Transmisión de la Información Genética PDF

Transmisión de la información genética Dr. Pedro Araúz Introducción Una de las características de la célula, como unidad fundamental de los seres vivos, es su capacidad de reproducirse, generar nuevas células semejantes a ella. La morfología y fisiología de la célula depende de la información gené...

Transmisión de la información genética Dr. Pedro Araúz Introducción Una de las características de la célula, como unidad fundamental de los seres vivos, es su capacidad de reproducirse, generar nuevas células semejantes a ella. La morfología y fisiología de la célula depende de la información genética que contiene su ADN. Por ello, es fundamental que la transmisión de esta información genética sea correcta entre una célula y sus células hijas. Para que esta transmisión sea correcta, primero debe realizarse una copia fiel de la información genética o replicación del ADN para luego repartirse correctamente durante la división celular entre las dos células hijas 3.1 Replicación del AND Conocemos como replicación del ADN al proceso por el cual una molécula de ADN se duplica. La replicación del ADN se enfrenta a dos necesidades: la fidelidad de copia y la rapidez. Para ello, la célula despliega una compleja maquinaria enzimática de alta precisión. Tal como demostraron los experimentos de Meselson y Stahl (1958), la replicación del ADN es semiconservativa. Cada una de las dos cadenas de ADN sirve como molde para sintetizar su cadena complementaria. De este modo, se obtienen dos moléculas de ADN, cada una de las cuales estará formada por una cadena original y otra sintetizada de nuevo Para que el ADN pueda duplicarse, debe desenrollarse y separar sus dos cadenas complementarias como si fuera una cremallera que se abre. A medida que las dos cadenas se separan, las bases nucleotídicas de cada cadena quedan accesibles y sirven de molde a los nucleótidos que se van incorporando a la cadena sintetizada de nuevo. La zona de la doble hélice que separa sus dos cadenas y se va copiando, se conoce como horquilla de replicación. El ADN puede estar estructurado de diversas formas: en cromosomas circulares como en las bacterias; en pequeñas moléculas circulares como en los plásmidos de algunas bacterias; o en cromosomas lineales como en los eucariotas. La replicación del cromosoma circular de las bacterias se inicia por un único lugar especial llamado origen de replicación (oriC). A partir del oriC, la doble hélice se abre y aparece una burbuja de replicación, con lo que el cromosoma adopta una forma que recuerda la letra griega theta (0). Por ello, a este modelo de replicación se le conoce como modelo theta de replicación. El ADN circular de plásmidos y de algunos virus utiliza el modelo de replicación del círculo rodante. En este modelo, el proceso se inicia con el corte de una de las dos cadenas quedando dos extremos libres, 3' OH y 5' fosfato. La síntesis se inicia en el extremo 3' de la cadena escindida usando la cadena circular como molde. La incorporación de nucleótidos avanza a medida que el extremo 5' de la cadena escindida se va separando de la cadena circular como si fuera un hilo que se desenrolla de un ovillo. Al llegar al final del círculo se han obtenido una molécula circular de cadena doble y una molécula lineal de cadena sencilla. En los eucariotas, el ADN de cada cromosoma lineal está formado por millones de pares de bases. No obstante, la replicación se realiza en un tiempo récord si lo comparamos con los tiempos empleados en la replicación del ADN bacteriano. Ello se debe a que la replicación se realiza simultáneamente a partir de múltiples orígenes de replicación en cada cromosoma. En cada origen se generan dos horquillas hasta alcanzar las horquillas adyacentes  3.1.1 Detalles de la replicación En la replicación intervienen numerosas enzimas con función diversa. La acción eficaz de todas ellas se consigue porque forman parte de un gran complejo nucleoproteico, el replisoma, que coordina su actividad en la horquilla de replicación. Las primeras enzimas del replisoma que actúan son las helicasas y las topoisomerasas que desenrollan la doble hélice, rompen los puentes de hidrógeno que unen las dos cadenas complementarias y evitan que se formen superenrollamientos de la hélice en zonas adyacentes. Una vez que las bases de cada cadena quedan expuestas en la horquilla de replicación, las ADN polimerasas pueden utilizarlas como molde para incorporar los nucleótidos complementarios en la cadena que se está sintetizando. Debido a que las dos cadenas de la doble hélice son antiparalelas y que la incorporación de nucleótidos sólo se realiza en sentido 5' -> 3', a medida que va avanzando la horquilla de replicación, sólo una de