que siempre hay la misma cantidad de adenina que de timina, e igual cantidad de citosina que de guanina.

o Las cadenas son antiparalelas, de modo que una posee sentido 5’3’ y la otra 3’5’.

o Los planos de los anillos de las bases nitrogenadas son perpendiculares al eje de la doble hélice.

o El enrollamiento de la hélice es dextrógiro. Cada vuelta mide 3,4nm y contiene aproximadamente 10 pares de bases.

o La doble hélice es muy estable, pero se desnaturaliza a temperaturas superiores a 100 °C.

Esta estructura, que fue descrita por Watson y Crick en su publicación en la revista Nature (25 de abril de 1953), se conoce como ADN-B. Existen otras estructuras secundarias como el ADN-A (dextrógiro, pero más



ancho y achatado, 11pb/vuelta), ADN-Z (levógiro, 12pb/vuelta), estructuras cruciformes, ADN-H (triples hélices), y demás.

- Estructura terciaria y estructuras de orden superior: se refiere al compactamiento del ADN. Este compactamiento reduce el tamaño y facilita la duplicación. Se consigue gracias a la asociación a proteínas. En eucariotas el ADN se asocia a histonas y otras proteínas no histónicas (como las protaminas de los espermatozoides) para formar la fibra de cromatina. Esta, a su vez, se empaqueta formando estructuras de orden superior. El máximo grado de empaquetamiento lo representa el ADN cromosómico metafásico.

2.3. ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN)

Es un polímero de ribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y uracilo, unidos entre sí mediante enlaces

fosfodiéster en sentido 5’3’. Es monocatenario en la mayoría de los casos (excepto en reovirus, que es bicatenario), y puede ser circular o lineal.

Existen teorías que apuntan a que las primeras moléculas portadoras de información genética fueron las ribozimas (moléculas de ARN con capacidad catalítica). Actualmente el ARN es una molécula intermediaria, aunque en algunos virus puede actuar como portadora de la información genética.

Existen varios tipos de ARN:

- ARN mensajero: monocatenario lineal. Su función es transferir la información genética del ADN desde el núcleo al citoplasma. Contiene una sucesión de tripletes de bases o codones que determinan la secuencia de aminoácidos que formarán la cadena polipeptídica. Su precursor en eucariotas es el ARN heterogéneo nuclear, ya que solamente podemos hablar de mensajero tras el proceso de maduración.

- ARN transferente: se encuentra en el citoplasma y su función es transportar aminoácidos concretos hasta los ribosomas durante la síntesis proteica. Presenta una estructura en forma de hoja de trébol, en la que se distinguen varios brazos:

o Brazo aceptor de aminoácidos: en el extremo 3’ se encuentra el triplete CCA, que porta el aminoácido.

o Brazo anticodón: complementario al codón del mensajero.

o Brazo D.

o Brazo T.

- ARN ribosómico: forma parte de los ribosomas.

- ARN nucleolar: se encuentra en el nucléolo. Se forma a partir de segmentos de ADN que constituyen el organizador nucleolar y es el precursor de la mayoría de ARN.

- ARN con funciones reguladoras: algunos tipos de ARN intervienen en la regulación de la expresión génica (ARNmi, ARNsi, ARNpiwi).

3. REPLICACIÓN DEL ARN

Una característica indispensable de cualquier sustancia que actúe como material genético es la capacidad para fabricar copias de sí misma para repartirlas entre la descendencia.

La replicación del ADN es semiconservativa, es decir, cada una de las cadenas de ADN sirve de molde para fabricar una nueva cadena complementaria. El resultado es la formación de dos moléculas de ADN hijas iguales entre sí, cada una de ellas compuesta por una cadena original y otra de nueva síntesis. Los investigadores responsables de este hallazgo fueron Messelson y Stahl: cultivaron E. coli en un medio con N15, consiguiendo que todo su material genético tuviese ese isótopo pesado formando parte de la estructura de las bases, en lugar del N14 habitualmente presente. Después de esto, pasaron las bacterias a un medio con N14 y dejaron tiempo para una replicación, tras la cual extrajeron ADN y centrifugaron, obteniendo una banda con posición intermedia a la que ocuparían el N14 y el N15, correspondiente al ADN híbrido, quedando así descartada la hipótesis conservativa. Si se dejaba tiempo para dos replicaciones, se observaban dos bandas: una correspondiente al ADN híbrido, y otra al ligero, quedando así descartada la hipótesis dispersiva, y aceptada la semiconservativa.



