Gabriel Robledo
La genética molecular es la rama que estudia la estructura y la función de los genes a nivel molecular.
Los cromosomas están constituidos por ADN (ácido desoxirribonucleico), que codifica la información hereditaria, y por proteínas histónicas y no histónicas. Cada cromosoma está formado por una única molécula de ADN, en la que cada gen ocupa un segmento.
El ADN está constituido por la asociación de moléculas llamadas nucleótidos, formadas por la unión de una molécula de fosfato, una del azúcar desoxirribosa y una base nitrogenada. Ya que cuatro bases distintas, adenina, guanina, timina y citosina participan en la formación de los nucleótidos, hay cuatro tipos distintos de estos. Para formar ADN, los nucleótidos se vinculan por sus grupos fosfato y conforman una larga hebra, cuyas bases nitrogenadas se unen por uniones débiles pero muy específicas con las de otra hebra. Se forman así pares de bases, que determinan que ambas hebras, apareadas, se enrollen para dar lugar a la estructura de doble hélice. Las uniones entre las bases solo ocurren, por una parte, entre la adenina y la timina y, por otra, entre la guanina y la citosina, las que por eso se llaman bases complementarias. La especificidad de las uniones entre bases determina la conservación y la transmisión de la información hereditaria.
El mensaje de la herencia o código genético está contenido en el orden o secuencia con que las bases aparecen en la larga hebra del ADN.
El mensaje genético solo consiste en información que determina el número, el tipo y la secuencia de aminoácidos de cada uno de los distintos tipos de proteínas de un organismo, La secuencia de bases del ADN determina la secuencia en que los aminoácidos se enlazan entre sí para dar lugar a una proteína.
Estructura del ADN
Dogma Central de la Genética Molecular
El dogma central de la genética molecular fue propuesto por Crick en 1970. Propone que existe una unidireccionalidad en la expresión de la información contenida en los genes de una célula, es decir, que el ADN es transcrito a ARN mensajero y que éste es traducido a proteína, elemento que finalmente realiza la acción celular. El dogma también postula que sólo el ADN puede replicarse y, por tanto, reproducirse y transmitir la información genética a la descendencia. Los virus Retroviridae y Caulimoviridae, tienen la potestad de sintetizar ADN mediante una polimerasa, la transcriptasa inversa, que tiene como molde ARN. Esto supone una modificación del dogma. Otra situación que rompe con la secuencia definida por el dogma es la posibilidad de obtener proteína in vitro, en un sistema libre de células y en ausencia de ARN, por lectura directa del ADN mediante ribosomas, en un entorno en presencia del quimioterápico neomicina.
- Dogma Central de la Genética Molecular
Replicación del ADN
Es el proceso según el cual la molécula de ADN de doble hélice origina a otras dos moléculas de ADN con la misma secuencia de bases.
Esta duplicación del material genético es semiconservativa debido a que las dos cadenas complementarias del ADN parental, al separarse, sirven de molde a su vez 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 parental.
La replicación se produce durante la interfase, en el período S o de síntesis de ADN.
El siguiente video muestra el proceso.
Transcripción y Traducción
La transcripción es la síntesis de una cadena de ARN complementaria a un fragmento de una de las cadenas del ADN.
Como el ADN, el ARN está formado por una cadena de nucleótidos. Cada uno está formado por una molécula de un azúcar llamado ribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina, guanina, uracilo y citosina. Se diferencia químicamente del ADN por contiener la base uracilo en lugar de timina.
Una parte de la hebra paralela del ADN actúa como molde para formar una nueva cadena que se llama ARN mensajero o ARNm . El ARNm sale del núcleo celular (en el caso de los organismos eucariotas) y se acopla a los ribosomas, estructuras celulares especializadas que actúan como centro de síntesis de proteínas.
- Transcripción
La traducción es el proceso por el cual la información genética contenida en el ADN y transcrita en una ARN mensajero va a ser utilizada para sintetizar una proteína de acuerdo a las reglas del código genético. En este proceso intervienen los ARN ribosómico (ARNr) y de transferencia (ARNt), y consta de las fases de:
– activación: cada aminoácido (AA) se une al ARNt específico,
– iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se enlaza con el extremo 5′ del ARNm con la ayuda de factores de iniciación y de otras proteínas,
– elongación: ocurre cuando el siguiente aminoacil-ARNt (el ARNt cargado) de la secuencia se enlaza con el ribosoma,
– terminación: sucede cuando se encuentra con un codón de terminación (sin sentido), que son el UAA, UAG o UGA.
El código genético es el conjunto de reglas usadas para traducir la secuencia de nucleótidos del ARNm a una secuencia de proteína en el proceso de traducción.
Características del código genético:
• La correspondencia entre nucleótidos y aminoácidos se hace mediante codones. Un codón es un triplete de nucleótidos que codifica un aminoácido concreto.
• El código genético es degenerado: un mismo aminoácido es codificado por varios codones, salvo Triptófano y Metionina que están codificados por un único codón. Existen 64 codones diferentes para codificar 20 aminoácidos. Los codones que codifican un mismo aminoácido en muchos casos comparten los dos primeros nucleótidos.