las dos nuevas cadenas puede sintetizarse de forma continua. La cadena que avanza en sentido contrario al que avanza la horquilla de replicación, se sintetiza de forma discontinua en fragmentos cortos que se conocen como fragmentos de Okazaki. La cadena que se sintetiza de forma continua se conoce como cadena líder o adelantada y la cаdena que se sintetiza de modo discontinuo es la cadena retrasada Una ADN polimerasa especial tiene, además, función exonucleasa 5’ -> 3', que utiliza para eliminar los nucleótidos de los cebadores de ARN. A continuación, esta misma enzima utiliza su función polimerasa para rellenar el hueco dejado, añadiendo desoxirribonucleótidos a partir del fragmento anterior. Finalmente interviene una ADN ligasa que une el extremo 3' de un fragmento de Okazaki con el extremo 5' del fragmento siguiente, creando un enlace fosfodiéster sin necesidad de añadir un nuevo nucleótido. Esta ligasa también se encarga de unir los fragmentos sintetizados a partir de distintas horquillas de replicación.  3.1.2 PCR:Replicación in vitro El conocimiento de cómo la célula replica su ADN, ha permitido desarrollar una técnica de replicación in vitro del ADN que ha supuesto un avance revolucionario en el campo de biología molecular. Esta técnica es la reacción en cadena de la polimerasa o PCR con la que se obtiene millones de copias de fragmento de ADN. La reacción consiste en una serie de ciclos (25-30) en los que la temperatura cambia en 3 pasos: Paso 1 (desnaturalización): temperatura elevada (>90°C) que provoca que las dos cadenas del ADN se separen dejando las bases accesibles. Paso 2 (apareamiento o annealing): temperatura baja (45- 55°C) que permite a los cebadores unirse específicamente a su secuencia complementaria.  Paso 3 (extensión o elongación): temperatura media (~60°C) en que, a partir de la secuencia del cebador unida a una cadena de ADN, la polimerasa incorpora nuevos nucleótidos complementarios a la cadena molde para construir una molécula de ADN de doble cadena. Las condiciones de temperatura y tiempo para cada uno de los pasos de cada ciclo pueden variar considerablemente dependiendo de la longitud del fragmento a amplificar y de la secuencia de los cebadores. El diseño de la secuencia de los cebadores es crucial para que la reacción de PCR tenga éxito. Awesome words 3.2 Reproducción celular: Mitosis La mitosis es un proceso complejo por el cual la célula eucariota se reproduce. La importancia de la mitosis en la transmisión de la información genética radica en que las dos copias de cada molécula de ADN (llamadas cromátidas hermanas), que se han obtenido en la replicación, se separan repartiéndose equitativamente entre las células hijas. Durante la mitosis: La membrana nuclear desaparece y la célula despliega una matriz de microtúbulos que separa las cromátidas hacia polos opuestos. Las cromátidas se consideran cromosomas independientes. Luego, los cromosomas son arrastrados hacia polos opuestos y se regenera la membrana nuclear. La célula muestra dos núcleos, y la membrana citoplasmática crece, dividiendo el citoplasma en dos partes, formando dos nuevas células hijas con una copia idéntica de los cromosomas y la mitad del citoplasma. 3.3 Reproducción celular: Meiosis En la reproducción sexual, dos células (gametos) provenientes de dos individuos se unen (fertilización) para originar una célula huevo (cigoto) a partir de la cual se construirá un individuo nuevo completo. Si las células que se unen para formar el cigoto fueran idénticas a las del resto del individuo, cada generación contaría con el doble de moléculas de ADN que la generación anterior. Para preservar el contenido genético de generación en generación, los organismos con reproducción sexual producen los gametos que son células con la mitad de cromosomas que el resto de células del individuo. En un organismo diploide (2n), la meiosis produce cuatro células hijas haploides (n) a partir de una célula madre (2n) tras dos divisiones celulares consecutivas. En la primera, los cromosomas homólogos se separan, y en la segunda, las cromátidas hermanas se dividen, resultando en células con n cromosomas y n moléculas de ADN. 3.4 Recombinación intracromosómica Se dice que los genes dispuestos sobre un mismo cromosoma están ligados puesto que tienden a heredarse conjuntamente. No obstante, y con cierta frecuencia, este ligamiento se rompe por recombinación intracromosómica. Al principio de la primera división celular de la meiosis, los cromosomas homólogos permanecen apareados. En este momento pueden tener lugar entrecruzamientos, o intercambio de fragmentos de ADN, entre cromátidas de los cromosomas homólogos.El resultado es la posible aparición de multitud de nuevas combinaciones génicas.