Conceptos Clave de Genética Molecular: Desde Genes hasta Virus

Definiciones Fundamentales

GEN: Es la unidad elemental de la herencia, la región física y funcional del cromosoma portadora de la información genética de una generación a la siguiente y responsable de conferir rasgos al organismo. Es la entidad capaz de sufrir recombinación.

RECOMBINACIÓN: Intercambio de ADN procedente de una fuente con el ADN de otra fuente distinta, y responsable de la variabilidad genética observada en los seres vivos.

Código Genético

CÓDIGO GENÉTICO: Relación de correspondencia entre las bases nitrogenadas del ARN y los aminoácidos que codifica. En condiciones normales, hay solo veinte aminoácidos en las proteínas, por lo que debe haber más de 20 palabras. La codificación de aminoácidos viene especificada por secuencias de 3 nucleótidos (tripletes o codones).

Características del Código Genético

• Degeneración: Un aminoácido está codificado por más de un codón. Hay hasta 6 codones para un aminoácido, y los codones que codifican al mismo aminoácido son codones sinónimos.
• Universalidad: Debido a la correspondencia entre codones y aminoácidos, es independiente del organismo estudiado.
• Codones de inicio: AUG es el único que codifica metionina y actúa como codón de inicio.
• Codón con sentido: Dirigen la incorporación de aminoácidos a las proteínas.
• Codones de terminación o sin sentido: Son UGA, UAG, UAA, que indican la terminación de la síntesis proteica.

Plásmidos, Viroides y Priones

PLÁSMIDOS: Pequeñas moléculas de ADN bicatenario, circulares, que se replican con independencia del cromosoma de la célula o que pueden integrarse en él. La replicación depende del cromosoma de dicha célula. Se encuentran de forma natural en todas las especies de bacterias, levaduras y células eucariotas.

VIROIDES: Moléculas de ARN monocatenario y circular que causan enfermedades importantes en las plantas.

PRIONES: Partículas proteicas infecciosas que producen enfermedades neurodegenerativas en animales y seres humanos, como la encefalopatía espongiforme bovina.

Mutaciones

MUTACIONES: Cambios en la secuencia de ADN de una célula transmitidos a otras células que se originan a partir de ella. Son la principal fuente de variabilidad genética, ya que pueden tener lugar en todo el genoma.

Clasificación de las Mutaciones

• Según el tipo de célula:
  • Germinales: Heredables y se originan en alguna división meiótica o mitótica de la gametogénesis.
  • Somáticas: Aquellas que se originan a partir de mitosis. Son mutaciones mayoritarias.
• Según su magnitud:
  • Puntuales o génicas: Las más representativas y suelen implicar un cambio en un par de nucleótidos.
  • Cromosómicas: Provocan cambios en la estructura del cromosoma.
  • Genómicas: Cambian el número de cromosomas.

Mutaciones Puntuales o Génicas

a) Por sustituciones de bases: Implican el cambio de una base del ADN por otra.

• Transiciones: Cambio de una base púrica por otra púrica, o cambio de una base pirimidínica por otra pirimidínica.
• Transversiones: Cambio de una base púrica por una pirimidínica.

b) Por cambios de pauta de lectura: Se producen por inserción o adición y por eliminación o deleción de uno o dos pares de nucleótidos.

Mutaciones Cromosómicas

Son cambios en la estructura de los cromosomas sin alterar su número y se deben a la rotura de un cromosoma que más tarde se recompone de manera anormal.

Mutaciones Genómicas

Presentan alteración en el cariotipo, originadas durante la meiosis y se transmiten a todas las células.

• Euploidías: Aparece un número de series haploides distinto del normal: monoploidía (una sola dotación cromosómica) y poliploidía (contienen más de un juego completo de cromosomas).
• Aneuploidías: Les falta o sobra algún cromosoma: trisomía (cromosoma de más); monosomía (cromosoma de menos).

Agentes Mutagénicos

• Físicos: Radiación ultravioleta; radiaciones ionizantes.
• Químicos: Agentes químicos alquilantes; intercalantes; otros agentes químicos.

Mecanismos de Reparación del ADN

• Eliminación de agentes mutágenos.
• Reparación directa de la lesión.
• Reparación por escisión.
• Reparación de roturas de doble cadena.

Transcripción

TRANSCRIPCIÓN: Proceso por el que se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen a una secuencia de bases complementarias pertenecientes al ARNm. Con la información de este, se puede sintetizar una cadena polipeptídica durante el proceso de la traducción. La transcripción se lleva a cabo en el interior del núcleo.

Requisitos para la Transcripción

• Una cadena que actúe como molde.
• Enzimas, ya que la transcripción es un proceso controlado por ARN-polimerasas.
• Los ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.

La enzima ARN polimerasa une nucleótidos trifosfato en sentido 5'→3' mediante enlaces fosfodiéster. La cadena de ARN es complementaria a la de ADN.