• El codón AUG que codifica la metionina es el codón de inicio y hay tres codones que establecen la señal de terminación de la traducción (UAA, UAG, UGA).
• Es casi universal. Es el mismo para la mayoría de los organismos, con algunas excepciones en protozoarios, micoplasmas y las mitocondrias.
Transcripción en Eucariotas
Las secuencias de genes eucarióticos que codifican para proteínas habitualmente no son continuas, sino que están interrumpidas por secuencias no codificadoras.
Las secuencias no codificadoras que producen interrupciones dentro de un gen se conocen como intrones, y las secuencias codificadoras, aquellas que se expresan, son llamadas exones.
Aunque los intrones se transcriben a ARN en el núcleo, no están presentes en el ARNm en el citoplasma y no se traducen a proteínas. Los exones son los segmentos que están presentes en el ARNm citoplásmico y que se traducen a proteína.
Una vez transcrito el ARN, sufre un proceso de maduración que tras cortes y empalmes sucesivos elimina los intrones para producir el ARNm final. Este proceso se denomina maduración del ARN o splicing.
- Splicing
Splicing alternativo
Durante este proceso de maduración o splicing se puede dar lugar a diferentes moléculas de ARN. De esta forma un mismo gen o secuencia de ADN, puede dar lugar a diferentes moléculas de ARNm y por tanto, producir diferentes proteínas.
Concepto actual de Gen
El splicing alternativo invalida la definición clásica de gen que postula que es una región de ADN que codifica para una proteína (teoría “un gen una proteína”). Así, este proceso que permite obtener varias proteínas a partir de una única secuencia de ADN, redefine el concepto de gen a “unidad de transcripción”. Los genes son unidades funcionales del ADN.
Regulación de la expresión Génica
La expresión génica es el proceso por medio del cual todos los organismos procariotas y eucariotas transforman la información codificada en los ácidos nucleicos en las proteínas necesarias para su desarrollo y funcionamiento. En todos los organismos, inclusive los eucariotas el contenido del ADN de todas sus células es idéntico. Esto quiere decir que contienen toda la información necesaria para la síntesis de todas las proteínas. Pero no todos los genes se expresan al mismo tiempo ni en todas las células. Los genes se expresan o no en los diferentes tipos de células, dependiendo de la función de la célula en un tejido particular. Por ejemplo, genes que codifican proteínas responsables del transporte axonal se expresan en neuronas pero no en linfocitos en donde se expresan genes responsables de la respuesta inmune. También existe especificidad temporal, esto quiere decir que los diferentes genes en una célula se encienden o se apagan en diferentes momentos de la vida de un organismo. Además, la regulación de los genes varía según las funciones de éstos.
En los procariotas, los genes con una función relacionada suelen estar agrupados en operones, el cual es un grupo de genes que se transcriben en un mismo ARNm y que, por tanto, están sujetos a una regulación transcripcional común.
En los eucariotas el proceso es mucho más complejo y se realiza en varios niveles. Para conocer más click aquí.
Mutaciones Génicas
Una mutación es una alteración de la secuencia de nucleótidos del ADN. Las mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas. Las primeras son aquellas que surgen normalmente como consecuencia de errores durante el proceso de replicación del ADN. Las inducidas surgen como consecuencia de la exposición a mutágenos químicos o biológicos o a radiaciones.
Si ocurren en las células germinales (óvulo o espermatozoide), las mutaciones estarán presentes en todas las células del organismo formadas a partir de la unión de esas gametas. La mutación es, entonces, hereditaria y se transmite de generación en generación.
Para conocer más sobre enfermedades hereditarias click aquí.
Las mutaciones pueden ser básicamente de 3 tipos:
- sustituciones: en este caso una base es reemplazada por otra.
- deleciones: una base es omitida de la secuencia.
- inserciones: las inserciones resultan del agregado de una base extra.
- Mutaciones Génicas
Genomas
En el curso de la década de los noventa, se han iniciado y desarrollado varios proyectos de secuenciación completa del genoma de diversas especies, el más publicitado de los cuales ha sido el programa de Genoma Humano.
Estos proyectos se proponen determinar la secuencia completa del genoma de distintas especies, localizando con exactitud la ubicación de los genes y el resto del material hereditario.
La metodología del ADN recombinante y sus técnicas asociadas (vectores de clonación, enzimas de restricción, transformación artificial de células procariotas y eucariotas, bibliotecas de genes, sondas moleculares, secuenciación, genética inversa, PCR, etc.) han alcanzado un desarrollo suficiente como para que se planteara la pertinencia y viabilidad de un proyecto de caracterización detallada (hasta nivel de secuencia de nucleótidos) de genomas de una serie de organismos modelo.
Actualmente se han completado las secuencias de varios virus y bacterias patógenas, así como las de algunos organismos superiores.
Genoma del Ratón: aquí
Genoma de la Rata: aquí
Genética - Técnicos para Bioterio 