El proceso de replicación del ADN es diferente en eucariotas y procariotas. Se explicará primero el proceso en procariotas y después se comentarán las diferencias que existen en eucariotas.

3.1. REPLICACIÓN EN PROCARIOTAS

La replicación en procariotas se puede resumir del siguiente modo:

El ADN tiene unas secuencias de nucleótidos que determinan el origen de replicación, actuando como señales de inicio. El proceso comienza con la actuación de las helicasas, enzimas que hidrolizan los puentes de hidrógeno que unen ambas cadenas. Tras estas, actúan las topoisomerasas, para eliminar las tensiones generadas como consecuencia de la apertura; y las proteínas SSB para mantener separadas ambas cadenas.

El proceso es bidireccional: a ambos lados de la burbuja de replicación se van separando las cadenas, formándose así dos horquillas de replicación que avanzan en sentidos opuestos desde el punto inicial. En cada una de ellas se separan todas las enzimas participantes, formando complejos multienzimáticos.

Conforme las hebras se van separando, actúan las primasas, que sintetizan un pequeño fragmento de ARN (10 nucleótidos aproximadamente) denominado cebador o primer, que sirve como punto de partida para que la ADN

polimerasa III pueda continuar añadiendo nucleótidos a la nueva cadena en sentido 5’3’. Dado que las cadenas de

ADN son antiparalelas y la ADN polimerasa solamente sintetiza en sentido 5’3’, en cada horquilla de replicación habrá una cadena que se sintetiza de manera continua (la replicación avanza en el sentido de la apertura) y otra que se sintetizará de manera discontinua (la replicación avanza en el sentido opuesto al de apertura), añadiéndose nuevos primers conforme avanza la apertura de la burbuja, y generándose en este último caso fragmentos de Okazaki, denominados así en honor a su descubridor. La porción de cadena que se sintetizó de manera continua se denomina porción conductora, y la que lo hizo de forma discontinua se conoce como porción retardada. Cada cadena de nueva síntesis tendrá una porción conductora y otra retardada.

Posteriormente, la ADN polimerasa I hidroliza los nucleótidos de ARN de los primers y rellena los huecos con los desoxirribonucleótidos correspondientes; a continuación, la enzima ligasa une los fragmentos resultantes. El proceso termina cuando se duplica totalmente el ADN.

3.2. REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS

En el proceso de replicación en eucariotas, cabe destacar las siguientes diferencias respecto al de procariotas:

- La presencia de histonas asociadas al ADN supone una dificultad añadida al avance de la horquilla de replicación, ya que es necesario desmontar los octámeros de histonas durante el proceso. Estos, al parecer, van a quedarse en la porción conductora, siendo incorporadas histonas de nueva síntesis a la porción retardada.

- El genoma eucariota es mayor que el procariota, por lo que se van a formar varias burbujas de replicación a un mismo tiempo, que se activan de forma coordinada, y se denominan replicones.

- El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en eucariotas, y las polimerasas son más complejas, teniendo en este caso capacidad correctora: al añadir un nucleótido erróneo pueden hidrolizarlo y colocar el apropiado inmediatamente. Este hecho aumenta la viabilidad de las células hijas, al mismo tiempo que reduce la variabilidad genética originada por mutación.

- Los cromosomas son lineales, y en sus extremos poseen telómeros que los protegen frente a la degradación. Existe una enzima, la telomerasa (con estructura y función análoga a las retrotranscriptasas virales), que se encarga de solucionar el problema de la replicación telomérica; pero la expresión de la enzima en mamíferos se encuentra restringida a ciertas etapas tempranas del desarrollo embrionario y, en adultos, a las células madre y a linajes altamente proliferativos (linfocitos, queratinocitos y células germinales). Esta propiedad hace que la mayor parte de las células tengan una vida limitada. La longitud telomérica es una de las principales barreras contra la proliferación incontrolada y, de hecho, el 90% de los procesos tumorales cursan en algún momento con una reactivación anómala de la actividad telomerasa. Estos datos ponen de manifiesto la estrecha dependencia de la adquisición de un potencial replicativo ilimitado y la capacidad tumorgénica de las células. En cuanto a la investigación en este campo, cabe destacar la importante labor llevada a cabo por el grupo de investigación liderado por la española María Blasco.