Fases de la Transcripción

Iniciación

La enzima ARN-polimerasa tiene que reconocer una región del ADN, el centro promotor, a la que se asocia. La ARN-polimerasa cambia su configuración y desenrolla una vuelta de hélice del ADN, creando una burbuja de transcripción que permite que la secuencia de bases del ADN quede expuesta y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir. Esta burbuja se forma en el inicio y más tarde se desplaza a lo largo del ADN junto con la ARN-polimerasa.

• En los organismos procariotas: Hay 2 centros promotores y 5 nucleótidos antes del punto de iniciación. Estos centros reúnen las bases más comunes TTGACA y TATAAT.
• En los organismos eucariotas: El centro promotor es el compartimento TATA.

Elongación

La ARN-polimerasa lee el ADN en dirección 3'→5' y el crecimiento del ARN y la adición de ribonucleótidos es en sentido 5'→3'. Los ribonucleótidos se van añadiendo de acuerdo con las reglas de complementariedad.

• Organismos eucariotas: Se transcriben exones e intrones.
• Organismos procariotas: Se produce un rebobinado y más tarde un desenrollamiento con el avance de la burbuja, y continúa el desplazamiento y el crecimiento de la cadena de ARN.

Terminación

La ARN-polimerasa continúa la transcripción hasta que se encuentra una secuencia terminadora en el ADN. El ARNm se separa.

• Procariotas: La señal de parada es una región palindrómica. Como consecuencia, el ARN forma una horquilla que hace que se separe del ADN molde y se interrumpa la síntesis del ARNm.
• Eucariotas: Se forma una horquilla en el ARN similar a la de los procariotas. La señal de corte es una secuencia TTATTT. Cuando se produce una separación del ARN, una enzima une en el extremo final 3' una secuencia de nucleótidos llamada poli-A.

Maduración del ADN

Se llama transcrito primario o precursor del ADN a la molécula de ARN que resulta directamente del proceso de transcripción.

• Procariotas: Hay transcritos primarios para los ARN de transferencia y ribosómicos, pero el ARNm carece de precursor, lo que permite su empleo inmediato para la traducción.
• Eucariotas: Los precursores de los 3 tipos de ARN formados en el núcleo eucariótico no pueden desempeñar su función directamente, sino que sufren un proceso llamado maduración del ADN.

Los Virus

LOS VIRUS: Son formas no celulares con material genético capaces de reproducirse en el interior de moléculas vivas. Son parásitos intracelulares obligados, que no tienen metabolismo propio y usan el de la célula a la que parasitan.

Estructura de los Virus

Presentan ADN o ARN que pueden ser monocatenarios o bicatenarios. Este ácido nucleico puede formar una sola molécula o estar segmentado. La partícula vírica completa se llama virión. El material genético del virión está rodeado de una estructura llamada cápsida. Esta cubierta está formada por pocas proteínas que forman protómeros que se asocian formando capsómeros.

Clasificación de los Virus

Se clasifican dependiendo del tipo de huésped en el que se multiplican, la morfología de la cápsula, la envoltura, la estructura y el tipo de ácido nucleico, entre otros factores.

• Según su morfología:
  • Viriones con cápsida helicoidal.
  • Viriones con cápsida icosaédrica.
  • Viriones con envoltura.
  • Virus complejos.

Ciclos de los Virus

Ciclo Lítico

Un virus infecta una célula, se reproduce y termina con el huésped. Se denominan virulentos y es normalmente el ciclo de reproducción bacteriófago en animales.

Etapas del Ciclo Lítico

1. Absorción y fijación del virión a receptores específicos de la célula huésped para comenzar la infección.
2. Penetración del ácido nucleico del virus en la célula y degradación del ADN de la célula.
3. Replicación del ácido nucleico del virus, usando la célula huésped.
4. Transcripción y síntesis de proteínas de la cubierta.
5. Ensamblaje de unidades estructurales y empaquetamiento del ácido nucleico en cápsidas.
6. Lisis de la bacteria y liberación de los viriones maduros al exterior de la célula.

Ciclo Lisogénico

Algunos virus, cuando invaden la célula, no la destruyen, pero su ADN se integra en el ADN de la célula huésped y se replica y se transmite con él durante sucesivas generaciones. En ocasiones, el ADN vírico se activa, se separa del cromosoma y comienza un ciclo lítico. Los virus más famosos transportados por bacterias o bacteriófagos. El genoma vírico integrado se llama provirus y las bacterias capaces de establecer esta relación son lisogénicas.

Diferencias entre el Ciclo Lítico y el Lisogénico

En el ciclo lítico, el ADN vírico destruye el ADN celular, mientras que en el lisogénico no destruye la célula. El ADN vírico queda asociado al ADN celular de forma pasiva, se replica y se transmite con él hasta que se desprende y realiza el ciclo lítico. Siempre se completa con el ciclo lítico.