3.3. REPLICACIÓN IN VITRO

Resulta interesante destacar que la propiedad de las ADN polimerasas para replicar cadenas de ADN se emplea para la realización en cadena de la polimerasa (PCR), que permite la obtención in vitro de un gran número de copias de un fragmento de ADN, amplificándolo de este modo para su posterior análisis. Actualmente se utilizan polimerasas termoestables como la TaqDNApolimerasa, debido a que es necesario aplicar altas temperaturas para la desnaturalización del ADN durante el proceso.

La técnica de la PCR, que fue descrita por el bioquímico estadounidense Kary Mullis en 1983 (Nobel de Química una década después), presenta actualmente múltiples variantes aplicables en diversos campos (industria alimentaria, genética forense, medicina…). Un ejemplo actual de la aplicación de esta técnica con fines médicos se encuentra en su utilización para el diagnóstico de la enfermedad Covid-19, ocasionada por el virus SARS-Cov-2; en este caso la variante empleada se conoce como RT-PCR, puesto que antes de la amplificación se necesita un paso previo que consiste en la reversotranscripción del genoma del virus (de ARN a ADN).

4. TRANSCRIPCIÓN

Es el proceso de síntesis de ARN a partir de la información contenida en la molécula de ADN. El proceso es diferente en eucariotas y procariotas:

4.1. TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS

El proceso consta de tres fases:

- Iniciación.

- Elongación.

- Terminación.

La iniciación comienza cuando la ARN polimerasa se une al ADN en una región llamada promotor, situada justo antes del gen que se va a transcribir (sentido upstream). Para esta unión se requiere la unión del factor sigma. En casi todos los promotores procariotas se encuentran presentes dos secuencias consenso hexaméricas, separadas 25 nucleótidos entre sí (secuencia -35: TTGACA y secuencia -10: TATAAT).

Seguidamente, la ARN polimerasa cambia su conformación y desenvuelve una vuelta de la hélice para comenzar la

transcripción, leyendo la cadena molde de ADN en sentido 3’ 5’ y sintetizando la nueva cadena de ARN en sentido

5’ 3’. Una vez iniciada la transcripción, se libera el factor sigma.

En la elongación la transcripción continúa a una velocidad de 40 nucleótidos por segundo.

La terminación ocurre cuando la ARN polimerasa alcanza en el ADN una secuencia rica en guanina y citosina que

sirve como señal de terminación. Al llegar a ese punto, la polimerasa se separa del ARN. Algunos genes no tienen

secuencias terminales, y en ese caso la terminación se produce cuando la proteína rho se une al ARN transcrito y

favorece su separación.

Cabe destacar que si el ARN que se fabrica es un mensajero, este no sufrirá ninguna modificación; sin embargo el

resto de ARN sí sufre procesos de corte y empalme.

4.2. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS

El proceso en eucariotas es más complejo que en procariotas. A continuación se indican las principales diferencias:

- En eucariotas existen tres ARN polimerasas distintas:

o ARN polimerasa I: sintetiza ARN ribosómicos (todos menos 5S).

o ARN polimerasa II: sintetiza ARN mensajeros.

o ARN polimerasa III: sintetiza ARN transferentes y ARN ribosómico 5S.



- En la iniciación en eucariotas, la región promotora consta de dos partes fundamentales: el promotor mínimo y el promotor regulador. En el primero, suele encontrarse la secuencia consenso conocida como caja TATA, y en el segundo la secuencia consenso CAAT. También existen en el ADN unas secuencias potenciadoras a las que se unen los factores de transcripción encargados de desenrollar el ADN y facilitar el acoplamiento de la ARN polimerasa, enzima encargada de la síntesis de la cadena de ARN. La maquinaria transcripcional reconoce estas secuencias y se inicia el proceso.

- La elongación es semejante a la de procariotas.

- La terminación viene dada por el reconocimiento de la secuencia de finalización TTATTT por parte de la ARN polimerasa.

- El proceso en eucariotas comprende una fase adicional de maduración, que implica varios procesos:

o Incorporación de la caperuza de 7-metilguanosina en el extremo 5’ del mensajero (se produce durante la elongación, pero el proceso en sí se considera parte de la maduración). Protege al mensajero maduro del ataque de las nucleasas.

o Incorporación de la cola poliA en el extremo 3’ del mensajero (200 adeninas aproximadamente). Su función es protectora.

o Corte de intrones y empalme de exones.

4.3. LA RETROTRANSCRIPCIÓN

Los retrovirus, grupo al que pertenece el virus del SIDA, poseen un genoma formado por una cadena de ARN sencilla. Cuando se encuentran en etapa de virus infectante, poseen una cápside que protege el ARN y la enzima retrotranscriptasa, reversotranscriptasa o transcriptasa inversa. Cuando el retrovirus penetra en el interior de la célula, la retrotranscriptasa emplea el ARN vírico como molde para sintetizar una cadena de ADN complementaria que será integrada en el genoma nuclear (provirus).

5. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

Las células no están sintetizando constantemente todas las proteínas codificadas por su ADN: esta síntesis depende del momento del ciclo celular y de las condiciones ambientales (necesidades).

Existen mecanismos para que la célula exprese unos genes en concreto, que son distintos en procariotas y eucariotas.

5.1. REGULACIÓN EN PROCARIOTAS

Destaca el mecanismo del operón. Un operón es un conjunto de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador), y por genes reguladores. Los elementos principales son:

- Promotor (P): es una región del ADN situada inmediatamente antes de los genes estructurales, que es reconocida por la ADN polimerasa para comenzar la transcripción.

- Operador (O): es una región situada entre los genes estructurales y el promotor. Esta región es reconocida por la proteína reguladora.

- Gen regulador (i): codifica para la proteína reguladora, que reconoce la región operador.

- Proteína reguladora: producto de expresión del gen i.

- Inductor: sustrato cuya presencia induce la expresión de genes.

Un ejemplo concreto de esto lo encontramos en el operón lactosa, que regula la transcripción de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares: en ausencia de lactosa (inductor), la proteína represora producto del gen i se encuentra unida al operador impidiendo la unión de la ARN polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, la transcripción de genes estructurales. En presencia de lactosa, se desbloquea esta unión y se permite la transcripción de los genes estructurales.



5.2. REGULACIÓN EN EUCARIOTAS

Para la activación de la transcripción primero se lleva a cabo la descondensación de la cromatina y luego se produce la activación le la maquinaria transcripcional. La represión de la transcripción se puede llevar a cabo de diversas maneras, pero básicamente pasa por:

- Evitar la descondensación de la cromatina, impidiendo la accesibilidad al promotor.

- Unión de factores reguladores a regiones silenciadoras.

- Control hormonal.

6. CONCLUSIÓN Y RELACIÓN CON EL CURRÍCULUM

El conocimiento del papel de los ácidos nucleicos, de su estructura y su funcionamiento supuso un gran hallazgo para la biología y abre múltiples posibilidades a la medicina, a la vez que genera incógnitas respecto al acceso de estos datos y los límites de su manipulación. Su relevancia es innegable, pero dada la complejidad y el nivel de abstracción necesarios para la comprensión de los procesos subyacentes a estas moléculas, su presencia en el currículum se restringe al 4º curso de la ESO (Biología y Geología) y a 1º (Cultura científica) y 2º curso de Bachillerato (Biología).

7. BIBLIOGRAFÍA

▪ Nelson, D. L. y Cox, M. M. (2014). Lehninger. Principios de bioquímica. Omega.

▪ Alberts, B. et al (2014). Molecular biology of the cell. Garland Science.

▪ Alcamí, J. et al (2015). Biología 2º Bachillerato. SM.

tema n.º 25fue en la década de los años 50 del pasado siglo cuando hershey y chase confirmaron...

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